ABB控制自动化产品在MW级风机电控系统中的应用

　　摘要：
  　　国内风电设备制造行业的迅猛发展，国内市场可供用户选择的风机类型越来越多，随之而来的是对风机稳定性和性能的关注。风机电控系统的快速、可靠性和稳定性很大程度上决定了一款风机的成功与否，而电控系统的性能主要取决于所选方案和所采用的零部件。ABB涉足风力发电行业已有20多年历史，本文结合欧洲MW级双馈风机电控系统的结构对ABB控制自动化产品在MW级双馈风机电控系统中的应用进行了介绍。

  关键词：MW级风机控制系统 ABB控制自动化产品 并网接触器 机械锁 高性能控制器网络

　　随着我国能源发展战略的实施，国内风电设备市场逐年扩大。在国家发改委制定的《风力发电中长期发展规划》中明确指出，到2010年底，全国风电总装机规模达到400万kW；到2015年底，全国风电总装机规模达到1000万kW；到2020年底，全国风电总装机规模达到2000万kW。
        国家电力监管委员会2007年7月17日公布《电网企业全额收购可再生能源电量监管办法》，赋予国家电监会监管电网企业全额收购其电网覆盖范围内可再生能源并网发电项目的权力。于2007年9月1日起施行。
        国家政策的支持、巨大的市场空间促使国内风电产业异常活跃。已有40多家企业明确表示将涉足风力发电设备制造。
  1. 概述
　　ABB作为全球工控产品重要的供应商之一，可以为各行业提供种类齐全的控制自动化产品。与全球主要风机制造商多年的合作经验，使ABB可以提供风机功率回路和控制回路的全套产品，形成了ABB独有的、经过优化的专为风电行业设计的控制自动化产品。下面就ABB控制自动化产品在风力发电机组控制系统中的应用进行介绍。
  2. 用ABB AC31 90系列可编程控制器(PLC)构成高性能的控制器网络
　　控制器是整个电控系统的核心，其主要任务是控制风机根据风能的变化调整输出，以及风机在运行过程中的各种数据检测、系统保护、通讯等功能。MW级风力发电机组控制系统的特点是：
点数不多：
　　整个控制系统的输入输出点数并不多，一般不多于300点。
数据计算量大：
　　MW级风机电控系统的双馈调速系统及电动变桨系统数学模型结构复杂、计算精度高；远程监控系统、故障检测及自复位功能的应用使控制器的数据计算量很大。由于同一时间不同优先级事件的存在，控制器必须按照事件的重要程度执行不同的扫描周期。
  　　这些特点要求控制器具备高速度、支持多优先级多任务程序结构、支持高级算法等功能。此外，为保证系统各控制器与变频设备之间通讯的可靠性及实时性，控制器还必须支持现场总线及远程监控使用的工业以太网通讯。ABB公司的紧凑型控制系统AC31 90系列PLC可用于复杂控制功能的应用，运算速度可达0.07 ms/kB指令，支持IEC61131-3标准的编程, 编程界面简洁友好,并且实现分布式扩展简单快捷，有多达5个集成的通讯接口(Modbus、TCP/IP、Profibus、DeviceNet、CanOpen)用于开放的通讯方式，I/O扩展数量多达1040点开关量/232点模拟量。
图1 AC1131编程界面　　图2是用ABB AC31 90系列的KT98和KT97可编程控制器(PLC)构成的MW级风机电控系统控制器拓扑结构图。图2 ABB AC31 90系列PLC组成的风机电控系统控制器网络　　使用2台KT98分别作为机舱控制器和变桨控制器，1台KT97作为主控制器。这3个控制器的主要功能为：
机舱控制器：负责处理各传感器(含风速风向仪)、输入输出点的信号采集、双馈变频器给定计算、以及同双馈变频器、变桨控制器、主控制器之间的数据通讯。
变桨控制器：处理变桨系统信号采集、负责进行变桨系统计算，生成变桨变频器给定，负责与变桨变频器及机舱控制器、主控制器之间的数据通讯。
主控制器：负责同机舱控制器、变桨控制器之间进行以太网通讯；远程监控系统通讯、以及塔筒底部的信号采集。
　　3个控制器之间采用以太网通讯，保证了通讯速率。控制器与变频器之间采用CAN总线通讯，速率可达1Mbyte/s。保证速率的前提下，通讯可靠性也得到了提高。这样构成的控制结构具有分工明确、实时性强、稳定可靠的特点。

3. 用ABB AF系列接触器解决并网稳定性问题
　　风力发电机所发出的电能通过接触器并入电网。由于风能的大小、方向变化的多样性及不确定性，造成风机负载波动频繁，加之风电场多建在电网相对较弱的边远地区，在这种情况下，极易出现风机误并网、误解列给电控系统及机械结构带来严重的损害。因此，必须选用可靠的并网接触器将所发电能并入电网。
　　一般接触器通过线圈控制开合，这样当系统线路出现误动作时，接触器也将出现误动作，风机被误并网。ABB的AF接触器(AF400 – AF2050)可以使用输入信号（如：来自PLC）控制接触器开闭，而线圈动作所需的能量由另外的电路供给(230VAC或24VDC)。要使接触器闭合必须同时满足：线圈通电和输入信号。
普通接触器(如图3)，在A1和A2之间加以要求的电压之后，触点即闭合，抗误并网能力差。图3 普通接触器接线图　　ABB AF系列(AF400 – AF2050)接触器，只有在当A1与A2之间加以要求的电压，同时，PLC信号接通的情况下才能闭合。这样并网条件增加到2个，可提高抗误并网能力。图4 AF系列(AF400 - AF1650)接触器接线图　　另外，ABB AF系列(AF400 – AF2050)接触器还具备适应风电场电网条件的独有性能：可在线圈线路故障后20ms内维持闭合，线圈操作电压可以低至额定电压的25%。这些性能，对于风电场所处的弱电网是至关重要的。
4. 用ABB机械锁WB75A解决变桨系统备用电源稳定性问题
　　在电网突然掉电的情况下，变桨系统使用备用电源(电池组或超级电容组)将叶片旋转到顺桨位置，以保证风机在电网停电状态下，吸收最小风能，保证设备安全。同时备用电源还必须支撑整个控制系统的传感器和控制器直流回路运转一定时间，以记录必要的数据。带备用电源的变桨系统的简单示意图如图5： 图5 变桨系统结构图　　正常工作时，由交流电源给变桨系统供电，即K1闭合，此时备用电源接触器K2也处于闭合状态。电网掉电(电网故障)发生后，接触器K1断开，备用电源自动切入，维持变桨系统工作。此时，如果系统由于干扰或其他原因造成接触器K2意外打开，整个风机将完全“停电”，即使备用电源电量充足，也无法自动切入，风机与远程监控系统失去联系，叶片停留在工作位置，风机空载。如果此时出现大风，风机极有可能因为空载超速而损坏。
　　为保证风机备用电源系统安全稳定工作，可以给接触器K2加装机械锁。接触器K2闭合后，机械锁将其锁定。接触器不会因为线圈掉电而断开，而当需要将接触器K2断开时，可经由变桨控制器给出脉冲信号至图中E1，将接触器断开。这样就保证了变桨系统安全稳定的工作。
　　机械锁WB75A(如图6)是Across the line系列接触器的可选附件，可以安装在接触器的上表面，防止接触器意外断开。
图6 机械锁5. 用种类齐全的ABB控制自动化产品构成控制系统的辅助回路
　　ABB低压产品种类齐全，可根据需要，选用合适的产品。ABB S260系列微型断路器可作为各支路的线路保护， ABB GS260系列剩余电流动作断路器可作为插座线路保护。因风电安装场合气候条件恶劣，变桨控制柜内需要安装加热元件防止温度变化时可能产生凝露。由于变桨控制柜空间密闭，不适合安装由风扇进行散热类型的加热器；而板式加热器面积大，可通过自身面积散热达到理想效果，控制柜内温差小。ABB的板式加热器，就适合用于密闭的变桨控制柜内。
　　其他诸如传感器、按钮开关、插座、急停按钮等，都可在ABB控制自动化产品中找到合适的产品，这里不做详细论述。

6. ABB低压产品在国内风电场的应用情况
　　目前，ABB公司开发的AF系列接触器、机械锁及可编程控制器、空气断路器等低压产品已在国内广泛应用于内蒙古、山东、吉林、江苏、黑龙江等地风电场，经过实际应用检验，应用效果很好，其产品稳定的质量、突出的性能表现更是得到了用户的赞誉。


参考文献
[1] E A Bossanyi,GH Bladed Theory Manual May 2006.
[2] ABB,Proven technology for wind energy,www.abb.com.
[3] Low Voltage Products & Systems, ABB Inc. · 888-385-1221 · www.abb-control.com