貝加萊風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)
1、蓬勃發(fā)展的風(fēng)電技術(shù)
風(fēng)力發(fā)電正在中國蓬勃發(fā)展，即使在金融危機的大形勢下，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)仍然不斷的加大投資。在2008年，風(fēng)力發(fā)電仍然保持著30％以上的強勁增長勢頭，包括Vestas、Gemsa、GE、國內(nèi)的金風(fēng)科技、華銳、運達工程等其訂單交付已經(jīng)到2011年后。
國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)起步較晚，目前的控制系統(tǒng)均是由歐洲專用控制方案提供商提供的專用系統(tǒng)，價格高昂且交貨周期較長。開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)必須要提上日程，一方面，由于缺乏差異化而使得未來競爭中的透明度過高，而造成陷入激烈的價格競爭，另一方面，尋找合適的平臺開發(fā)自主的風(fēng)電控制系統(tǒng)將使得制造商在未來激烈競爭中獲得先手。
然而，風(fēng)電控制系統(tǒng)必須滿足風(fēng)電行業(yè)特殊的需求和苛刻的指標要求，這一切都對風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)平臺提出了要求，而B&R的控制系統(tǒng)，在軟硬件上均提供了適應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)需求的設(shè)計，在本文我們將介紹因何這些控制器能夠滿足風(fēng)力發(fā)電的苛刻要求。
2、風(fēng)力發(fā)電對控制系統(tǒng)的需求
2.1高級語言編程能力
由于功率控制涉及到風(fēng)速變化、最佳葉尖速比的獲取、機組輸出功率、相位和功率因素，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速等諸多因素的影響，因此，它包含了復(fù)雜的控制算法設(shè)計需求，而這些，對于控制器的高級語言編程能力有較高的要求，而B&R PCC產(chǎn)品提供了高級語言編程能力，不僅僅是這些，還包括了以下一些關(guān)鍵技術(shù)：
2.1.1復(fù)雜控制算法設(shè)計能力
傳統(tǒng)的機器控制多為順序邏輯控制，而隨著傳感器技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜控制將越來越多的應(yīng)用于機器，而機器控制本身即是融合了邏輯、運動、傳感器、高速計數(shù)、安全、液壓等一系列復(fù)雜控制的應(yīng)用，PCC的設(shè)計者們很早就注意到這個發(fā)展方向而設(shè)計了PCC產(chǎn)品來滿足這一未來的需求。
為了滿足這種需求，PCC設(shè)計為基于Automation Runtime的實時操作系統(tǒng)(OS)上，支持高級語言編程，對于風(fēng)力發(fā)電而言，變槳、主控邏輯、功率控制單元等的算法非常復(fù)雜，這需要一個強大的控制器來實現(xiàn)對其高效的程序設(shè)計，并且，代碼安全必須事先考慮，以維護在研發(fā)領(lǐng)域的投資安全。
2.1.2功能塊調(diào)用
PCC支持PLCopen Motion、PLCopen Safety和PLCopenHydraulic庫的調(diào)用，這對于風(fēng)電這一集合了變槳運動控制、安全邏輯設(shè)計、液壓控制的綜合系統(tǒng)來說是再好不過的選擇.變槳控制將考慮多個伺服的定位和同步關(guān)系，而safety為機組提供了多種安全回路設(shè)計以保護機組的安全可靠運行，液壓控制被極其容易的集成到系統(tǒng)中而無需購置專用的液壓控制模塊。同時，PCC支持用戶自定義庫的封裝設(shè)計，用戶可以將其自身的核心算法封裝為功能塊來調(diào)用，這使得一方面代碼的安全性得到了很好的保證，而另一方面，它也提供了針對不同機組的系統(tǒng)調(diào)用，大大簡化了軟件的重構(gòu)，支持快速開發(fā)。
2.1.3All In One的設(shè)計理念- Automation Studio™
Automation Studio™設(shè)計初衷是建立在一種放眼整機控制而不是局部（只關(guān)心驅(qū)動或者邏輯，獨立組件），30年的豐富OEM控制設(shè)計使得B&R深刻理解“整體”的意義，因此，其軟件包設(shè)計為面向整個機器的各個對象（邏輯、運動、測量、通信、顯示）和過程（配置、項目規(guī)劃與管理、診斷、調(diào)試、維護）。
對于B&R Automation Studio而言，控制器的設(shè)計、變槳伺服、液壓控制、Safety技術(shù)、通信均在一個”All In One”的工具包Automation Stduio中實現(xiàn)，對于風(fēng)力發(fā)電這樣的綜合多種控制需求的系統(tǒng)而言，Automation Studio提供了一個完整的工程設(shè)計與應(yīng)用的平臺，它使得代碼生成、仿真分析、遠程診斷與維護集成為一體，難道還有什么需要不能滿足嗎？
拋開技術(shù)的因素，對于用戶而言，一套軟件即可實現(xiàn)所有的應(yīng)用需求，這降低工程師的學(xué)習(xí)成本，也作為一個平臺，為用戶提供了長期持續(xù)創(chuàng)新的軟件平臺基礎(chǔ)。
3、Matlab/Simulink自動風(fēng)力發(fā)電控制器代碼生成
這是一個令人振奮的設(shè)計-Matlab/SIMULINK被集成到Automation Studio中，提供了一種將MATLAB這一廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計和仿真分析的工具。
2008年開始，B&R與Mathworks建立了深度的合作關(guān)系，采用MATLAB/SIMULINK工具，提供針對電力行業(yè)的模型構(gòu)建、仿真分析與代碼生成設(shè)計。
3.1基于建模的系統(tǒng)設(shè)計
控制系統(tǒng)設(shè)計是基于數(shù)學(xué)建模的，這是所有工程應(yīng)用的目標和基礎(chǔ)理論，而Matlab正是提供了建模設(shè)計架構(gòu)上的系統(tǒng)仿真和分析。
通過SIMULINK，建立模型就如同裝配物理系統(tǒng)本身一樣，模型中的組件就像實際的物理線路連接一樣方便，這些物理連接代表理想的傳導(dǎo)路徑，通過這個方法，可描述系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，而無需推導(dǎo)和實現(xiàn)用于系統(tǒng)的方程，模型與原理圖非常相似，從模型中，SIMULINK可自動構(gòu)造描述系統(tǒng)運行的微分代數(shù)方程，這些方程可與其它方程集成在一起。例如你可以定義線性和飽和變壓器、避雷器和斷路器以及輸電線路的模型，勵磁、液壓和風(fēng)力渦輪機組，以及電力電子單元的GTO、IGBT模型，對于控制和測量單元的電壓、電流、阻抗測量，RMS測量，有功和無功功率的計算，以及abc-to dq0及dq0到abc的轉(zhuǎn)換，三相單元的RPL負載、同步或異步發(fā)電機，電動機分析和測量工具均可以被組件形式建立模型，并通過SIMULINK來連接。
3.2 SIMULINK的電力應(yīng)用分析能力
SIMULINK里包含了柔性輸電系統(tǒng)向量模型、風(fēng)力渦輪的向量模型、電機的直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場定向控制模型等。SIMULINK為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提供了三種解決方案，以及一種理想的切換算法，可通過高頻切換提升系統(tǒng)的仿真性能。在 Simulink中使用變步積分算法來執(zhí)行高度精確的電力系統(tǒng)模型仿真。其中一些積分算法可處理在實際電力系統(tǒng)建模中常遇到的數(shù)值剛性系統(tǒng)。
SIMULINK提供的零點穿越檢測功能，能以十分精確的機器精度檢測并求解不連續(xù)過程。離散仿真采用固定步長梯形積分法來仿真系統(tǒng)，特別適合帶電力電子設(shè)備的電力系統(tǒng)模型。該模式還有助于實現(xiàn)模型的實時執(zhí)行。向量仿真則采用一組固定頻率代數(shù)。
3.3 代碼自動生成
通過MATLAB/Simulink，系統(tǒng)建模的控制器代碼可以被生成，并經(jīng)過優(yōu)化成為真正可用的程序，而這些強大的功能也被集成到了Automation Studio中，對于開發(fā)風(fēng)電控制系統(tǒng)而言，這無疑是一種非常好的選擇。
四、基于B&R系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電解決方案
B&R風(fēng)力發(fā)電控制包含了軟硬件方案，也包括上述所提及的仿真分析在內(nèi)，應(yīng)用于變槳、功率控制與電網(wǎng)檢測和遠程維護等。
4.1.變槳控制方案Pitch Control
變槳控制是在ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器和X20CPU的設(shè)計上的，可以快速實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的變槳控制(Pitch Control),通過光纖接口的實時通信技術(shù)Ethernet POWERLINK，可以將三個槳葉的伺服參數(shù)進行高速同步通信。
4.1.1SPT（Smart Process Technology）提供了快速的調(diào)槳過程。
智能過程技術(shù)是作為ACOPOSmulti內(nèi)置的功能塊運行的，它提供了一種智能化的位置控制方案，可以根據(jù)給定外界參數(shù)而快速的尋找最佳的路徑來獲得對槳葉的快速調(diào)整，滿足在最大葉尖速比的獲取，以及在安全邏輯下的快速復(fù)位保護槳葉。
4.1.2伺服直接控制
即使在控制器失效的情況下，變槳系統(tǒng)也能安全的對槳葉進行控制，這得益于ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器內(nèi)置的SPT設(shè)計，驅(qū)動器滿足了極端情況下的控制需求。
4.1.3直流供電設(shè)計
ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器為公共直流母線設(shè)計（Common DC-Bus Technology），可以通過直流母線來進行能量的均衡分配，而特別指出的是：通過與知名的電池制造商的合作，ACOPOSmulti伺服驅(qū)動器內(nèi)提供一個備用電池的方案，這一方案對于電網(wǎng)沒有交流供電時槳葉的安全保護控制和啟動狀態(tài)下的位置調(diào)整至關(guān)重要，或者這是極富競爭力的設(shè)計之一。
4.2.風(fēng)力發(fā)電專家模塊
4.2.1 X20CM0985-電網(wǎng)檢測和并網(wǎng)同步
對于風(fēng)力發(fā)電，專用的三相電網(wǎng)檢測和并網(wǎng)同步模塊X20CM0985無疑是極富競爭力的專家模塊設(shè)計，它具有以下功能設(shè)計：
4.2.1.1測量
4.2.1.1.1常規(guī)測量功能：作為一般的電力測量模塊使用，可多路測量線電壓、相電壓、頻率。
4.2.1.1.2發(fā)電機側(cè)測量：并網(wǎng)模式時用來測量發(fā)電機側(cè)各項參數(shù)
● 相電流
● 電流均值
● 動態(tài)電流均值
● 中性線電流
● 線電壓
● 相電壓
● 視在功率
● 有功功率
● 無功功率
● 頻率
4.2.1.1.3同步主網(wǎng)監(jiān)測：發(fā)電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)同步端口參數(shù)測量相角差、電壓差。
■ 熱過流監(jiān)測
■ 不平衡負載監(jiān)測
■ 短路電流監(jiān)測
■ 電壓不平衡監(jiān)測
■ 勵磁監(jiān)測
4.2.1.2同步并網(wǎng)功能
該模塊最大的特點是具有同步并網(wǎng)功能，兩路同步主網(wǎng)端口可同時監(jiān)測網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機側(cè)的電壓、相位、頻率等參數(shù)。模塊內(nèi)部可比較判斷同步條件是否具備，當網(wǎng)側(cè)和機側(cè)的電壓幅值、相位差、頻率差滿足一定條件時，激活并網(wǎng)功能，輸出脈沖信號觸發(fā)并網(wǎng)開關(guān)，使發(fā)電機回路輸出電能饋送到電網(wǎng)上。
4.2.1.3應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖
在電路圖中可以看出，該模塊可以直接測量發(fā)電機定子和網(wǎng)側(cè)三相電壓，利用電流互感器改變發(fā)電機定子電流變比后接入模塊來測量發(fā)電機定子電流。另外，兩路同步主網(wǎng)端(Synchronization mains network 1和Synchronization mains network 2)監(jiān)測網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機側(cè)對應(yīng)線路中電壓、相位和頻率值。如果同步條件滿足則數(shù)字量端口DO4發(fā)出并網(wǎng)脈沖使主回路上開關(guān)合閘，電能饋送電網(wǎng)。
數(shù)字量端口DO1作為輸出繼電器使用，含一個開點和一個閉點。運行中模塊會監(jiān)測發(fā)電機相
關(guān)狀態(tài)，當出現(xiàn)如過壓、欠壓、超頻、欠頻、過流、短路、電壓電流不平衡和勵磁失效等狀態(tài)時，DO1會輸出高電平信號驅(qū)動外部電路動作。
數(shù)字量端口DO2可輸出脈沖信號供外部電能計量用。
數(shù)字量端口DO3作為電網(wǎng)電流電壓監(jiān)測輸出信號，當模塊檢測到電網(wǎng)電流或電壓低于參考值時DO3輸出高電平信號。
數(shù)字量端口DO5和DO6無特殊功能，可作為一般輸出點來使用。
4.2.1.4工作模式
■ 滑動窗口同步模式
■ 同步狀態(tài)監(jiān)測模式
■ 低電壓非同步模式
在B&R集成開發(fā)環(huán)境Automation Studio中可對模塊功能及參數(shù)進行一些設(shè)置，如工作模式、同步端口選擇、同步窗口參數(shù)、電流電壓放大倍數(shù)、狀態(tài)監(jiān)測等等
4.2.2其它I/O模塊簡要描述
除了專用的X20CM0985，B&R還提供：
4.2.2.1帶有示波器功能的AI/AO模塊：對于監(jiān)控風(fēng)電參數(shù)，并提供示波器顯示分析能力。
4.2.2.2光纖中繼器模塊：X20BH模塊用于遠程的設(shè)備通信可以使得遠程站擴展到2km以上.
4.2.2.3PWM輸出模塊：用于針對逆變器的控制等專用模塊。
4.2.2.4IP67等級模塊：除了針對機柜內(nèi)的控制系統(tǒng)，IP67等級模塊也適用于風(fēng)力發(fā)電野外應(yīng)用的靈活配置和現(xiàn)場接線能力，上述的AI/AO均有IP67防護等級產(chǎn)品，支持M12的連接。
這些，都是B&R可以應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的特殊設(shè)計模塊。
4.3風(fēng)電安全回路設(shè)計
4.3.1 B&R Safety技術(shù)
B&R safety技術(shù)是目前運行最高效率的安全系統(tǒng)，并且有完整的產(chǎn)品線如Safetylogic 、Safety I/O,Safety Motion、Powerlink Safety,滿足SIL 3級別的設(shè)計，安全邏輯的掃描周期為1ms，是目前刷新最快的Safety Logic產(chǎn)品，B&R SafetyLogic是基于POWERLINK實時通信技術(shù)而設(shè)計的，通過將系統(tǒng)中關(guān)鍵的邏輯如強風(fēng)、惡劣天氣，機組的狀態(tài)變化如葉輪過速、扭纜、電源失效、制動和操作人員的緊急按鈕動作等通過黃色的X20 Safety I/O輸入到系統(tǒng)中，而Safetylogic控制器作為一個POWERLINK Controlled Node來運行，只有在Safety邏輯對應(yīng)的I/O動作時才引發(fā)一個安全邏輯的執(zhí)行過程（這些過程依據(jù)引發(fā)安全的源而設(shè)計為不同），Safetylogic是獨立于標準控制單元的，
4.3.2風(fēng)力發(fā)電安全邏輯設(shè)計
通常，有多個安全系統(tǒng)過程可用，每一個安全系統(tǒng)過程制定激活哪一個安全回路，有多個傳感器開關(guān)：葉輪轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速、掉電后電機功率、機艙振動，制定不同安全傳感器的的級別和不同安全邏輯生效下的不通設(shè)備失效動作的時間延遲，Safetylogic系統(tǒng)將引導(dǎo)緊急停機，例如失效下安全的變槳動作、電機切出、應(yīng)用軸剎車以及斷開偏航驅(qū)動、機組脫網(wǎng)動作，最大限度的保證機組的安全，并且這些安全相關(guān)的數(shù)據(jù)將被存儲到緊急停車過程中，后備電源將納入安全邏輯中來以便為停機過程提供控制器電源保障。
B&R Automation Studio工具包支持PLCopen的Safety庫應(yīng)用，支持20種開放的PLCopenSafety功能塊，對于風(fēng)力發(fā)電這樣牽扯到嚴格的機組安全的應(yīng)用而言，它不僅高效、完整的并且開放，易于構(gòu)建安全邏輯。
即使對于惡劣的環(huán)境，B&R也有IP67等級的Safety模塊可供使用。
4.4. PLCopen Hydraulic庫支持液壓控制
在風(fēng)力發(fā)電中，液壓變槳方案由于其輸出功率大等特點而被大量應(yīng)用，而剎車制動、偏航系統(tǒng)的液壓也采用了液壓系統(tǒng)來進行。
通過在齒輪箱輸出端與發(fā)電機之間安裝液壓系統(tǒng)、限壓系統(tǒng)、壓力補償、恒流恒速以及制動系統(tǒng)，在槳葉轉(zhuǎn)數(shù)隨風(fēng)速變化時，不會導(dǎo)致發(fā)電機組的輸出電壓和頻率的不穩(wěn)定，有利于并網(wǎng)運行。
目前750kW機組通常采用葉尖剎車系統(tǒng)和高速軸機械閥剎車系統(tǒng)，采用失效-安全保護模式來運行。
B&R Automation Studio支持液壓庫，AsHydCon V1在2006年已經(jīng)發(fā)布開始使用，可提供液壓定位、補償和PID調(diào)節(jié)算法功能塊，支持PLCopen的Hydraulic庫使得B&R Automation Studio可以為風(fēng)力發(fā)電設(shè)計液壓控制的系統(tǒng)。
4.5.遠程診斷和維護
4.5.1遠程維護是必需的設(shè)計
對于風(fēng)力發(fā)電機組而言，遠程監(jiān)控?zé)o疑至關(guān)重要，因為，風(fēng)力發(fā)電機組的安裝往往是在海邊、山谷風(fēng)口、沙漠隔壁這樣的遠離市區(qū)的地方，因為，只有這些地方才能提供較大的風(fēng)力資源。
4.5.2多種遠程維護方案
遠程診斷與維護提供了維護風(fēng)電場設(shè)備和系統(tǒng)的便捷方案，在B&R系統(tǒng)中，實現(xiàn)遠程方案靈活并且能夠不增加或很少的成本即可。
4.5.2.1基于VNC Server的遠程維護
在B&R的HMI和Controller中，VNC Server和Web Server只需配置即可，這是一個軟件功能塊形式存在的，無需增加任何成本，并且，VNC Server的監(jiān)控軟件是免費的可獲得的，不僅提供完全現(xiàn)場監(jiān)控級的權(quán)限，也能夠提供參數(shù)修改和設(shè)置的能力。
4.5.2.2 Web Server則提供了基于Internet遠程訪問的能力
通過Windows自帶的IE瀏覽器即可實現(xiàn)對遠程主機的數(shù)據(jù)監(jiān)控，包括CPU運行、當前I/O參數(shù)等。
4.5.2.3 FTP Server提供了遠程的程序傳輸能力
通過FTP Server程序的修改可以由本地PC完成后經(jīng)由Internet遠程下載到控制器中。
4.5.2.4 SNMP則提供了電子郵件發(fā)送數(shù)據(jù)的可能
E-mail可以傳送如現(xiàn)場數(shù)據(jù)、報警信息等到監(jiān)控端的電子信箱中。
4.5.2.5GSM支持則使得關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以通過手機MMS短信形式在最快的時間里發(fā)送到監(jiān)控工程師的手機上，以便及時的對現(xiàn)場問題采取措施。
4.5.3監(jiān)控范圍
在B&R的系統(tǒng)中，遠程維護不僅僅代表在軟硬件意義上可以有靈活的實現(xiàn)，而且也包含了：
4.5.3.1針對各種參數(shù)的監(jiān)控
不僅僅是電流、電壓，事實上在風(fēng)力發(fā)電場的每個參數(shù)，一個傳感器的輸入、I/O模塊、CPU、甚至軟件中的中間變量都可以被遠程監(jiān)控到。
4.5.3.2運行分析
通過靈活的軟件平臺，B&R也能為風(fēng)力發(fā)電場提供整場運行的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，包括設(shè)備維護、根源分析等管理級任務(wù)，這個可以由B&R APROL DCS系統(tǒng)來完成，貝加萊提供了不僅僅是整機控制、監(jiān)控、也提供面向整場的管理級服務(wù)。
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