分布式控制系統在風電機組控制中的應用

楊衛民，王斌，秦成虎，董勝剛，師毓佳

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003)

1 問題的提出

我國風電發展已成為較為成熟的可再生能源，截至2009年年底，我國風電并網總容量達16．13 GW，同比增長92．26%。其中，2009年風電電量為269億kW·h時，同比增長105．86%，占總電量的0．75%。我國已建立起了200個風電場，風電場的迅速發展帶動了風能產業的發展和風能技術的進步。我國已能自行研制兆瓦級風電機組，最大功率達到3．0MW并開始規劃海上風電項目。

當前，國內兆瓦級風電機組整機組裝基本實現了國產化，機組部件諸如葉片、齒輪箱、發電機、軸承、塔筒、機艙罩等電氣和機械部件已能完全替代國外產品。作為風電機組可靠穩定運行核心的電控系統(包括機組主控系統、逆變系統和變漿系統)尚不能迅速國產化。在主控系統方面，國內整機廠家保留了所引進原型機原配系統或在進口風電專用可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)基礎上進行控制策略的應用。

由于國內風電行業總體處于起步階段，各配套部件廠家的設備性能需要通過長時間運行磨合并不斷提高，可靠性程度仍然需要不斷提高，因此，采用原配系統的風機主控維護成本居高不下，采用進口風電專用PLC的主控系統因核心部件的局限性使其在運行過程中無法根據機組實際運行狀態進行控制策略的優化和完善，從而影響機組長期運行的穩定性和可靠性。

隨著國內風電場總裝機容量的持續擴大，風場規模已從50MW上升到200MW乃至300MW，風機控制系統已經不局限于所屬風機的控制，而要涉及到整個風場功率動態分配的范疇，從而對機組控制系統提出了新的要求［1］。

2 風機機組控制對象分布、運行環境要求及控制需求分析

風電機組控制主要涉及到輪轂中的變槳系統、偏航系統、逆變系統發電、發電機、液壓站、變速箱、盤式剎車、振動檢測系統和機艙內外環境控制及供電電源質量等監控。上述監控點分布在整個機艙內和塔筒底部。兆瓦級機組監控點一般在100～200個，且逆變系統具有塔頂機艙和塔底塔筒等多種安裝方式，而變槳系統一般安裝在機艙頭部輪轂中，因此，機組被控對象具有典型的分布式特征。

風電機組運行環境比較惡劣，均為戶外安裝，在我國西北地區運行的機組需要耐低溫風雪的侵蝕，東南部沿海地區又需要考慮鹽霧的影響，因此，對控制系統的溫度特性、耐腐蝕特性均有極高的要求。

風電機組輸入具有不可控性和波動性，而機組輸出又需要滿足電網并網的要求，因此，對于單元機組控制系統要求具有良好的動態響應特性，以利于大規模機組群平穩地功率輸出。

風電機組機艙及內部設備質量達幾十噸，因此，要求安裝在塔頂的控制柜具有最小化體積，同時控制系統需要便于接線和安裝維護。

除此之外，控制系統的HMI顯示功能，遠程監控通信功能，必要的當地數據存儲功能，完備的自診斷功能也是必不可少的。

3 風電機組常見的幾種控制系統分析

目前，國內市場風機整機廠家配套的主控系統基本為國外進口產品，主要有以下3類特征:

(1)以丹麥Mita公司WP3100，WP4000系列為代表的風電機組專用控制系統。

(2)以奧地利Bachmann公司M1系列和德國Beckhoff公司CX1020嵌入式PC為代表的風電機組專用PLC控制系統。

(3)以 Siemens S7－300/S7－400，羅克韋爾(A－B)公司CompactLogix系列為代表的中小型通用PLC構成的風電機組控制系統。

比較上述幾類系統，其技術特點為是各具特色:

(1)Mita公司作為老牌的風電主控系統研究和制造廠家，過去20年間在分布于世界各地數萬臺風機的運行中積累了豐富的經驗，因此，其控制系統無論在結構的緊湊性、運行的穩定性和控制策略的豐富性方面都可圈可點。該系統本地功能非常強大，內部可提供診斷和控制狀態信息多達千余條，技術人員可方便地通過就地或遠程進行維護。內部控制程序采用C++語言編制，盡管在HMI界面上預留了多種參數設定權限，但是，控制策略仍然需要廠家進行調整，測點類型和數量需要在整機制造前約定，在線增加測控點不方便。報警信息采用代碼制，界面沒有實現中文化，這些因素給運行人員維護造成了不便。該控制系統技術保密性很強，需要依賴專業廠家進行維護。

(2)奧地利Bachmann公司和德國Beckhoff公司的風電主控系統均是在通用PLC基礎上演變而來的，其中系統性能指標為適應風電控制嚴酷的環境要求進行了強化，均可達到在－30～60℃惡劣環境下的使用要求，I/O模塊在常規通用PLC I/O基礎上進行了混合集成，對于機組控制多見的DI/DO測點而言，它可在模塊內部定義信號類型，從而最大程度地減少模塊種類和數量，實現結構的緊湊化。Bachmann公司在控制邏輯上可提供部分其自帶的控制算法功能模塊。此類PLC因為是在通用PLC基礎上強化而來的，它保留了傳統PLC的特點，測點擴展功能方便，通信擴展功能豐富，邏輯組態支持符合IEC61131－3標準等特征。目前，國內很多整機廠家采用這類產品針對自己的目標機型進行控制邏輯的開發，控制邏輯一般采用順序功能流程化語言SFC(Sequential Function Chart)和結構化文本語言ST(Strutured Text)混合編制，由廠家自行現場調試完成后交付風電場業主。

(3)Siemens S7－300/S7－400;羅克韋爾(AB)公司CompactLogix系列為代表的通用PLC廠家因為其供貨和售后維護的方便性、成本的相對低廉性而得到一些整機廠的青睞。

以上幾類進口系統技術性能各有各的特點，但因為底層平臺均掌控在國外廠家手里，同時國內整機廠因為競爭的需要，整機交付并完成試運行后，機組控制策略一般不交付給運行維護人員，而是由整機廠進行維護，造成運營商維護成本較高，維護響應較慢，從而影響了有效發電時間。

以PLC為基礎的風機主控系統，基本可以滿足單臺風機的控制需要。但是，同一風場中的不同機組之間可交互的信息非常少，不容易實現全風場的優化運行。隨著風電場規模越來越大，風電在電力系統中的比例也越來越大，這些都對風電的控制提出了新的要求。例如，要求實現自動發電控制AGC(Automatic Generation Control)功能，而要實現這一功能，必須要對全風場的風機進行協調控制。基于分散控制系統的風電機組主控系統充分利用了系統分散性和集中性的特點，將各風電機組的控制分散到各機組的物理點，同時將不同機組的數據相對集中進行綜合分析和處理，可方便地進行機組之間的協調控制。

4 面向對象的WP100系列風電機組控制系統

WP100系列風電機組控制系統是國電南京自動化股份有限公司以大中型火電機組分散控制系統(DCS)研發和工程實施為基礎，針對風電機組運行和維護需要推出的專用控制系統。采用WP100系列控制系統構成的兆瓦級風電機組控制系統的典型配置方案如圖1所示。

圖1 采用WP100系列控制系統構成的兆瓦級風電機組控制系統典型配置方案

4．1 系統架構配置方案

針對兆瓦級風電機組測點分布特性和運行維護的方便，WP100系列控制系統分為塔底主控制器機架和機艙擴展機架。圖1是采用WP100系列構成的兆瓦級風電機組控制系統典型配置方案。

機艙機架由電源模塊、子通信模塊和各種I/O模塊組成。機艙機架實現以下功能:

(1)采集塔頂各個部件的相關狀態量;

(2)機艙機架和變槳系統交互，實現高低風速下的控制要求。由于主要的風電機組部件都集中在機艙中，機艙部分的測點相對塔底要多。機艙I/O監控測點會隨著機組等級的提升、控制要求的深化進一步增加，因此，機艙控制器機架需要預留足夠的擴展槽位以方便后期擴展。

塔底機架由電源模塊、主CPU模塊、主通信模塊、擴展通信模塊和各種I/O模塊組成。塔底機架實現以下功能:

(1)采集塔底各個部分的溫度、各個供電回路的狀態等，同時通過交流采樣模塊采集網側三相電壓電流和有功、無功;

(2)塔底機架和逆變系統交互，用于實現風機的并網脫網，在發電過程中對逆變系統下達轉矩控制指令以優化發電量和控制最大發電量。

在這個配置下，機艙和塔底之間信息傳輸采用光纖以太網連接塔底主通信模件和機艙子通信模件，子通信模塊通過內部并行總線和I/O模塊交換數據，并將數據匯總后通過光纖以太網和塔底控制器CPU進行信息交互。機艙機架與塔底機架各模塊通過以太網與人機界面連接，同時通過一個集群所有風機的交換機所構成的光纖環網與后臺監控連接。

4．2 WP100控制器的特點

WP100控制器平臺CPU采用低功耗的工業X86系列工業控制器作為核心處理單元，采用鋁合金外殼封裝，可以有效防止機艙惡劣的電磁干擾、灰塵和風沙的沖擊，能適應西北地區的環境要求，其外觀如圖2所示。

圖2 WP100控制器結構外觀

WP100控制器平臺底層操作系統采用實時內核擴展的Linux RTAI開源嵌入式操作系統，確保控制器的安全運行。該操作系統具有完整的內存保護功能同時驅動設備加載組件化實現了良好的可擴充性，并支持真正的多進程工作方式。采用實時內核擴展功能的操作系統，使得執行任務時間和非實時標準Linux操作系統相比由數十毫秒提升到數百微秒，從而使控制器實時特性得到極大提高［2］。

WP100控制器的一個重要技術特征是糅合了DCS控制邏輯運行在線修改并下裝執行的功能。該功能保證機組可在不停機的情況下，根據機組實際運行的狀況實現優化、重新構建控制邏輯和在線下裝的功能。這種邏輯優化完全區別于目前常見風電控制器的在線現有參數的修改或調整，從而使風場高級運行人員可隨時根據當前機組運行的狀況進行優化調整。同時由于不需要停機，從而極大地減少了停機對整機設備造成的沖擊磨損。

WP100控制器在控制邏輯上采用面向設備對象的圖形化處理方式。在系統常用的功能塊的基礎上，增加了風電機組特有的設備FBD庫和算法FBD庫，如圖3所示偏航系統的功能塊和如圖4所示的風速平均值計算的功能塊等。考慮到目前國內風電場運行人員大部分由火電廠調配而來，所以，整個控制邏輯采用火電廠控制人員所熟悉的SAMA圖模式。SAMA組態圖能清楚地表示系統功能，易于運行人員理解和修改。柜體加熱功能的SAMA組態圖如圖5所示。

圖3 偏航功能塊

WP100控制器具有完全的自主知識產權，可方便地根據不同整機廠家的設備配置建立對應的設備功能塊;同時，可將核心算法封裝在控制底層，以保證邏輯運算的高效性。WP100控制器支持風電場業主運行人員采用ST結構化語言自定義功能塊。采用這種架構，可保證風電場運行人員通過監控系統很直觀地觀察機組運行時所有設備變量和中間變量的狀態，同時很好地保護了系統制造廠家的技術私密性。

圖4 風速平均值計算功能塊

考慮到目前國內風電場規模從50MW至300 MW不等，整個風場均需要配備機組群監控系統進行中央監控室監控甚至遠程監控。WP100控制器在保留一些必需的當地信息儲存量的同時，重點突出其實時控制功能而將大部分的諸如報警記錄、歷史數據、統計信息以及實時數據通過網絡傳遞給中央監控系統處理、存儲和分析。這樣，一方面減少了控制器資源占用，降低了控制器CPU運行負荷，另一方面充分利用了中央監控系統成熟度高、易維護、資源擴展方便的特點，使得整個系統具有較好的功能綜合分配。

圖5 柜體加熱功能SAMA組態圖

5 結束語

風電控制器作為機組運行的核心技術，目前基本掌控在國外廠家手里，因為其技術壟斷造成的高昂成本給風電運營商長期、穩定、持續運行造成不便。國電南京自動化股份有限公司在為大、中型火力發電機組提供DCS的基礎上，經過認真對比風電機組特性和運行要求后，推出面向風電機組控制對象的風電專用控制系統。風電專用控制系統具備了上述軟、硬件優勢及結構上的特點，且已通過了半物理拖動仿真系統的試驗驗證［3］和全測點風電機組仿真系統的測試驗證，預計經過后期試運行和現場持續的運行考驗和持續完善，可能會打破國外風電控制系統在該領域的壟斷局面，為國家風電新能源的發展做出應有的貢獻。

［1］白曉磊．風力發電功率預測及AGC機組調配的研究［D］．北京:北京交通大學，2009．

［2］齊俊生，崔杜武，黑新宏．嵌入式Linux硬實時性的研究與實現［J］．計算機應用，2003，3(6):34 －36．

［3］王斌，吳焱，丁宏，等．變速變槳距風電機組的高風速變槳距控制研究［J］．電力自動化設備，2010，30(8):81－83．