雙饋風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化替代應(yīng)用

文 | 劉彥東，關(guān)寶峰

技術(shù)

雙饋風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化替代應(yīng)用

文 | 劉彥東，關(guān)寶峰

控制系統(tǒng)改造技術(shù)方案

一、改造原則

為保證被改造風(fēng)電機(jī)組的安全，減少對(duì)機(jī)組發(fā)電量的影響，同時(shí)使改造具有一定的先進(jìn)性和系統(tǒng)內(nèi)的示范性，特確定以下改造原則：盡量縮小改造范圍，利用系統(tǒng)原有部件，縮短改造時(shí)間，使改造費(fèi)用科學(xué)合理；改造的核心是控制器件的通用性和擴(kuò)展性更強(qiáng)；在未來三至五年內(nèi)，技術(shù)上不需要升級(jí)，采購(gòu)上保證硬件有多家供應(yīng)商可供選擇。

二、硬件改造

由于現(xiàn)場(chǎng)的主控裝置大部分安裝在機(jī)艙內(nèi)，想要整體更換機(jī)艙控制柜，需要打開機(jī)艙進(jìn)行更換，面臨更換難度大、費(fèi)用高的問題；塔底控制柜雖然比機(jī)艙柜更容易更換，但內(nèi)部電器元件都還可以使用。為了解決這個(gè)問題，利用主控系統(tǒng)原有的電氣設(shè)計(jì)，對(duì)以下硬件進(jìn)行了改造：

（1）采用德國(guó)倍福公司最新的低溫型控制器CX5020，可在零下30℃正常運(yùn)行。

（2）通信方式由原來的lightbus總線改為最新的EtherCAT總線通信方式。

（3）配套的人機(jī)顯示屏將具有零下20℃的低溫運(yùn)行性能,圖形化、人機(jī)友好性得到較大提升。

（4）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于風(fēng)電場(chǎng)級(jí)的OPC Server，可實(shí)現(xiàn)多家SCADA系統(tǒng)的集中接入。

三、 硬件改造系統(tǒng)通信框架圖與優(yōu)點(diǎn)

溫型控制器CX5020，處理速度快，低溫性能好。

EtherCAT總線通信方式，通信速度更快，抗干擾能力更強(qiáng)。 圖形化人機(jī)界面，具有簡(jiǎn)單易操作，分層合理，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于風(fēng)電場(chǎng)級(jí)的OPC Server，具有傳輸速率快，運(yùn)行安全穩(wěn)定的特點(diǎn)。（見圖1）

四、軟件改造

（1）功率曲線優(yōu)化，優(yōu)化最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線和額定轉(zhuǎn)矩的無擾動(dòng)切換，保證風(fēng)能捕獲效率最大，提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率 。

（2）增加變槳變?cè)鲆婵刂疲鶕?jù)槳距角大小改變槳葉控制器的增益，達(dá)到維持額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運(yùn)行的目的 。

（3）增加轉(zhuǎn)矩阻尼控制，轉(zhuǎn)矩阻尼控制可明顯減小傳動(dòng)鏈和塔架的振動(dòng)，降低疲勞載荷，同時(shí)可減小變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)和葉片的載荷，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命。

（4）主控系統(tǒng)屏蔽自身電網(wǎng)故障，控制變槳系統(tǒng)快速順槳以穩(wěn)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，配合變頻器完成低電壓穿越。

（5）可用故障碼擴(kuò)充，在故障執(zhí)行動(dòng)作細(xì)分的基礎(chǔ)上，新程序故障碼的數(shù)量進(jìn)一步增加，提高系統(tǒng)可靠性，以及在故障情況下排查故障源的能力。

圖1 改造后的系統(tǒng)通訊框架圖

（6）增加有功無功調(diào)節(jié)接口，按照國(guó)網(wǎng)接入的最新標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組調(diào)節(jié)特性在控制策略中增加有功調(diào)節(jié)和無功調(diào)節(jié)功能，并在SCADA中增加有功無功調(diào)節(jié)接口。

（7）控制參數(shù)可修改 ，一些關(guān)鍵的控制參數(shù)，以TXT形式存儲(chǔ)在PLC的CF卡中，每次PLC上電后讀取，同時(shí)可以通過人機(jī)界面對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改及存儲(chǔ)。

（8）偏航控制優(yōu)化，針對(duì)機(jī)組的風(fēng)向和機(jī)艙位置測(cè)量及偏航驅(qū)動(dòng)配置，改進(jìn)偏航啟動(dòng)和停止的邏輯，通過運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)濾除風(fēng)向偏差干擾，提高對(duì)風(fēng)精度。

五、 風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳解決方案

主控系統(tǒng)提供風(fēng)電場(chǎng)級(jí)別的OPC server，集成所有主控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制和有功無功調(diào)節(jié)接口。該數(shù)據(jù)集成架構(gòu)（如圖 2所示）采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的OPC規(guī)范開發(fā)，具備開放性、標(biāo)準(zhǔn)性和擴(kuò)展性。OPC接口規(guī)范自1995年提出以來，在自動(dòng)控制領(lǐng)域獲得了廣泛的認(rèn)可和推廣，目前在風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控領(lǐng)域亦已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,常被用于報(bào)送上一級(jí)調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式要求中。

控制系統(tǒng)改造解決的問題

一、根據(jù)定子溫度自動(dòng)限功率功能

針對(duì)一些風(fēng)電機(jī)組在高風(fēng)速下滿功率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)定子溫度高的故障而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)的問題，添加了當(dāng)溫度升到一定的溫度值后自動(dòng)限功率運(yùn)行，當(dāng)溫度降低到一定的范圍后慢慢增加運(yùn)行功率直至滿發(fā)的控制策略。在風(fēng)電機(jī)組改造后的運(yùn)行過程中獲取的該策略生效時(shí)的運(yùn)行曲線如圖2所示。

曲線中的最高風(fēng)速為20m/s，最低為12m/s，滿功率運(yùn)行時(shí)溫度很快上升到130℃附近，風(fēng)電機(jī)組開始進(jìn)行自動(dòng)限功率控制，隨著溫度的下降后運(yùn)行功率逐步上升，上升到1800kW左右后達(dá)到熱平衡則維持該功率運(yùn)行。

二、優(yōu)化控制策略降低風(fēng)電機(jī)組塔架振動(dòng)

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組2012年歷史故障記錄分析發(fā)現(xiàn)，16#機(jī)組共發(fā)生機(jī)組塔架振動(dòng)等級(jí)2故障239次，該故障發(fā)生原因?yàn)樽冾l器轉(zhuǎn)矩控制不與主控進(jìn)行配合，同時(shí)原控制邏輯沒有考慮機(jī)組共振區(qū)，導(dǎo)致振動(dòng)故障頻發(fā)，目前變頻器轉(zhuǎn)矩受主控轉(zhuǎn)矩指令控制，同時(shí)設(shè)定機(jī)組共振區(qū)（300-1000轉(zhuǎn)），能夠使機(jī)組起機(jī)運(yùn)行時(shí)快速通過共振區(qū)，降低振動(dòng)等級(jí)2故障的發(fā)生頻次。

三、恒功率控制策略

改造系統(tǒng)采用的Double PID耦合控制算法，在并網(wǎng)前后的暫態(tài)過程以及轉(zhuǎn)速位于額定轉(zhuǎn)速附近的動(dòng)態(tài)過程中，相對(duì)于原系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩查表和變槳PID單獨(dú)作用的控制方式，耦合控制器可通過轉(zhuǎn)矩和槳距角的協(xié)調(diào)控制，明顯降低機(jī)組功率波動(dòng)。改造后系統(tǒng)在滿發(fā)狀態(tài)下瞬時(shí)功率采樣錄波曲線如圖3所示。

四、增加轉(zhuǎn)矩阻尼，降低傳動(dòng)鏈振動(dòng)

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中傳動(dòng)鏈的振動(dòng)對(duì)機(jī)組的壽命有嚴(yán)重的影響。傳動(dòng)鏈的振動(dòng)不僅體現(xiàn)在主軸、齒輪箱等機(jī)械應(yīng)力的波動(dòng)，而且其振動(dòng)頻率與塔筒的二階頻率相同，也會(huì)引起塔架的高頻振動(dòng)。

圖2 根據(jù)發(fā)電機(jī)定子溫度自動(dòng)限功率運(yùn)行曲線

圖3 現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)功率曲線

圖4 轉(zhuǎn)矩加阻尼算法框圖

采用轉(zhuǎn)矩阻尼控制可明顯減小傳動(dòng)鏈和塔架的振動(dòng)，降低疲勞載荷，同時(shí)減小變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)和葉片的載荷，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命。轉(zhuǎn)矩控制的算法框圖如圖4所示。

五、便利的有功功率調(diào)節(jié)功能

原有主控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控有功功率調(diào)度功能不方便，需要進(jìn)入每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)程界面進(jìn)行修改，恢復(fù)同樣需要進(jìn)入遠(yuǎn)程界面。改造系統(tǒng)在SCADA中開放了功率控制接口，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控界面，可以對(duì)單臺(tái)機(jī)組的有功輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，也可以通過批量控制功能，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所有的機(jī)組進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。圖 5為功率控制試驗(yàn)測(cè)試曲線：圖5上圖為實(shí)時(shí)功率曲線（綠色）和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線（橙色），進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的期間，轉(zhuǎn)速依然維持得很好。圖5中間的圖是給定轉(zhuǎn)矩，圖5中的下圖為實(shí)時(shí)風(fēng)速，風(fēng)速處于額定風(fēng)速以上。測(cè)試結(jié)束后功率控制功能取消，有功功率也很快恢復(fù)了。

六、增加了低電壓穿越功能

原主控系統(tǒng)不具備低電壓穿越功能。改造主控系統(tǒng)在程序中加入了判斷進(jìn)入低電壓穿越過程的條件及控制邏輯，配合具備低電壓穿越功能的變流器，可滿足國(guó)網(wǎng)公司提出的低電壓穿越要求，圖6為我國(guó)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越要求示意圖，黃色區(qū)域?yàn)榈碗妷捍┰竭^程中確保風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)的運(yùn)行區(qū)域。

七、完善的現(xiàn)地監(jiān)控人機(jī)界面

現(xiàn)地人機(jī)界面的主界面如圖 7所示，頂行顯示風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，右側(cè)為操作按鈕和機(jī)組關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊機(jī)組系統(tǒng)拓?fù)鋱D可觀察機(jī)組關(guān)鍵部件信息，底行是主目錄。采用分級(jí)登錄的方法限制操作權(quán)限，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

點(diǎn)擊主目錄中的“風(fēng)電機(jī)組查看”，界面如圖 8所示。通過此功能可觀察所有傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

點(diǎn)擊主目錄中的“日志查詢”，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行日志如同飛機(jī)的“黑匣子”，存儲(chǔ)機(jī)組運(yùn)行的重要信息，不僅有故障記錄，還有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作記錄。

點(diǎn)擊主目錄中的“維護(hù)”界面。左側(cè)為機(jī)組部件維護(hù)操作目錄。每個(gè)操作界面具有醒目的操作反饋，不僅界面上有防止誤操作的功能，PLC控制程序中也有此功能。

點(diǎn)擊主目錄中的“參數(shù)設(shè)置”，左側(cè)為參數(shù)分類目錄。調(diào)試人員可以輸入新的參數(shù)值，并點(diǎn)擊“確定”按鈕后可將新的參數(shù)值寫入PLC控制器 。

八、優(yōu)化的SCADA系統(tǒng)和報(bào)表功能

SCADA系統(tǒng)的主界面。菜單欄主要包括“實(shí)時(shí)監(jiān)控”“歷史信息”“統(tǒng)計(jì)分析”和“幫助”。

圖5 有功功率調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試曲線

圖6 低電壓穿越要求示意圖

圖7 人機(jī)界面主界面

圖8 風(fēng)電機(jī)組信息瀏覽

圖9是單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)控界面，包含實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)信息的顯示、設(shè)備狀態(tài)、溫度統(tǒng)計(jì)、當(dāng)前故障告警和遠(yuǎn)程操作功能。

風(fēng)電機(jī)組批量操作界面，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)、停止、復(fù)位、限功率等操作。

“歷史信息”可查看報(bào)警信息、風(fēng)速功率曲線、機(jī)組關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)和PLC記錄的SOE和故障錄播曲線。

“統(tǒng)計(jì)分析”包括：發(fā)電量統(tǒng)計(jì)、故障時(shí)間、限電時(shí)間、可利用率和故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)方式可以按日、月、年統(tǒng)計(jì)、自定義時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)。

九、添加現(xiàn)地故障復(fù)位硬件按鈕

原控制柜體未提供故障復(fù)位按鈕，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行五六年之后現(xiàn)地人機(jī)屏有可能出現(xiàn)異常，導(dǎo)致人機(jī)界面無法進(jìn)入，從而在現(xiàn)地?zé)o法復(fù)位故障，影響現(xiàn)地的故障處理。針對(duì)此問題，改造系統(tǒng)開發(fā)了啟動(dòng)按鈕的復(fù)用功能，設(shè)計(jì)了2秒內(nèi)連續(xù)兩次短時(shí)間動(dòng)作啟動(dòng)按鈕作為故障復(fù)位信號(hào)，持續(xù)超過5s動(dòng)作啟動(dòng)按鈕作為風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)信號(hào)的功能。用于滿足現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)顯示屏出現(xiàn)異常后復(fù)位風(fēng)電機(jī)組故障的需求。

控制系統(tǒng)改造后機(jī)組運(yùn)行情況分析

一、機(jī)組運(yùn)行情況

16#風(fēng)電機(jī)組的改造工作自2013年8月25日開始，9月2日完成靜態(tài)和空轉(zhuǎn)調(diào)試，完成第一次限功率并網(wǎng)，9月7日開始滿功率運(yùn)行，并進(jìn)行控制參數(shù)的觀察和調(diào)節(jié)。9月23日開始全天候的不限功率運(yùn)行。

二、風(fēng)速功率曲線比較

改造后的16#風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速功率曲線與標(biāo)桿機(jī)組18#的風(fēng)速功率曲線進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)圖10可以看出16#機(jī)組的風(fēng)速功率曲線要優(yōu)于18#。

控制系統(tǒng)改造后相比原系統(tǒng)的技術(shù)特色

新系統(tǒng)相比原Dewind主控系統(tǒng)有以下幾大優(yōu)勢(shì)：

1.新系統(tǒng)采用EtherCAT總線通訊方式，相比于原系統(tǒng)的Lightbus總線方式更加穩(wěn)定，傳輸速度更快，抗干擾能力更強(qiáng)。

2.新系統(tǒng)在參考原主控參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用了兩頭恒轉(zhuǎn)速控制，中間最佳葉尖速比追蹤的控制算法，相比于原系統(tǒng)的查表法拓寬了最佳葉尖速比控制的風(fēng)速范圍，提高了風(fēng)能吸收效率，實(shí)測(cè)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量比原系統(tǒng)有所提高。

圖9 單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控界面

圖10 改造后16#與18#風(fēng)速功率曲線對(duì)比

3.對(duì)機(jī)組的高頻故障進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化，降低了機(jī)組塔架振動(dòng)大和定子溫度高故障發(fā)生率，提高機(jī)組的可利用率。

4.新系統(tǒng)人機(jī)界面友好，圖形化、全中文、方便了風(fēng)電一線維護(hù)人員操作。

5.新系統(tǒng)采用通用PLC，穩(wěn)定性較原來的工控機(jī)更強(qiáng)，不易死機(jī)。新系統(tǒng)采用最新一代的5000系列，在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)國(guó)內(nèi)的供貨都能有效保證，且供應(yīng)商眾多，利于供應(yīng)鏈管理。

6.新系統(tǒng)核心控制硬件架構(gòu)先進(jìn)，關(guān)鍵性能好。BECKHOFF 5000系列PLC，CPU主頻1G，計(jì)算能力出色，使得今后進(jìn)行復(fù)雜算法擴(kuò)展成為可能。此外，該系列PLC低溫特性好，具備零下25℃無外界加熱自啟動(dòng)性能。

7.新系統(tǒng)具備低電壓穿越功能和有功無功調(diào)節(jié)接口，軟件接口開放，采用國(guó)際通用的OPC規(guī)范提供對(duì)外數(shù)據(jù)接口，方便數(shù)據(jù)上送和接入其他監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成利用。

8.新系統(tǒng)事件日志功能增強(qiáng)（SOE和故障錄波）。改造后的系統(tǒng)本地可顯示的歷史事件記錄數(shù)據(jù)將增加到1000條，并可根據(jù)需要進(jìn)行增減。同時(shí)系統(tǒng)提供故障前40秒，故障后10秒，50ms間隔的自動(dòng)錄波功能。

9.新的風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)更為先進(jìn)，操作簡(jiǎn)便，功能齊全，便捷靈活的統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能。原有DeWind主控的SCADA系統(tǒng)是基于Excel編程，無可視化界面，數(shù)據(jù)刷新慢，且無報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)組進(jìn)行了多項(xiàng)運(yùn)行測(cè)試和功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了機(jī)組的功率運(yùn)行曲線，完成了維護(hù)模式下的偏航、變槳校正，遠(yuǎn)程無功調(diào)度等功能性實(shí)驗(yàn)，機(jī)組軟硬件和可靠性得到了檢驗(yàn)，此外還具備原有系統(tǒng)所不具備的以下優(yōu)勢(shì)：

1.硬件設(shè)備性能先進(jìn)，低溫性能好，便于維護(hù)。其中主控PLC性能先進(jìn)，處理能力強(qiáng)，且不易死機(jī)，維護(hù)量小。人機(jī)顯示界面采用觸摸屏操作，全中文顯示，圖形化界面，人機(jī)交互友好。

2.遠(yuǎn)程監(jiān)控性能提升。在原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)通信采用國(guó)際通用的OPC規(guī)范，提供對(duì)外數(shù)據(jù)接口，方便數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程集控中心。

3.控制算法優(yōu)化升級(jí)。額定風(fēng)速以下的功率較原有機(jī)組有一定的提升，更貼近原系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率曲線，同時(shí)并網(wǎng)和額定風(fēng)速附近的轉(zhuǎn)速波動(dòng)降低。

4.程序邏輯功能升級(jí)，故障處理時(shí)間記錄功能增強(qiáng)。從風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的角度，根據(jù)實(shí)際需求，增加或修改了若干功能，提高了運(yùn)行可靠性和易維護(hù)性。

5.具備通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體有功功率控制的功能，接入遠(yuǎn)程AGC/AVC功率調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行功能集成。具備低電壓穿越功能，可滿足國(guó)內(nèi)最新的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)要求。

（作者單位：中廣核新能源控股有限公司內(nèi)蒙古分公司）

攝影：王志遠(yuǎn)