風力發(fā)電機一體化控制系統(tǒng)

楊軍亮

上海電氣輸配電集團 上海 200042

1 研究背景

能源供給已經(jīng)是一個全球性的問題,各個國家和地區(qū)都在尋求一種能夠可持續(xù)開發(fā)利用的綠色能源。由于資源的有限性,煤炭、石油、天然氣作為最初使用的能源,最終有用完的一天,并且其帶來的環(huán)境污染是不可逆的,所以綠色清潔能源是未來發(fā)展的趨勢[1]。風力發(fā)電作為一種綠色的清潔能源,它的可再生性、無限性及綠色環(huán)保性,都大大提高了這種能源的開發(fā)利用價值。作為風力發(fā)電機的核心部分,機電控制始終占據(jù)著重要的位置。近年來,使用PLC(可編程序控制器)作為主控制器在風力發(fā)電機控制方面已經(jīng)得到普遍應用,但大多采用的是分布式控制方式,變槳控制器和變流器都有自己獨立的CPU(中央處理器),風力發(fā)電機主控制系統(tǒng)也獨立于其它兩個系統(tǒng),由此需要進行大量的數(shù)據(jù)交換,造成系統(tǒng)的實時性較低。而采用一體化控制系統(tǒng)能夠大大提高CPU的使用效率,同時減少了數(shù)據(jù)交換,使風力發(fā)電機控制的實時性和可靠性得到進一步的優(yōu)化[2-3]。

2 風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

風力發(fā)電從上世紀八九十年代開始起步,經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展,風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)已由初期的進口到現(xiàn)在的普遍國產(chǎn)化,最初使用的集中化控制系統(tǒng)經(jīng)過一段時期風場的實際運行后,發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)放在機艙內給維護帶來很大的不便,維護效率低,嚴重影響風力發(fā)電機的使用效率。光纖通信產(chǎn)生后,使控制系統(tǒng)能夠在塔底運行,各個子系統(tǒng)獨立控制,采用通信的方式,共享數(shù)據(jù)。例如輪轂有自己獨立的CPU,在主控制系統(tǒng)CPU出現(xiàn)異常時,能夠獨立控制其安全收槳,變流器也同樣采用獨立控制。該系統(tǒng)的優(yōu)點是維護便利,有利于提高風力發(fā)電機的可利用率。但是,由于數(shù)據(jù)通信共享,對系統(tǒng)通信部分要求比較高,因此軟件處理的難度相對比較大。

一體化控制系統(tǒng)方案是針對現(xiàn)階段獨立控制系統(tǒng)的進一步優(yōu)化和改進,新的一體化控制系統(tǒng)首先經(jīng)歷的是樣機運行考驗,在樣機運行過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題,不斷進行優(yōu)化改進,使其穩(wěn)定無故障連續(xù)運行。在保證樣機運行正常的目標下,逐漸開始在風場批量運行推廣[4-5]。

3 一體化控制系統(tǒng)簡介

風力發(fā)電機一體化控制系統(tǒng)流程如圖1所示,風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的核心為PLC。主控制系統(tǒng)CPU通過Powerlink(開源實時通信)的通信方式與塔底I/O(輸入/輸出)模塊通信,并且通過光纖的方式實現(xiàn)與機艙的通信。連接與機艙通信之后采用CANopen(控制局域網(wǎng)路)的通信方式與變槳系統(tǒng)進行通信。由于主控制系統(tǒng)CPU上本身包含RS232接口,其可實現(xiàn)與變流器的通信。主控制系統(tǒng)CPU將采集到的數(shù)據(jù)以及相關參數(shù)、故障碼通過以太網(wǎng)(Ethernet)的通信方式傳遞給觸摸屏進行顯示。變槳數(shù)據(jù)及變流器系統(tǒng)將控制程序整合至PLC,實現(xiàn)完全集中控制[6]。

圖1 一體化控制系統(tǒng)流程

一體化控制系統(tǒng)的提出主要針對現(xiàn)有控制方案上的一些不足之處,現(xiàn)有方案主要體現(xiàn)在變槳控制器和變流器均有自己的CPU,要建立CPU之間的通信,主控制系統(tǒng)CPU就需要分配一定的資源去處理與各控制器的通信。并且由于主控制系統(tǒng)和變槳控制器所采用的控制循環(huán)時間不同,反映在變槳控制器的位置跟隨性上就有一定的誤差。同樣在與變流器通信延時上可能會導致風力發(fā)電機的發(fā)電量不能達到最優(yōu)狀態(tài)。綜合以上的一些問題,筆者提出了風力發(fā)電機的一體化控制方案。該方案能實現(xiàn)在無故障情況下,自動啟動、自動對風、自動調速、自動并網(wǎng)發(fā)電。在故障狀態(tài)下,可以根據(jù)故障的嚴重等級執(zhí)行不同等級的停機操作,保證風力發(fā)電機的安全性。

一體化控制系統(tǒng)的主要特點如下:

(1)將主控制系統(tǒng)、變槳控制器、變流器的控制功能整合,使風力發(fā)電機運行更加協(xié)調如一;

(2)更好的實時性,帶來更優(yōu)秀的動態(tài)性能;

(3)更高的可靠性;

(4)更方便的可維護性;

(5)更完善的錄波機制,記錄一體化控制系統(tǒng)各部件的實時狀態(tài),以供故障預警與分析。

4 硬件及軟件設計

4.1 硬件設計

風力發(fā)電機一體化控制概念的提出,主要考慮硬件和軟件的設計。在硬件設計方面,主控制系統(tǒng)采用貝加萊X20系列的控制器、I/O模塊和通信模塊,機艙與輪轂考慮采用貝加萊控制系統(tǒng)的Powerlink通信方式,通過樣機試驗,采用Powerlink通信方式對硬件及對所采用的電纜有比較高的要求。在實際操作中,電纜要經(jīng)過輪轂、中心軸、滑環(huán)等一系列設備,其抗干擾能力沒有得到實際的驗證,為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性,最終采用了工業(yè)中比較常用的通信方式CANopen。CANopen是一種架構在控制局域網(wǎng)路上的高層通信協(xié)定,包括通信子協(xié)定及設備子協(xié)定,常在嵌入式系統(tǒng)中使用,也是工業(yè)控制常用到的一種現(xiàn)場總線,其特點是通信穩(wěn)定,抗干擾能力強,符合風力發(fā)電機所運行的環(huán)境。貝加萊公司生產(chǎn)的專門用于CANopen通信的IF1041-1模塊,已經(jīng)在其它工業(yè)控制行業(yè)使用,具有較好的穩(wěn)定性。

在與變流器通信方式的選擇上,由于變流器在設計時已經(jīng)集成了RS232通信接口,主控制系統(tǒng)采用的CPU也集成了RS232的接口,因此主控制系統(tǒng)和變流器之間采用串口通信,而與觸摸屏之間依然采用以太網(wǎng)的方式進行通信。

變槳控制器和變流器均取消自身系統(tǒng)的CPU,所有的硬件設備通過通信模塊建立了連接,輪轂通過CANopen將數(shù)據(jù)傳輸給機艙通信模塊,機艙通信模塊再通過光纖將輪轂及機艙I/O信號數(shù)據(jù)傳輸給塔底通信模塊,塔底通信模塊再將數(shù)據(jù)傳輸給主控制系統(tǒng)CPU。反之,主控制系統(tǒng)CPU將數(shù)據(jù)傳給輪轂完成數(shù)據(jù)交互,這樣也就完成了控制的動作[7-8]。

4.2 軟件設計

風力發(fā)電機一體化控制方案最主要的是軟件方面作出了很大的提升,圖2所示為控制系統(tǒng)設計示意圖,圍繞主控制系統(tǒng),分別從一體化解決方案、獨立安全控制器、完善的故障診斷、先進的SCADA(監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)、傳動鏈載荷優(yōu)化、冗余控制技術、優(yōu)化的功率控制等幾方面進行設計[9-10]。

圖2 控制系統(tǒng)設計示意圖

風力發(fā)電機一體化控制方案其優(yōu)勢在于所有的控制核心包括變槳控制器、變流器均集成在主控制系統(tǒng)CPU中,這樣有利于數(shù)據(jù)的積累。對于故障分析、功率控制等都有了大量數(shù)據(jù)的基礎,通過對變槳控制器、變流器、主控制系統(tǒng)控制算法的優(yōu)化,從而提高風力發(fā)電機的可利用率以及發(fā)電量。在故障診斷方面,故障診斷的準確性直接決定風力發(fā)電機維護時間以及成本。變槳控制器和變流器將其內部故障全部移植到主控制系統(tǒng)中,主控制系統(tǒng)能夠第一時間得到變槳控制器和變流器的故障信息,并且這些故障信息直接與主控制系統(tǒng)故障代碼連接,省去了主控制系統(tǒng)與變槳控制器、變流器之間故障傳輸判斷的環(huán)節(jié),大大提高了故障診斷的速度及準確度。功率控制優(yōu)化主要是與變流器的轉矩交互,以及控制變槳控制器的響應速度,提高變槳控制器的實時響應速度對于優(yōu)化功率曲線是相對重要的一個環(huán)節(jié)。采用一體化控制系統(tǒng)后,主控制系統(tǒng)直接給變槳驅動器發(fā)指令進行動作,省去了中間還要經(jīng)過變槳控制器的環(huán)節(jié),這樣變槳控制器實時響應就會有保證,從而提高風力發(fā)電機功率曲線質量。

風力發(fā)電機的安全系統(tǒng)是最重要的一部分,所以采用了獨立的安全控制器來控制風力發(fā)電機整個安全環(huán)節(jié)。安全控制器采用硬件接線的方式將風力發(fā)電機一些重要的信號進行串聯(lián),如果某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,安全控制器的CPU監(jiān)測到之后就會立即斷開安全鏈,第一時間保證風力發(fā)電機的安全。

SCADA系統(tǒng)作為遠程監(jiān)控系統(tǒng),實時監(jiān)控著整個風場的運行情況,對整個風場的風力發(fā)電機狀態(tài)要求全面掌握,這樣才能很好調控風場運行。SCADA系統(tǒng)將風場所有風力發(fā)電機的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等全部接收至服務器中進行儲存。對于單個風力發(fā)電機來說,主控系統(tǒng)就是數(shù)據(jù)中心,對于整個風場來說SCADA系統(tǒng)就是數(shù)據(jù)中心,有了這么大量的數(shù)據(jù),就可以從中分析出風力發(fā)電機的運行狀態(tài),對可能發(fā)生的故障做一個預判,第一時間掌握風力發(fā)電機的狀態(tài)是否正常。SCADA系統(tǒng)還有一個重要作用就是對風場功率的調節(jié),有助于風力發(fā)電適應電網(wǎng)的需求。

傳動鏈載荷優(yōu)化主要解決風力發(fā)電機在達到額定轉速之前的過渡階段所產(chǎn)生的波動。由于在過渡階段風力發(fā)電機的功率以及轉速上升較快,會產(chǎn)生一些轉速波動的現(xiàn)象,從而引起功率波動。通過對傳動鏈載荷進行優(yōu)化,再對風力發(fā)電機出現(xiàn)波動的轉速點進行濾波處理,達到平穩(wěn)過渡,該功能已經(jīng)在風場進行實際的使用,得到了很好的效果[11]。

5 結束語

綜上所述,風力發(fā)電機一體化控制系統(tǒng)方案從硬件設計到軟件設計,從樣機到風場批量運行,都體現(xiàn)出了其預期的效果。現(xiàn)在該機型已經(jīng)在貴州、云南、山西、黑龍江、湖北等20多個風電場使用。從目前運行效果來看,無論是從可利用率、還是從發(fā)電量和功率曲線上都表現(xiàn)出其突出的特點,風場業(yè)主對該系統(tǒng)相當認可,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也在風場的實際運行中得到驗證,也充分說明了該一體化控制系統(tǒng)的實用價值。