贝加莱风力发电控制系统

1、蓬勃发展的风电技术
   　　风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30%以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gemsa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。
   　　国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，而造成陷入激烈的价格竞争，另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使得制造商在未来激烈竞争中获得先手。
   　　然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计，在本文我们将介绍因何这些控制器能够满足风力发电的苛刻要求。
   2、风力发电对控制系统的需求
   　　2.1高级语言编程能力
   　　由于功率控制涉及到风速变化、最佳叶尖速比的获取、机组输出功率、相位和功率因素，发电机组的转速等诸多因素的影响，因此，它包含了复杂的控制算法设计需求，而这些，对于控制器的高级语言编程能力有较高的要求，而B&R PCC产品提供了高级语言编程能力，不仅仅是这些，还包括了以下一些关键技术：
   　　2.1.1复杂控制算法设计能力
   　　传统的机器控制多为顺序逻辑控制，而随着传感器技术、数字技术和通信技术的发展，复杂控制将越来越多的应用于机器，而机器控制本身即是融合了逻辑、运动、传感器、高速计数、安全、液压等一系列复杂控制的应用，PCC的设计者们很早就注意到这个发展方向而设计了PCC产品来满足这一未来的需求。
   　　为了满足这种需求，PCC设计为基于Automation Runtime的实时操作系统（OS）上，支持高级语言编程，对于风力发电而言，变桨、主控逻辑、功率控制单元等的算法非常复杂，这需要一个强大的控制器来实现对其高效的程序设计，并且，代码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。
   　　2.1.2功能块调用
   　　PCC支持PLCopen Motion、PLCopen Safety和PLCopenHydraulic库的调用，这对于风电这一集合了变桨运动控制、安全逻辑设计、液压控制的综合系统来说是再好不过的选择.变桨控制将考虑多个伺服的定位和同步关系，而safety为机组提供了多种安全回路设计以保护机组的安全可靠运行，液压控制被极其容易的集成到系统中而无需购置专用的液压控制模块。同时，PCC支持用户自定义库的封装设计，用户可以将其自身的核心算法封装为功能块来调用，这使得一方面代码的安全性得到了很好的保证，而另一方面，它也提供了针对不同机组的系统调用，大大简化了软件的重构，支持快速开发。
   　　2.1.3All In One的设计理念- Automation Studio?
   　　Automation Studio?设计初衷是建立在一种放眼整机控制而不是局部（只关心驱动或者逻辑，独立组件），30年的丰富OEM控制设计使得B&R深刻理解“整体”的意义，因此，其软件包设计为面向整个机器的各个对象（逻辑、运动、测量、通信、显示）和过程（配置、项目规划与管理、诊断、调试、维护）。
   
   　　对于B&R Automation Studio而言，控制器的设计、变桨伺服、液压控制、Safety技术、通信均在一个”All In One”的工具包Automation Stduio中实现，对于风力发电这样的综合多种控制需求的系统而言，Automation Studio提供了一个完整的工程设计与应用的平台，它使得代码生成、仿真分析、远程诊断与维护集成为一体，难道还有什么需要不能满足吗?
   　　抛开技术的因素，对于用户而言，一套软件即可实现所有的应用需求，这降低工程师的学习成本，也作为一个平台，为用户提供了长期持续创新的软件平台基础。
   3、Matlab/Simulink自动风力发电控制器代码生成
   　　这是一个令人振奋的设计-Matlab/SIMULINK被集成到Automation Studio中，提供了一种将MATLAB这一广泛应用于工程设计和仿真分析的工具。
   
   　　2008年开始，B&R与Mathworks建立了深度的合作关系，采用MATLAB/SIMULINK工具，提供针对电力行业的模型构建、仿真分析与代码生成设计。
   　　3.1基于建模的系统设计
   　　控制系统设计是基于数学建模的，这是所有工程应用的目标和基础理论，而Matlab正是提供了建模设计架构上的系统仿真和分析。
   　　通过SIMULINK，建立模型就如同装配物理系统本身一样，模型中的组件就像实际的物理线路连接一样方便，这些物理连接代表理想的传导路径，通过这个方法，可描述系统的物理结构，而无需推导和实现用于系统的方程，模型与原理图非常相似，从模型中，SIMULINK可自动构造描述系统运行的微分代数方程，这些方程可与其它方程集成在一起。例如你可以定义线性和饱和变压器、避雷器和断路器以及输电线路的模型，励磁、液压和风力涡轮机组，以及电力电子单元的GTO、IGBT模型，对于控制和测量单元的电压、电流、阻抗测量，RMS测量，有功和无功功率的计算，以及abc-to dq0及dq0到abc的转换，三相单元的RPL负载、同步或异步发电机，电动机分析和测量工具均可以被组件形式建立模型，并通过SIMULINK来连接。
   
利用SIMULINK可以为风力发电机组建立控制系统模型
   　　3.2 SIMULINK的电力应用分析能力
   　　SIMULINK里包含了柔性输电系统向量模型、风力涡轮的向量模型、电机的直接转矩控制和磁场定向控制模型等。SIMULINK为电力系统网络提供了三种解决方案，以及一种理想的切换算法，可通过高频切换提升系统的仿真性能。在 Simulink中使用变步积分算法来执行高度精确的电力系统模型仿真。其中一些积分算法可处理在实际电力系统建模中常遇到的数值刚性系统。
   　　SIMULINK提供的零点穿越检测功能，能以十分精确的机器精度检测并求解不连续过程。离散仿真采用固定步长梯形积分法来仿真系统，特别适合带电力电子设备的电力系统模型。该模式还有助于实现模型的实时执行。向量仿真则采用一组固定频率代数。
   　　3.3 代码自动生成
   　　通过MATLAB/Simulink，系统建模的控制器代码可以被生成，并经过优化成为真正可用的程序，而这些强大的功能也被集成到了Automation Studio中，对于开发风电控制系统而言，这无疑是一种非常好的选择。
   
   4、基于B&R系统的风力发电解决方案
   　　B&R风力发电控制包含了软硬件方案，也包括上述所提及的仿真分析在内，应用于变桨、功率控制与电网检测和远程维护等。
   　　4.1.变桨控制方案Pitch Control
   　　变桨控制是在ACOPOSmulti伺服驱动器和X20CPU的设计上的，可以快速实现风力发电的变桨控制（Pitch Control）,通过光纤接口的实时通信技术Ethernet POWERLINK，可以将三个桨叶的伺服参数进行高速同步通信。
   　　4.1.1SPT（Smart Process Technology）提供了快速的调桨过程。
   　　智能过程技术是作为ACOPOSmulti内置的功能块运行的，它提供了一种智能化的位置控制方案，可以根据给定外界参数而快速的寻找最佳的路径来获得对桨叶的快速调整，满足在最大叶尖速比的获取，以及在安全逻辑下的快速复位保护桨叶。
   　　4.1.2伺服直接控制
   　　即使在控制器失效的情况下，变桨系统也能安全的对桨叶进行控制，这得益于ACOPOSmulti伺服驱动器内置的SPT设计，驱动器满足了极端情况下的控制需求。
   
   　　4.1.3直流供电设计
   　　ACOPOSmulti伺服驱动器为公共直流母线设计（Common DC-Bus Technology），可以通过直流母线来进行能量的均衡分配，而特别指出的是：通过与知名的电池制造商的合作，ACOPOSmulti伺服驱动器内提供一个备用电池的方案，这一方案对于电网没有交流供电时桨叶的安全保护控制和启动状态下的位置调整至关重要，或者这是极富竞争力的设计之一。
   　　4.2.风力发电专家模块
   　　4.2.1 X20CM0985-电网检测和并网同步
   　　对于风力发电，专用的三相电网检测和并网同步模块X20CM0985无疑是极富竞争力的专家模块设计，它具有以下功能设计：
   　　4.2.1.1测量
   　　4.2.1.1.1常规测量功能：作为一般的电力测量模块使用，可多路测量线电压、相电压、频率。
   　　4.2.1.1.2发电机侧测量：并网模式时用来测量发电机侧各项参数
   　　● 相电流
   　　● 电流均值
   　　● 动态电流均值
   　　● 中性线电流
   　　● 线电压
   　　● 相电压
   　　● 视在功率
   　　● 有功功率
   　　● 无功功率
   　　● 频率
   　　4.2.1.1.3同步主网监测：发电机侧和电网侧同步端口参数测量相角差、电压差。
   　　■ 热过流监测
   　　■ 不平衡负载监测
   　　■ 短路电流监测
   　　■ 电压不平衡监测
   　　■ 励磁监测
   　　4.2.1.2同步并网功能
   　　该模块最大的特点是具有同步并网功能，两路同步主网端口可同时监测网侧和发电机侧的电压、相位、频率等参数。模块内部可比较判断同步条件是否具备，当网侧和机侧的电压幅值、相位差、频率差满足一定条件时，激活并网功能，输出脉冲信号触发并网开关，使发电机回路输出电能馈送到电网上。
   
X20CM0985电力测量与并网同步专家模块
   　　4.2.1.3应用结构图
   
X20CM0985电力测量模块应用结构图
   　　在电路图中可以看出，该模块可以直接测量发电机定子和网侧三相电压，利用电流互感器改变发电机定子电流变比后接入模块来测量发电机定子电流。另外，两路同步主网端（Synchronization mains network 1和Synchronization mains network 2）监测网侧和发电机侧对应线路中电压、相位和频率值。如果同步条件满足则数字量端口DO4发出并网脉冲使主回路上开关合闸，电能馈送电网。
   　　数字量端口DO1作为输出继电器使用，含一个开点和一个闭点。运行中模块会监测发电机相关状态，当出现如过压、欠压、超频、欠频、过流、短路、电压电流不平衡和励磁失效等状态时，DO1会输出高电平信号驱动外部电路动作。
   　　数字量端口DO2可输出脉冲信号供外部电能计量用。
   　　数字量端口DO3作为电网电流电压监测输出信号，当模块检测到电网电流或电压低于参考值时DO3输出高电平信号。
   　　数字量端口DO5和DO6无特殊功能，可作为一般输出点来使用。
   　　4.2.1.4工作模式
   　　■ 滑动窗口同步模式
   　　■ 同步状态监测模式
   　　■ 低电压非同步模式
   　　在B&R集成开发环境Automation Studio中可对模块功能及参数进行一些设置，如工作模式、同步端口选择、同步窗口参数、电流电压放大倍数、状态监测等等
   　　4.2.2其它I/O模块简要描述
   　　除了专用的X20CM0985，B&R还提供：
   　　4.2.2.1带有示波器功能的AI/AO模块：对于监控风电参数，并提供示波器显示分析能力。
   　　4.2.2.2光纤中继器模块：X20BH模块用于远程的设备通信可以使得远程站扩展到2km以上.
   　　4.2.2.3PWM输出模块：用于针对逆变器的控制等专用模块。
   　　4.2.2.4IP67等级模块：除了针对机柜内的控制系统，IP67等级模块也适用于风力发电野外应用的灵活配置和现场接线能力，上述的AI/AO均有IP67防护等级产品，支持M12的连接。
   　　这些，都是B&R可以应用于风力发电领域的特殊设计模块。
   　　4.3风电安全回路设计
   　　4.3.1 B&R Safety技术
   　　B&R safety技术是目前运行最高效率的安全系统，并且有完整的产品线如Safetylogic 、Safety I/O,Safety Motion、Powerlink Safety,满足SIL 3级别的设计，安全逻辑的扫描周期为1ms，是目前刷新最快的Safety Logic产品，B&R SafetyLogic是基于POWERLINK实时通信技术而设计的，通过将系统中关键的逻辑如强风、恶劣天气，机组的状态变化如叶轮过速、扭缆、电源失效、制动和操作人员的紧急按钮动作等通过黄色的X20 Safety I/O输入到系统中，而Safetylogic控制器作为一个POWERLINK Controlled Node来运行，只有在Safety逻辑对应的I/O动作时才引发一个安全逻辑的执行过程（这些过程依据引发安全的源而设计为不同），Safetylogic是独立于标准控制单元的
   
　　4.3.2风力发电安全逻辑设计
   　　通常，有多个安全系统过程可用，每一个安全系统过程制定激活哪一个安全回路，有多个传感器开关：叶轮转速、电机转速、掉电后电机功率、机舱振动，制定不同安全传感器的的级别和不同安全逻辑生效下的不通设备失效动作的时间延迟，Safetylogic系统将引导紧急停机，例如失效下安全的变桨动作、电机切出、应用轴刹车以及断开偏航驱动、机组脱网动作，最大限度的保证机组的安全，并且这些安全相关的数据将被存储到紧急停车过程中，后备电源将纳入安全逻辑中来以便为停机过程提供控制器电源保障。
   　　B&R Automation Studio工具包支持PLCopen的Safety库应用，支持20种开放的PLCopenSafety功能块，对于风力发电这样牵扯到严格的机组安全的应用而言，它不仅高效、完整的并且开放，易于构建安全逻辑。
   　　即使对于恶劣的环境，B&R也有IP67等级的Safety模块可供使用。
   　　4.4. PLCopen Hydraulic库支持液压控制
   　　在风力发电中，液压变桨方案由于其输出功率大等特点而被大量应用，而刹车制动、偏航系统的液压也采用了液压系统来进行。
   
   　　通过在齿轮箱输出端与发电机之间安装液压系统、限压系统、压力补偿、恒流恒速以及制动系统，在桨叶转数随风速变化时，不会导致发电机组的输出电压和频率的不稳定，有利于并网运行。
   　　目前750kW机组通常采用叶尖刹车系统和高速轴机械阀刹车系统，采用失效-安全保护模式来运行。
   　　B&R Automation Studio支持液压库，AsHydCon V1在2006年已经发布开始使用，可提供液压定位、补偿和PID调节算法功能块，支持PLCopen的Hydraulic库使得B&R Automation Studio可以为风力发电设计液压控制的系统。
   　　4.5.远程诊断和维护
   　　4.5.1远程维护是必需的设计
   　　对于风力发电机组而言，远程监控无疑至关重要，因为，风力发电机组的安装往往是在海边、山谷风口、沙漠隔壁这样的远离市区的地方，因为，只有这些地方才能提供较大的风力资源。
   　　4.5.2多种远程维护方案
   　　远程诊断与维护提供了维护风电场设备和系统的便捷方案，在B&R系统中，实现远程方案灵活并且能够不增加或很少的成本即可。
   　　4.5.2.1基于VNC Server的远程维护
   　　在B&R的HMI和Controller中，VNC Server和Web Server只需配置即可，这是一个软件功能块形式存在的，无需增加任何成本，并且，VNC Server的监控软件是免费的可获得的，不仅提供完全现场监控级的权限，也能够提供参数修改和设置的能力。
   　　4.5.2.2 Web Server则提供了基于Internet远程访问的能力
   　　通过Windows自带的IE浏览器即可实现对远程主机的数据监控，包括CPU运行、当前I/O参数等。
   　　4.5.2.3 FTP Server提供了远程的程序传输能力
   　　通过FTP Server程序的修改可以由本地PC完成后经由Internet远程下载到控制器中。
   　　4.5.2.4 SNMP则提供了电子邮件发送数据的可能
   　　E-mail可以传送如现场数据、报警信息等到监控端的电子信箱中。
   　　4.5.2.5GSM支持则使得关键数据可以通过手机MMS短信形式在最快的时间里发送到监控工程师的手机上，以便及时的对现场问题采取措施。
   　　4.5.3监控范围
   　　在B&R的系统中，远程维护不仅仅代表在软硬件意义上可以有灵活的实现，而且也包含了：
   　　4.5.3.1针对各种参数的监控
   　　不仅仅是电流、电压，事实上在风力发电场的每个参数，一个传感器的输入、I/O模块、CPU、甚至软件中的中间变量都可以被远程监控到。
   　　4.5.3.2运行分析
   　　通过灵活的软件平台，B&R也能为风力发电场提供整场运行的数据分析基础，包括设备维护、根源分析等管理级任务，这个可以由B&R APROL DCS系统来完成，贝加莱提供了不仅仅是整机控制、监控、也提供面向整场的管理级服务。