信息化控制技術在風力發電中的應用

摘要：信息化控制技術在風力發電領域的應用正逐漸成為提升風電效率、降低運維成本、增強系統穩定性的關鍵因素。本文綜述了信息化控制技術在風力發電中的應用現狀和發展趨勢，重點探討了環境適應性設計、數據傳輸效率、系統可靠性與穩定性、網絡安全等關鍵技術，并提出了一系列應對策略，以達到降低機組非預期停產的目的，提升風電機組的綜合運營效益。

關鍵詞：信息化控制；風力發電；數據傳輸

DOI：10.12433/zgkjtz.20242609

在世界能源格局轉變及可再生能源需求量增大的背景下，風電是一種可再生的清潔新能源，近年來得到了迅猛發展。風電機組的高效率運營與維修，除了依靠先進的硬件設施外，還取決于能否合理運用信息技術。通過將傳感器、數據采集系統、通訊網絡及智能算法相結合，可對風機及風電機組進行實時監測、故障診斷、性能優化及預防維修。

一、信息化控制技術在風力發電中的應用

（一）風力發電機的監控與診斷

在風電領域，尤其是風電機組的監測與故障檢測，關鍵在于將先進的傳感器、數據采集系統以及智能算法相結合，對風電機組的工作狀況進行實時的監控與分析。該方法可以采集風電機組各部分的轉速、溫度、振動等關鍵參量，并利用計算機對其進行建模，對可能出現的故障或退化現象進行預警，以便進行維修或調試。研究成果將為風電機組的安全運行提供新的思路。

（二）風力發電場的集中監控與管理

本文以風電機組為研究對象，利用先進的傳感器、數據采集、自適應控制算法、專家系統、神經網絡預測模型、智能故障診斷等手段，對風電機組進行實時監測、故障預警、性能優化及預防維修。該方法通過對風機運行狀態的實時調節，使風機在不同的環境下保持高效穩定運行，提升整體的能量產量與經濟效益，減少運行費用與維修費用，為我國風電產業的可持續發展奠定堅實的基礎[1]。

（三）風力發電與電網的集成

風力發電的波動性和不可預測性對電網的穩定性構成挑戰。為應對這一問題，智能電網技術被廣泛應用，它利用先進的信息技術和通信技術實現對電網運行狀態的實時監控和動態管理。其中包括使用自動控制技術自動調節電力流動，以及采用電池儲能系統、抽水蓄能電站等儲能技術，平衡風力發電的間歇性，增強電網的穩定性和供電的可靠性。最成功的案例當屬新疆地區的風力發電項目，其通過與電網的互聯，成功將風能轉化為電力供應。國家電網的“送風上高速”工程通過優化電網結構和提升輸電能力，實現了風電產能的有效輸送和利用。風力發電與電網的集成提高了風電資源的利用效率，促進了清潔能源的可持續發展，同時也為實現能源轉型和碳中和目標提供了技術支撐。對當地就業和經濟發展帶來了顯著的積極影響，提供了大量的就業機會，不僅涉及直接參與風電場建設的工人，還包括為風電項目提供支持服務的企業和商家，如物流、餐飲、住宿等。

二、信息化控制技術的關鍵

（一）風力發電機的智能控制策略

信息化控制技術在風力發電機的智能控制策略中，通過高精度傳感器和智能算法實時監測和分析風速、溫度、葉片角度等關鍵參數，動態調整發電機的運行狀態以適應風況變化，以優化發電效率，降低機械應力。綜合故障診斷技術可以對可能出現的問題進行預警與辨識，縮短停工周期，并通過遠程監測與可視化人機交互，提升運行與維護的有效性。上述研究可提高風電機組的工作效率與可靠性，減少運行費用，為風電機組的安全、可靠運行奠定基礎。

（二）故障預測與健康管理

故障預測與健康管理（PHM）是將先進的傳感器、數據采集系統、數據分析、智能故障診斷等有機結合，對風電機組的運行狀況實時監測、預警及使用壽命評估[2]。通過對風電機組的工作狀態進行分析，對可能出現的問題進行預警，為風電機組提供維修決策，降低非預期停機次數，實現維修方案的最優配置，提升風電機組的可靠性與經濟性。其核心內容為數據采集與處理、健康狀態評估、剩余壽命預測、故障診斷等，為提升風機裝備的運營效能、減少維修費用提供理論支撐。利用 PHM，可使風電產業由被動檢修向狀態檢修過渡，使風電裝備的智能程度得到提高。

（三）風力發電場的能量管理

通過建立風電場內部的精細化網絡模型，并準確感知風場內部的各種運行狀態，實現對風電場有功功率的智能管理。在此基礎上，開展基于無功調控的風電機組無功調控方法研究，確保風電供電品質與電網穩定運行。與此同時，引入智能傳感、物聯網等手段，實現風電場設備—人員—周邊環境之間全維度的信息交互，提升風電場運行管理的有效性與安全性。

（四）風力發電系統的網絡安全

風力發電系統中的網絡安全關鍵技術，涉及構建全面的防護體系以確保風電監控系統的數據安全和運行穩定。這包括實施安全分區和網絡專用原則來隔離關鍵操作網絡，采用橫向隔離和縱向加密認證技術防范數據泄露和未授權訪問，部署實時安全監測和入侵檢測系統來識別潛在威脅，執行嚴格的安全管理措施和人員培訓，以及定期進行系統更新和攻防演練，形成一個多層次、全方位的防御機制，確保風力發電系統在面對日益復雜的網絡攻擊時能夠保持高度的安全性和可靠性。

三、信息化控制技術面臨的挑戰

（一）環境因素對控制系統的影響

由于風力發電場一般處于邊遠或極端天氣區域，對其運行過程中的溫度、濕度、鹽霧、沙塵等因素提出了更高的要求。在此基礎上，提出了一種新的基于神經網絡的新型智能結構設計方法。同時，風電機組的工作狀況受風場、方向等因素的影響，需要對其進行迅速的反應，以達到最大限度地降低設備損耗的目的。為解決上述問題，風電機組在運行過程中必須兼顧高可靠、高容錯性，并結合現代計算方法與大數據處理方法，以達到風電機組精準調控與健康管理的目的[3]。

（二）數據的實時性和準確性

風電基地地處偏僻，且受外界環境變化（包括風速、溫度等）的影響，對測量精度及信號的可靠性造成了威脅。風力發電系統的在線監測與故障預報是基礎，也是重點。而精度又是保證資料分析及預報模式之可靠度之依據，若有偏差，將造成決定與維修計劃的失誤。

（三）系統的可靠性和穩定性

在極端的溫度、濕度、鹽霧、沙塵等苛刻的工作條件下，需保證整個系統的連續、平穩工作。因此，當風機在極端工況下工作時，需要長期穩定的運行，以確保其對外界環境的適應和對 EMI的抵抗。穩定是指風電機組在受到外部干擾時，仍能維持在預先設定的工作區域，避免出現大的振蕩或失去控制，保證風電機組的安全和高效運轉[4-5]。

（四）成本效益分析

信息化控制技術在風力發電系統的安全運行具有十分重要的意義。但是，要體現該方法的實用性，還要進行費用—效果的評估。同時，必須對該系統的初期投資、運行費用、預期節能效應及收益等進行詳盡的成本收益分析。在此基礎上，還應關注對工程經濟產生重大影響的政策扶持和補助。只有通過技術創新、政策扶持、市場適應和完善，才能更好地促進產業健康發展。

四、信息化控制技術在風力發電中的應對措施

（一）強化環境適應性設計

采用能抵御惡劣天氣的材質，例如抗侵蝕涂層和特種合金，以抵抗鹽霧、濕度及溫度的改變。利用高精密的傳感與監控技術，對外界的溫度、濕度、風速等進行監控，實現對外界條件的響應。為了保證在外部條件下，當某個部件發生故障時，該系統能夠正常工作，應對設備進行常規保養，建立嚴密的保養方案，對易受到外界因素干擾的零件進行定期的檢測及替換，盡量降低事故造成的停工。使用環境適應性算法，能夠預測和適應環境變化，以優化風力發電機組的性能和壽命[6]。對于臺風等極端天氣，應進行風力發電機組的臺風適應性設計，包括結構加固和自動偏航系統，以減少極端天氣對風力發電機組的損害。

（二）提高數據傳輸效率

本文擬應用5G等高速通訊技術，保障數據的實時性與精確性，利用高精度的數據收集系統及邊緣計算對數據進行預處理，利用數據壓縮減輕傳輸負荷，構建能夠統一監測與分析的數據管理平臺，通過先進的數據同步方法保障數據的一致性，并對其進行嚴密的數據安全保障。研究成果將為提高我國風電機組的總體運行能力和智能程度，保障風電數據高效、安全、可靠的傳輸。

（三）定期進行系統測試和評估

采用5G等高速通信技術，保證實時、可靠的數據傳送，以提高風電機組的信息傳輸效率，在提升數據速率的同時，也提升了信號的覆蓋范圍，提升了系統的抗噪聲性能，尤其是在海洋風電場中。比如，在江蘇沿海3號風電場建設中，利用5G網絡對風機進行了統一的運行監測和數據管理，達到了對整個系統進行智能化管理的目的。該系統采用基于業務的方式進行自動報告，確保了實時性，且結構簡潔，無需附加元件的支撐。通過合理調節抽樣速率，在確保數據完備、實時的前提下，降低了數據收集的工作量。在此基礎上，建立基于云端和邊緣的智能風機監控系統，對風機運行進行統一監控和數據管理[7]。該系統可以對各種類型的數據進行統一的加工與分析，有效提升數據的使用效果，保證資料在傳輸時的安全性，避免資料泄漏及未經許可的存取，是確保風電機組網絡安全的關鍵。

（四）加強跨學科合作和技術研發

通過跨學科合作，研究人員共同開發出更適應惡劣環境的風力發電機組材料，如耐腐蝕、耐高溫、抗大風等性能優良的風電機組結構，為風電機組的安全可靠運行奠定基礎。研究開發工作的重心是提升風電機組的智能化程度，為此，技術研發包括開發先進的控制算法，如自適應控制、智能診斷系統等分析方法，以提高風電機組的可靠性。此外，還將利用機器學習、人工智能等方法，對風電機組進行實時預報與自適應，以提升風電機組的發電效能。

五、結語

總之，信息化控制技術在風力發電中的應用前景廣闊，它不僅能夠提高風電系統的效率和可靠性，還能推動整個行業的可持續發展。隨著技術的不斷成熟和成本的降低，預計信息化控制技術將在風力發電領域發揮更加重要的作用，為實現全球清潔能源目標作出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]徐興朝.信息化控制技術在風力發電控制系統中的應用[J].大眾用電，2021，36（4）：80-81.

[2]劉瀟.芻議風力發電控制系統中現代信息化控制技術的應用方法[J].科技創新導報，2019，16（35）：14.

[3]田磊.信息化控制技術在風力發電中的應用[J].信息記錄材料，2019，20（8）：151-152.

[4]肖紅軍.信息化控制技術在風力發電控制系統中的研究[J].南方農機，2019，50（11）：215.

[5]陳星亮，馬廣東，程瑋，等.風力發電控制系統中現代化信息化控制技術的應用策略[J].科學技術創新，2018（30）：39-40.

[6]朱煥榮.信息化控制技術在風力發電控制系統中的運用[J].山東工業技術，2018（22）：143.

[7]閆豪，李君略.信息化控制技術在風力發電控制系統中的運用[J].電子技術與軟件工程，2018（3）：140.