兆瓦級風電變流器控制系統的設計

楊軍亮 李 春 毛瓊一

上海電氣輸配電集團技術中心 上海 200042

1 設計背景

隨著新能源技術的不斷提高,新能源利用效率越來越高,控制系統越來越智能化。在過去的30多年中,風力發電裝機容量持續增長,風力發電機額定容量由50 kW提高至7.5 MW。基于風電變流器控制系統發展現狀,陸地兆瓦級風電變流器主要采用印制電路板控制器,這一控制系統響應速度快、成本低,能夠滿足陸地風力發電機的控制需求。但是,印制電路板控制器需要從底層硬件開始設計,開發難度大、周期長。海上環境較為惡劣,若將印制電路板控制器應用于海上兆瓦級風電變流器,則印制電路板的底層元器件會成為不穩定因素。海上風電變流器控制系統穩定性和安全性的要求高于陸上風電變流器控制系統,加之海上風力發電機維護成本較高,應盡量減少出海次數,控制系統設計為冗余系統。筆者采用可編程序控制器設計兆瓦級風電變流器控制系統。可編程序控制器適應環境能力強,具有較高的可靠性,自有的通信協議既可以滿足變流器控制的實時性要求,又能夠方便快捷地實現冗余功能。另外,可編程序控制器系統可擴展性強,能快速適應不同機型配置。

2 控制系統概況

筆者設計的兆瓦級風電變流器控制系統采用倍福CX2030系列可編程序控制器,配置數字量輸入輸出模塊和模擬量輸入模塊。可編程序控制器與數據采集板之間采用以太網控制自動化技術通信,具備數據處理、邏輯判斷、故障診斷、歷史數據記錄等功能。可編程序控制器與主控可采用過程現場總線或控制器局域網通信方式。可編程序控制器通過以太網口與人機界面連接,進行數據交互。可編程序控制器接收數據采集板上傳的電網側和電機側電壓、電流、溫度等信息,通過內部控制算法下發脈沖寬度調制波形對絕緣柵雙極晶體管進行控制,從而達到控制風電變流器的目的。

3 硬件設計

兆瓦級風電變流器控制系統硬件模塊如圖1所示。CX2030系列可編程序控制器使用1.5 GHz雙核中央處理器,標準隨機存取存儲器內存為2 GByte,具有兩個獨立的以太網接口、四個通用串行總線接口、一個數字視頻接口,豐富的接口和強大的內核完全能夠滿足風電變流器的控制要求。采用以太網控制自動化技術通信,大大提高了控制系統的實時性和可靠性。以太網控制自動化技術具有性能優異、拓撲結構靈活、組態簡單等特點。當資料幀通過以太網控制自動化技術通信節點時,節點會復制資料,再傳送至下一個節點,同時識別對應此節點的資料,進行處理。若節點需要送出資料,則會在傳送至下一個節點的資料中插入要送出的資料。每個節點接收及傳送資料的時間短于1μs,一般而言,只用一個幀就可以實現所有網絡上的節點傳送及接收資料。采用以太網和互連網技術后,以太網控制自動化技術通信可以在30μs內處理1 000個分布式輸入輸出口信息,能夠實現最佳縱向集成。

圖1 兆瓦級風電變流器控制系統硬件模塊

兆瓦級風電變流器控制系統硬件框圖如圖2所示,采用雙數據采集板模式,每個數據采集板對應實現1.5 MW功率控制。數據采集板對網側功率單元驅動、機側功率單元驅動、斬波單元驅動、電網電壓、電網電流、電容電流、直流母線電壓、機側電壓、機側電流、斬波電流、絕緣柵雙極晶體管溫度等模擬量和數字量數據進行采集處理,然后將模擬量和數字量數據上傳至可編程序控制器。可編程序控制器通過輸入輸出口控制各預充電斷路器分合閘,進行風電變流器預充電操作。所有條件具備后,可編程序控制器通過數據采集板下發脈沖寬度調制波,控制絕緣柵雙極晶體管。

圖2 兆瓦級風電變流器控制系統硬件框圖

4 軟件設計

兆瓦級風電變流器控制系統軟件功能包括主流程控制、脈沖寬度調制輸出、數據采集與處理、故障判斷與記錄、輸入輸出控制、人機界面等。

4.1 主流程控制

主流程控制包括自動運行模式、手動運行模式、調試模式、仿真模式。

(1) 自動運行模式。采用自動運行模式,風電變流器完全自主控制運行,從啟動到預充電再到并網。風電變流器接收到主控的轉矩或功率指令后,控制風電變流器有功和無功輸出。

(2) 手動運行模式。風電變流器在車間或者剛裝機調試時,采用手動運行模式進行控制,此時可以通過軟件或人機界面按鈕直接對斷路器進行分合閘操作,對絕緣柵雙極晶體管進行控制。采用手動運行模式進行并網操作的步驟為:① 開啟手動運行模式;② 復位;③ 等待系統進入后備模式;④ 合斷路器,預充電;⑤ 整流;⑥ 逆變。

(3) 調試模式。調試模式一般應用于出廠檢測,通過按鈕和人機界面操作對風電變流器內部線路及輸入輸出反饋進行測試,確保風電變流器在出廠時線路不存在問題,保證風電變流器產品的合格率。

4.2 數據采集與處理

輸入輸出模塊及模擬量采集模塊采集數據之后,通過外部總線上傳至可編程序控制器。數據采集板實時采集電網電壓、電網電流、絕緣柵雙極晶體管溫度等信息,通過以太網控制自動化技術通信上傳至可編程序控制器。可編程序控制器根據相關參數進行計算,在網側進行直流母線電壓控制,并對機側母線電壓進行控制。數據處理指對所采集的數據進行濾波、平均等計算,用于控制和故障診斷。

4.3 故障判斷與記錄

數據采集板在采集數據的同時,對各個采集點的通信和反饋點進行檢測,包括風扇、斷路器、接觸器等的狀態信息。數據采集板還可以設定最大最小限值,對電壓、電流、溫度等模擬量信息進行監控。當超出限值時,對應的故障上傳給至可編程序控制器,可編程序控制器使用故障處理模塊將故障記錄并顯示在人機界面上。故障發生時,激活故障記錄標志位,記錄故障前和故障后10 s的數據,并生成緩沖文件,用于分析故障和查找問題。

4.4 輸入輸出控制

對可編程序控制器的輸入輸出點進行控制,其中,數字量輸入包括網側斷路器分合閘、預充電接觸器反饋、放電接觸器反饋、網側斷路器故障、主控急停、不間斷電源報警、不間斷電源電池模式、不間斷電源電池放電、開關電源保護開關故障、供電開關故障、機側避雷保護故障、網側電抗器風扇接觸器反饋、直流電容器風扇接觸器反饋、機側電抗器風扇接觸器反饋、控制柜風扇接觸器反饋、熔斷器故障反饋、變壓器一次側保護開關故障、變壓器二次側開關故障、電抗器風扇保護開關故障、電容器風扇保護開關故障、控制柜風扇保護開關故障、加熱器保護開關故障、電壓測量開關故障、預充電開關故障,數字量輸出包括網側斷路器分合閘、預充電、直流電壓放電、網側電抗器風扇、直流電容器風扇、機側電抗器、控制柜風扇,模擬量輸入包括直流電容器環境溫度、濾波電容器環境溫度、控制柜環境溫度、冷卻水溫度、冷卻水流量。數字量輸入模塊和模擬量輸入模塊將數據通過外部總線上傳至可編程序控制器,可編程序控制器再通過外部總線將指令下發。

4.5 人機界面

人機界面作為終端顯示設備,直觀反映風電變流器的各種狀態。人機界面如圖3所示。在人機界面配置窗口,可以配置所有需要用到的組件,包括用戶管理、數據類型、變量映射、多語言等。通過人機界面中的開關鍵,可以啟動機側電抗器冷卻風扇、網側電抗器冷卻風扇等。通過人機界面中的按鈕,可以控制網側斷路器、預充電斷路器等。人機界面程序與可編程序控制器程序在同一個控制工程中,人機界面軟件可以直接查找并連接可編程序控制器程序中的變量,極大便利了人機界面的開發,省略了可編程序控制器與人機界面之間的通信環節,提高了人機界面的數據刷新頻率。

圖3 人機界面

5 結束語

海上風力發電機對周圍環境影響小,對風能利用率較高,對風電變流器控制系統的要求也較高。對此,筆者基于可編程序控制器設計了兆瓦級風電變流器控制系統,主要應用于海上風力發電機,具有較高的穩定性和可靠性。