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(zhù)30%以上的強勁增長(cháng)勢頭，包括Vestas、Gemsa、GE、國內的金風(fēng)科技、華銳、運達工程等其訂單交付已經(jīng)到2011年后。

　　國內的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)起步較晚，目前的控制系統均是由歐洲專(zhuān)用控制方案提供商提供的專(zhuān)用系統，價(jià)格高昂且交貨周期較長(cháng)。開(kāi)發(fā)自主知識產(chǎn)權的控制系統必須要提上日程，一方面，由于缺乏差異化而使得未來(lái)競爭中的透明度過(guò)高，而造成陷入激烈的價(jià)格競爭，另一方面，尋找合適的平臺開(kāi)發(fā)自主的風(fēng)電控制系統將使得制造商在未來(lái)激烈競爭中獲得先手。

　　然而，風(fēng)電控制系統必須滿(mǎn)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)電的控制系統平臺提出了要求，而B(niǎo)&R的控制系統，在軟硬件上均提供了適應于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)需求的設計，在本文我們將介紹因何這些控制器能夠滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電的苛刻要求。

    2、風(fēng)力發(fā)電對控制系統的需求

　　2.1高級語(yǔ)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)電機組的轉速等諸多因素的影響，因此，它包含了復雜的控制算法設計需求，而這些，對于控制器的高級語(yǔ)言編程能力有較高的要求，而B(niǎo)&R PCC產(chǎn)品提供了高級語(yǔ)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復雜控制算法設計能力

　　傳統的機器控制多為順序邏輯控制，而隨著(zhù)傳感器技術(shù)、數字技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，復雜控制將越來(lái)越多的應用于機器，而機器控制本身即是融合了邏輯、運動(dòng)、傳感器、高速計數、安全、液壓等一系列復雜控制的應用，PCC的設計者們很早就注意到這個(gè)發(fā)展方向而設計了PCC產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足這一未來(lái)的需求。

　　為了滿(mǎn)足這種需求，PCC設計為基于A(yíng)utomation Runtime的實(shí)時(shí)操作系統（OS）上，支持高級語(yǔ)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雜，這需要一個(gè)強大的控制器來(lái)實(shí)現對其高效的程序設計，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功能塊調用

　　PCC支持PLCopen Motion、PLCopen Safety和PLCopenHydraulic庫的調用，這對于風(fēng)電這一集合了變槳運動(dòng)控制、安全邏輯設計、液壓控制的綜合系統來(lái)說(shuō)是再好不過(guò)的選擇.變槳控制將考慮多個(gè)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中而無(wú)需購置專(zhuān)用的液壓控制模塊。同時(shí)，PCC支持用戶(hù)自定義庫的封裝設計，用戶(hù)可以將其自身的核心算法封裝為功能塊來(lái)調用，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調用，大大簡(jiǎn)化了軟件的重構，支持快速開(kāi)發(fā)。

　　2.1.3All In One的設計理念- Automation Studio?

　　Automation Studio?設計初衷是建立在一種放眼整機控制而不是局部（只關(guān)心驅動(dòng)或者邏輯，獨立組件），30年的豐富OEM控制設計使得B&R深刻理解“整體”的意義，因此，其軟件包設計為面向整個(gè)機器的各個(gè)對象（邏輯、運動(dòng)、測量、通信、顯示）和過(guò)程（配置、項目規劃與管理、診斷、調試、維護）。

　　對于B&R Automation Studio而言，控制器的設計、變槳伺服、液壓控制、Safety技術(shù)、通信均在一個(gè)”All In One”的工具包Automation Stduio中實(shí)現，對于風(fēng)力發(fā)電這樣的綜合多種控制需求的系統而言，Automation Studio提供了一個(gè)完整的工程設計與應用的平臺，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(mǎn)足嗎?

　　拋開(kāi)技術(shù)的因素，對于用戶(hù)而言，一套軟件即可實(shí)現所有的應用需求，這降低工程師的學(xué)習成本，也作為一個(gè)平臺，為用戶(hù)提供了長(cháng)期持續創(chuàng )新的軟件平臺基礎。

　　3、Matlab/Simulink自動(dòng)風(fēng)力發(fā)電控制器代碼生成

　　這是一個(gè)令人振奮的設計-Matlab/SIMULINK被集成到Automation Studio中，提供了一種將MATLAB這一廣泛應用于工程設計和仿真分析的工具。

　　2008年開(kāi)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)的模型構建、仿真分析與代碼生成設計。

　　3.1基于建模的系統設計

　　控制系統設計是基于數學(xué)建模的，這是所有工程應用的目標和基礎理論，而Matlab正是提供了建模設計架構上的系統仿真和分析。

　　通過(guò)SIMULINK，建立模型就如同裝配物理系統本身一樣，模型中的組件就像實(shí)際的物理線(xiàn)路連接一樣方便，這些物理連接代表理想的傳導路徑，通過(guò)這個(gè)方法，可描述系統的物理結構，而無(wú)需推導和實(shí)現用于系統的方程，模型與原理圖非常相似，從模型中，SIMULINK可自動(dòng)構造描述系統運行的微分代數方程，這些方程可與其它方程集成在一起。例如你可以定義線(xiàn)性和飽和變壓器、避雷器和斷路器以及輸電線(xiàn)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(wú)功功率的計算，以及abc-to dq0及dq0到abc的轉換，三相單元的RPL負載、同步或異步發(fā)電機，電動(dòng)機分析和測量工具均可以被組件形式建立模型，并通過(guò)SIMULINK來(lái)連接。

利用SIMULINK可以為風(fēng)力發(fā)電機組建立控制系統模型

　　3.2 SIMULINK的電力應用分析能力

　　SIMULINK里包含了柔性輸電系統向量模型、風(fēng)力渦輪的向量模型、電機的直接轉矩控制和磁場(chǎng)定向控制模型等。SIMULINK為電力系統網(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(guò)高頻切換提升系統的仿真性能。在 Simulink中使用變步積分算法來(lái)執行高度精確的電力系統模型仿真。其中一些積分算法可處理在實(shí)際電力系統建模中常遇到的數值剛性系統。

　　SIMULINK提供的零點(diǎn)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過(guò)程。離散仿真采用固定步長(cháng)梯形積分法來(lái)仿真系統，特別適合帶電力電子設備的電力系統模型。該模式還有助于實(shí)現模型的實(shí)時(shí)執行。向量仿真則采用一組固定頻率代數。

　　3.3 代碼自動(dòng)生成

　　通過(guò)MATLAB/Simulink，系統建模的控制器代碼可以被生成，并經(jīng)過(guò)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(kāi)發(fā)風(fēng)電控制系統而言，這無(wú)疑是一種非常好的選擇。

　　4、基于B&R系統的風(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，應用于變槳、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A(yíng)COPOSmulti伺服驅動(dòng)器和X20CPU的設計上的，可以快速實(shí)現風(fēng)力發(fā)電的變槳控制（Pitch Control）,通過(guò)光纖接口的實(shí)時(shí)通信技術(shù)Ethernet POWERLINK，可以將三個(gè)槳葉的伺服參數進(jìn)行高速同步通信。

　　4.1.1SPT（Smart Process Technology）提供了快速的調槳過(guò)程。

　　智能過(guò)程技術(shù)是作為ACOPOSmulti內置的功能塊運行的，它提供了一種智能化的位置控制方案，可以根據給定外界參數而快速的尋找最佳的路徑來(lái)獲得對槳葉的快速調整，滿(mǎn)足在最大葉尖速比的獲取，以及在安全邏輯下的快速復位保護槳葉。

　　4.1.2伺服直接控制

　　即使在控制器失效的情況下，變槳系統也能安全的對槳葉進(jìn)行控制，這得益于A(yíng)COPOSmulti伺服驅動(dòng)器內置的SPT設計，驅動(dòng)器滿(mǎn)足了極端情況下的控制需求。

　　4.1.3直流供電設計

　　ACOPOSmulti伺服驅動(dòng)器為公共直流母線(xiàn)設計（Common DC-Bus Technology），可以通過(guò)直流母線(xiàn)來(lái)進(jìn)行能量的均衡分配，而特別指出的是：通過(guò)與知名的電池制造商的合作，ACOPOSmulti伺服驅動(dòng)器內提供一個(gè)備用電池的方案，這一方案對于電網(wǎng)沒(méi)有交流供電時(shí)槳葉的安全保護控制和啟動(dòng)狀態(tài)下的位置調整至關(guān)重要，或者這是極富競爭力的設計之一。

　　4.2.風(fēng)力發(fā)電專(zhuān)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(zhuān)用的三相電網(wǎng)檢測和并網(wǎng)同步模塊X20CM0985無(wú)疑是極富競爭力的專(zhuān)家模塊設計，它具有以下功能設計：

　　4.2.1.1測量

　　4.2.1.1.1常規測量功能：作為一般的電力測量模塊使用，可多路測量線(xiàn)電壓、相電壓、頻率。

　　4.2.1.1.2發(fā)電機側測量：并網(wǎng)模式時(shí)用來(lái)測量發(fā)電機側各項參數

　　● 相電流

　　● 電流均值

　　● 動(dòng)態(tài)電流均值

　　● 中性線(xiàn)電流

　　● 線(xiàn)電壓

　　● 相電壓

　　● 視在功率

　　● 有功功率

　　● 無(wú)功功率

　　● 頻率

　　4.2.1.1.3同步主網(wǎng)監測：發(fā)電機側和電網(wǎng)側同步端口參數測量相角差、電壓差。

　　■ 熱過(guò)流監測

　　■ 不平衡負載監測

　　■ 短路電流監測

　　■ 電壓不平衡監測

　　■ 勵磁監測

　　4.2.1.2同步并網(wǎng)功能

　　該模塊最大的特點(diǎn)是具有同步并網(wǎng)功能，兩路同步主網(wǎng)端口可同時(shí)監測網(wǎng)側和發(fā)電機側的電壓、相位、頻率等參數。模塊內部可比較判斷同步條件是否具備，當網(wǎng)側和機側的電壓幅值、相位差、頻率差滿(mǎn)足一定條件時(shí)，激活并網(wǎng)功能，輸出脈沖信號觸發(fā)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，使發(fā)電機回路輸出電能饋送到電網(wǎng)上。

X20CM0985電力測量與并網(wǎng)同步專(zhuān)家模塊

　　4.2.1.3應用結構圖

X20CM0985電力測量模塊應用結構圖

　　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(lái)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）監測網(wǎng)側和發(fā)電機側對應線(xiàn)路中電壓、相位和頻率值。如果同步條件滿(mǎn)足則數字量端口DO4發(fā)出并網(wǎng)脈沖使主回路上開(kāi)關(guān)合閘，電能饋送電網(wǎng)。

　　數字量端口DO1作為輸出繼電器使用，含一個(gè)開(kāi)點(diǎn)和一個(gè)閉點(diǎn)。運行中模塊會(huì )監測發(fā)電機相關(guān)狀態(tài)，當出現如過(guò)壓、欠壓、超頻、欠頻、過(guò)流、短路、電壓電流不平衡和勵磁失效等狀態(tài)時(shí)，DO1會(huì )輸出高電平信號驅動(dòng)外部電路動(dòng)作。

　　數字量端口DO2可輸出脈沖信號供外部電能計量用。

　　數字量端口DO3作為電網(wǎng)電流電壓監測輸出信號，當模塊檢測到電網(wǎng)電流或電壓低于參考值時(shí)DO3輸出高電平信號。

　　數字量端口DO5和DO6無(wú)特殊功能，可作為一般輸出點(diǎn)來(lái)使用。

　　4.2.1.4工作模式

　　■ 滑動(dòng)窗口同步模式

　　■ 同步狀態(tài)監測模式

　　■ 低電壓非同步模式

　　在B&R集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Automation Studio中可對模塊功能及參數進(jìn)行一些設置，如工作模式、同步端口選擇、同步窗口參數、電流電壓放大倍數、狀態(tài)監測等等

　　4.2.2其它I/O模塊簡(jiǎn)要描述

　　除了專(zhuān)用的X20CM0985，B&R還提供：

　　4.2.2.1帶有示波器功能的AI/AO模塊：對于監控風(fēng)電參數，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(zhuān)用模塊。

　　4.2.2.4IP67等級模塊：除了針對機柜內的控制系統，IP67等級模塊也適用于風(fēng)力發(fā)電野外應用的靈活配置和現場(chǎng)接線(xiàn)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可以應用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的特殊設計模塊。

　　4.3風(fēng)電安全回路設計

　　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，并且有完整的產(chǎn)品線(xiàn)如Safetylogic 、Safety I/O,Safety Motion、Powerlink Safety,滿(mǎn)足SIL 3級別的設計，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(shí)時(shí)通信技術(shù)而設計的，通過(guò)將系統中關(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(guò)速、扭纜、電源失效、制動(dòng)和操作人員的緊急按鈕動(dòng)作等通過(guò)黃色的X20 Safety I/O輸入到系統中，而Safetylogic控制器作為一個(gè)POWERLINK Controlled Node來(lái)運行，只有在Safety邏輯對應的I/O動(dòng)作時(shí)才引發(fā)一個(gè)安全邏輯的執行過(guò)程（這些過(guò)程依據引發(fā)安全的源而設計為不同），Safetylogic是獨立于標準控制單元的

　　4.3.2風(fēng)力發(fā)電安全邏輯設計

　　通常，有多個(gè)安全系統過(guò)程可用，每一個(gè)安全系統過(guò)程制定激活哪一個(gè)安全回路，有多個(gè)傳感器開(kāi)關(guān)：葉輪轉速、電機轉速、掉電后電機功率、機艙振動(dòng)，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備失效動(dòng)作的時(shí)間延遲，Safetylogic系統將引導緊急停機，例如失效下安全的變槳動(dòng)作、電機切出、應用軸剎車(chē)以及斷開(kāi)偏航驅動(dòng)、機組脫網(wǎng)動(dòng)作，最大限度的保證機組的安全，并且這些安全相關(guān)的數據將被存儲到緊急停車(chē)過(guò)程中，后備電源將納入安全邏輯中來(lái)以便為停機過(guò)程提供控制器電源保障。

　　B&R Automation Studio工具包支持PLCopen的Safety庫應用，支持20種開(kāi)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用而言，它不僅高效、完整的并且開(kāi)放，易于構建安全邏輯。

　　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(diǎn)而被大量應用，而剎車(chē)制動(dòng)、偏航系統的液壓也采用了液壓系統來(lái)進(jìn)行。

　　通過(guò)在齒輪箱輸出端與發(fā)電機之間安裝液壓系統、限壓系統、壓力補償、恒流恒速以及制動(dòng)系統，在槳葉轉數隨風(fēng)速變化時(shí)，不會(huì )導致發(fā)電機組的輸出電壓和頻率的不穩定，有利于并網(wǎng)運行。

　　目前750kW機組通常采用葉尖剎車(chē)系統和高速軸機械閥剎車(chē)系統，采用失效-安全保護模式來(lái)運行。

　　B&R Automation Studio支持液壓庫，AsHydCon V1在2006年已經(jīng)發(fā)布開(kāi)始使用，可提供液壓定位、補償和PID調節算法功能塊，支持PLCopen的Hydraulic庫使得B&R Automation Studio可以為風(fēng)力發(fā)電設計液壓控制的系統。

　　4.5.遠程診斷和維護

　　4.5.1遠程維護是必需的設計

　　對于風(fēng)力發(fā)電機組而言，遠程監控無(wú)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(chǎng)設備和系統的便捷方案，在B&R系統中，實(shí)現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(gè)軟件功能塊形式存在的，無(wú)需增加任何成本，并且，VNC Server的監控軟件是免費的可獲得的，不僅提供完全現場(chǎng)監控級的權限，也能夠提供參數修改和設置的能力。

　　4.5.2.2 Web Server則提供了基于Internet遠程訪(fǎng)問(wèn)的能力

　　通過(guò)Windows自帶的IE瀏覽器即可實(shí)現對遠程主機的數據監控，包括CPU運行、當前I/O參數等。

　　4.5.2.3 FTP Server提供了遠程的程序傳輸能力

　　通過(guò)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)送數據的可能

　　E-mail可以傳送如現場(chǎng)數據、報警信息等到監控端的電子信箱中。

　　4.5.2.5GSM支持則使得關(guān)鍵數據可以通過(guò)手機MMS短信形式在最快的時(shí)間里發(fā)送到監控工程師的手機上，以便及時(shí)的對現場(chǎng)問(wèn)題采取措施。

　　4.5.3監控范圍

　　在B&R的系統中，遠程維護不僅僅代表在軟硬件意義上可以有靈活的實(shí)現，而且也包含了：

　　4.5.3.1針對各種參數的監控

　　不僅僅是電流、電壓，事實(shí)上在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的每個(gè)參數，一個(gè)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控到。

　　4.5.3.2運行分析

　　通過(guò)靈活的軟件平臺，B&R也能為風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)提供整場(chǎng)運行的數據分析基礎，包括設備維護、根源分析等管理級任務(wù)，這個(gè)可以由B&R APROL DCS系統來(lái)完成，貝加萊提供了不僅僅是整機控制、監控、也提供面向整場(chǎng)的管理級服務(wù)。