風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)試驗平臺.doc

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)及20KW試驗平臺 總體方案目 錄第一部分 主機控制器平臺子項目設(shè)計方案第二部分 監(jiān)控系統(tǒng)子項目設(shè)計方案第三部分 變頻勵磁器子項目設(shè)計方案第四部分 試驗平臺設(shè)計方案第一部分 主機控制器平臺子項目設(shè)計方案一、 設(shè)計方案以及應(yīng)達到的功能和關(guān)鍵技術(shù)指標1. 設(shè)計方案簡述風電主機控制器平臺為大中型風電機組主控制系統(tǒng)提供軟硬件支撐，項目包括面向兆瓦級雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的完整主控軟件，實現(xiàn)機組并網(wǎng)發(fā)電，同時也可以通過硬件配置和軟件調(diào)整適用于其它容量的風機主控系統(tǒng)。主控硬件采用模塊化可配架構(gòu)，并具有分布式特點，主控可以安裝在機艙，也可以分別布置在機艙和塔底中?？刂破骶哂蟹螴EC 61131-3標準的編程語言功能，以實現(xiàn)主控邏輯編程。主控支持光纖以太網(wǎng)接口，并支持IEC 61400-25和Modbus/TCP協(xié)議與監(jiān)控系統(tǒng)通訊?？刂破髦鰿PU通過總線與各種智能IO模塊或分布式裝置通訊，控制器平臺提供多種IO接口模塊，支持交流電流電壓信號采集、直流模擬量信號采集、RTD溫度采集、開關(guān)量輸入信號采集、高速脈沖信號采集、開關(guān)量光藕和繼電器輸出、以及模擬量輸出等功能。IO模塊的種類以及每個模塊的IO數(shù)量需要根據(jù)不同機組和控制系統(tǒng)需求總結(jié)歸納，按合理數(shù)量配置設(shè)計。主控的軟件算法在低風速下最大功率跟蹤主要采用以下兩種方法：跟蹤最佳Cp值的比例系數(shù)（Kopt）和模糊算法。高風速下主要采用比例積分（PI）算法，通過改變漿葉節(jié)距角來調(diào)節(jié)風力機的功率系數(shù)，將功率的輸出限制在允許范圍內(nèi)。2. 功能和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)風力發(fā)電主控制器通過各類安裝在現(xiàn)場的模塊，對電網(wǎng)、風況及發(fā)電機組運行等參數(shù)進行監(jiān)控，并與其他功能模塊保持通信，對各方面的情況綜合分析后，發(fā)出各種控制指令。風力發(fā)電系統(tǒng)主控器控制與監(jiān)控功能框圖參見圖1。主控除了圖1描述的總體功能外，還包括以下主要功能：自檢，高、低風速下的控制策略和算法，故障處理，通信，人機接口，安全鏈設(shè)計，溫度控制，機械振動控制以及其它輔助信號采集與控制等。主控制器需正確控制風機在運行、暫停、停機和急停四種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。主控軟件根據(jù)機組所處的狀態(tài)，按設(shè)定的控制策略對調(diào)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、變漿距系統(tǒng)、制動系統(tǒng)以及逆變系統(tǒng)等進行操作和控制，實現(xiàn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。圖2所示為風機在4種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換順序圖，提高工作狀態(tài)層次只能一層一層地升，降低則可以是一層或多層。關(guān)鍵技術(shù)指標：1) 運行溫度范圍：-3055;2) 交流測量精度：電流、電壓 0.5%；有功、無功、功率因素1%；3) 直流模擬量測量精度：0.2%；4) 直流模擬量輸出精度：0.5%；5) RTD測量精度：0.5%；6) 電磁兼容性能：標準等級GB/T 17626.2-2006 靜電放電抗擾度試驗4GB/T 17626.3-2006 射頻電磁場輻射抗擾度試驗X(20V/m）GB/T 17626.4-1998 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗4GB/T 17626.5-1999 浪涌（沖擊）抗擾度試驗4GB/T 17626.6-1998 射頻場感應(yīng)的傳導騷擾抗擾度試驗3GB/T 17626.8-2006 工頻磁場抗擾度試驗5GB/T 17626.9-1998 脈沖磁場抗擾度試驗5GB/T 17626.10-1998 阻尼振蕩磁場抗擾度試驗5GB/T 17626.12-1998 振蕩波抗擾度試驗4GB9254-1998 輻射發(fā)射限值試驗A類7) 振動（正弦）響應(yīng)、耐久：滿足GB/T 11287-2000的2級；8) 沖擊響應(yīng)、耐受，碰撞：滿足GB/T 14537-1993的2級；9) 使用壽命：20年；10) 平均無故障工作時間（MTBF）：50000h。3. 關(guān)鍵技術(shù)及難點：1) 主控制器能正確控制風機在運性、暫停、停機和緊停四種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。特別是在外部環(huán)境惡化、電網(wǎng)故障或者風機內(nèi)部故障等情況下，主控制器能安全保護風機正常運行或者安全停機、緊急停機。要正確控制風機狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，需要首先界定每個狀態(tài)，對應(yīng)每個狀態(tài)下風機各部件的工作情況；其次要研究狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的條件；最后需要研究轉(zhuǎn)換過程中的控制策略。2) 低風速下的最大功率跟蹤控制策略。通常對轉(zhuǎn)速的控制是通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的控制來實現(xiàn)的，其控制策略有兩種，分別是間接速度控制（ISC）和直接速度控制（DSC）。理論上DSC優(yōu)于ISC，但是這兩種控制策略以及模糊邏輯控制等策略在實際應(yīng)用中的效果和優(yōu)劣還需要加以研究。3) 在風速到達和超過額定風速時，在保證轉(zhuǎn)矩和功率不超限值的前提下，保證功率輸出穩(wěn)定，減少波動。通常采用兩個方法控制風輪的功率：一是控制變速發(fā)電機的反力矩，通過改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速來改變風輪的葉尖速比，使風輪工作在較低的功率系數(shù)點上；二是改變漿葉節(jié)距角，使葉片主動失速以改變空氣動力轉(zhuǎn)矩。這兩種方法都是可行的，且都對應(yīng)了比例積分控制和干擾調(diào)節(jié)控制等控制策略。這些控制策略都需要建立在模型分析的基礎(chǔ)上，理論性較強，是該項目開發(fā)研制中的一大難點。4) 偏航和扭纜限制方面需要考慮較優(yōu)的控制策略，防止風向波動造成的偏航頻繁啟動。5) 抑制可能引起機械共振的頻率。6) 電力參數(shù)檢測的快速故障判別。7) 控制系統(tǒng)的安全鏈設(shè)計。8) 控制策略和參數(shù)便于配置，能適應(yīng)不同的主機。9) 主控制器與其它部件的接口軟硬件需具備足夠的靈活性，可接入多種型號的其它部件。10) 風機參數(shù)辨識技術(shù)。11) 主控制器需小型化和輕量化，滿足機艙的安裝要求。12) 主控制器硬件需適應(yīng)風電機組內(nèi)的溫度、濕度、電磁和振動等環(huán)境，并能達到20年使用壽命。同時應(yīng)具有很高的可靠性，運行維護簡單，滿足無人值守的要求。13) 主控制器的電磁兼容等級比較高，需要在電磁兼容方面有更多的考慮。二、 項目內(nèi)容和實施方案1. 項目研究內(nèi)容1) 主控硬件架構(gòu)主控制器的硬件體系采用模塊化靈活可配的多層次架構(gòu)，最底層硬件為IO模塊，裝置級有兩種層次，較低層次的是IO擴展裝置，最高層次的是主控裝置，具體參見圖3。2) 主控邏輯總框圖主控邏輯軟件主要用IEC 61131-3語言編程實現(xiàn)，主體流程參見4。各主要功能研究內(nèi)容如下：a) 停機風機處于不運行的狀態(tài)，其主要的漿距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等都處于停止狀態(tài)；漿葉處于制動固定狀態(tài)。風機由停機狀態(tài)到開機狀態(tài)的轉(zhuǎn)換條件為接收到開機指令。b) 開機啟動風機的溫控和液壓系統(tǒng)并工作一定時間；當主控檢測到各部分（變漿系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、系統(tǒng)監(jiān)控、逆變系統(tǒng)）沒有故障、電網(wǎng)正常，且風速情況滿足一定條件并持續(xù)相當時間后，風機將松開剎車；當風機松開剎車后，開機狀態(tài)進入到自檢狀態(tài)。c) 自檢自檢過程包括，檢查偏航系統(tǒng)的各個位置開關(guān)；檢查變漿系統(tǒng)的各個位置開關(guān)。完成自檢后，邏輯轉(zhuǎn)入待機狀態(tài)。d) 待機待機狀態(tài)開始，漿距角將轉(zhuǎn)向45度角，以提高啟動轉(zhuǎn)矩；且隨著轉(zhuǎn)速的提高，不斷減小漿距角，使得風輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速的70%90%。該狀態(tài)下風機各部分都已就緒，但雙饋電機勵磁尚未建立，定子還未建立三相電壓。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速處于所整定的勵磁轉(zhuǎn)速窗內(nèi)一段時間后，邏輯由待機狀態(tài)轉(zhuǎn)為勵磁狀態(tài)；當風機處于帶機狀態(tài)持續(xù)一定時間，且始終不能滿足切入條件時，風機轉(zhuǎn)入關(guān)機狀態(tài)。e) 勵磁主控制器對逆變控制器下達起勵指令，逆變控制器開始轉(zhuǎn)子勵磁，并通過轉(zhuǎn)子勵磁的矢量控制調(diào)整，使得定子三相電壓的幅值、頻率和相位逼近電網(wǎng)；當定子電壓和電網(wǎng)完成同步后，逆變系統(tǒng)將勵磁完成指令反饋給主控制器。當主控制器接收到反饋指令后，狀態(tài)轉(zhuǎn)為并網(wǎng)。f) 并網(wǎng)主控制器接到勵磁反饋后，將下令逆變控制器投同期，逆變控制器開出投同期裝置，合主斷路器，完成風機并網(wǎng)。并網(wǎng)完成后逆變控制器反饋給主控制器并網(wǎng)成功節(jié)點信號，邏輯轉(zhuǎn)為低風速狀態(tài)。g) 低風速低風速下，主控制器執(zhí)行最大功率曲線跟蹤的控制。根據(jù)環(huán)境和風機自身狀態(tài)確定最大功率點，并向逆變控制器下達執(zhí)行命令。由低風速向高風速轉(zhuǎn)換的條件為特定風速點或者特定轉(zhuǎn)速。由低風速向切出轉(zhuǎn)換的條件為風速長時間低于某個數(shù)值或者發(fā)電量長時間低于某個功率下限。h) 切出切出過程中主控制器將給逆變控制器下達有功無功調(diào)到接近零的指令，并在合適的轉(zhuǎn)速條件下下達脫網(wǎng)指令，使主斷路器跳開，逆變控制器反饋切出成功的信號。當逆變控制器反饋切出成功的信號后，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機狀態(tài)，重新等待切入并網(wǎng)的時機。i) 關(guān)機2主控制器向逆變控制器下達滅磁指令，并投入剎車系統(tǒng)，當轉(zhuǎn)速為零后投入剎車固定系統(tǒng)。最終關(guān)閉溫控、液壓等系統(tǒng)，使得風機進入停止狀態(tài)。當相應(yīng)需要關(guān)閉的系統(tǒng)都成功反饋關(guān)閉后，邏輯進入關(guān)機狀態(tài)。j) 高風速高風速下，主控制器執(zhí)行變漿控制，且通過改變風輪功率曲線的工作點，來控制風機保持額定功率運行，防止風機過負荷。主控制器對漿距控制器下達變漿指令，并對逆變控制器下達功率或者轉(zhuǎn)速的指令。當風速大于某個上限或者轉(zhuǎn)速大于某個上限時，風機將脫網(wǎng)切出，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)機1。當風速小于某個值或者轉(zhuǎn)速小于某個值時，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低風速。k) 關(guān)機1主控制器將給逆變控制器下達有功無功調(diào)到接近零的指令，并同時變漿剎車。在合適的轉(zhuǎn)速條件下下達脫網(wǎng)指令，使主斷路器跳開，逆變控制器反饋切出成功的信號。而后主控制器向逆變控制器下達滅磁指令，并投入盤式剎車系統(tǒng)，當轉(zhuǎn)速為零后投入剎車固定系統(tǒng)。最終關(guān)閉溫控、液壓等系統(tǒng)，使得風機進入停止狀態(tài)。當相應(yīng)需要關(guān)閉的系統(tǒng)都成功反饋關(guān)閉后，邏輯進入關(guān)機狀態(tài)。3) 低風速控制策略由風輪機的功率輸出特性可知，一定風速情況下只有一個對應(yīng)的風輪轉(zhuǎn)速，能使風輪機的輸出功率達到最大。當在低風速下，風輪機的最大輸出功率不會超過發(fā)電機額定功率。如果能通過控制將風輪機的轉(zhuǎn)速調(diào)整到這個最優(yōu)的轉(zhuǎn)速，并且能隨著風速的變化而跟隨著變化，則風機將始終保持最大的功率輸出，這也就是低風速下最大功率跟蹤的問題。最大功率跟蹤的實現(xiàn)方式基本可以總結(jié)為以下兩種，此兩種方式當前都有實際的運用：a) 傳統(tǒng)的基于Kopt參數(shù)的最大功率跟蹤。b) 基于模糊算法的最大功率跟蹤。4) 高風速控制策略風力發(fā)電機組變速運行可使機組在風速大范圍內(nèi)變化時增加能量獲得，但是在高風速下，能量的獲取將受到機組物理性能的限制。風力機的風輪轉(zhuǎn)速和能量轉(zhuǎn)換必須低于某個極限值，否則發(fā)電機組各部分的機械和疲勞強度就受到挑戰(zhàn)。因此在高風速下，當風速做大幅度變化時，保持發(fā)電機恒定的功率輸出，并使得風力發(fā)電機組的傳動系統(tǒng)具有良好的柔性，是高風速時控制系統(tǒng)的基本目標。在這一運行區(qū)域，變速風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)主要是通過調(diào)節(jié)風力機的功率系數(shù)，將功率的輸出限制在允許范圍內(nèi)；同時適當使發(fā)電機轉(zhuǎn)速能隨功率輸入做快速變化，這樣發(fā)電機就可以在允許的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)持續(xù)工作并保持傳動系統(tǒng)良好的柔性。通常采用兩個方法控制風輪的功率系數(shù)，一是控制變速發(fā)電機的反力矩，通過改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速來改變風輪葉尖速比；二是改變漿葉的節(jié)距角以改變空氣動力功率系數(shù)，由圖可以看出通過調(diào)節(jié)漿距角就能調(diào)節(jié)功率系數(shù)，調(diào)節(jié)了功率輸出。對于定漿距風力發(fā)電機組，葉片與輪轂的連接是固定的，即葉片節(jié)距角不能調(diào)節(jié)。當風速大于風輪的設(shè)計額定點時，葉片自動將功率限制在額定功率一下，這樣的特性稱為自動失速調(diào)節(jié)。其優(yōu)點是不需要復雜的控制程序，葉片和輪轂之間沒有運動部件；缺點是風電機組的性能受葉片失速性能的限制，啟動風速較高，在風速超過額定值時發(fā)電功率有所下降。而變漿距風力發(fā)電機組的特點是：葉片的漿距角可以自動調(diào)節(jié)。風機啟動時，可以通過變距來獲得足夠的啟動轉(zhuǎn)矩；當風速高時，葉片可以沿縱軸方向旋轉(zhuǎn)，改變氣流攻角，從而改變風機功率系數(shù)，以保持一定的輸出功率。其特點是輸出功率穩(wěn)定，機組結(jié)構(gòu)受力小，停機安全；缺點增加了變漿距機構(gòu)，增加故障率，控制程序比較復雜。顯然，變漿距風力發(fā)電機更具有發(fā)展優(yōu)勢，變漿距調(diào)節(jié)提供了較好的輸出功率品質(zhì)。這里介紹通過改變漿葉節(jié)距角來限制功率系數(shù)，以滿足風力發(fā)電機運行是對各種物理量進行限制的要求。變漿距系統(tǒng)限制功率輸出的系統(tǒng)圖如圖5所示。5) 風電主控其他邏輯組成a) 偏航邏輯偏航系統(tǒng)使風輪始終處于迎風狀態(tài)，提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率；且當由于偏航作用機艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時，自動解除纏繞。其主要邏輯框圖如圖6。b) 液壓邏輯風電主控需要對液壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等進行控制。液壓系統(tǒng)主要用于風機的偏航驅(qū)動、變漿驅(qū)動（電變漿距除外）、剎車系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)的控制邏輯如圖7所示。當液壓系統(tǒng)壓力小于P1時，主控制器開出驅(qū)動油泵增壓，系統(tǒng)處于圖8所示狀態(tài)；當壓力大于P2時，主控制器開出停止油泵增壓，液壓系統(tǒng)由于正常泄露或者電磁閥工作而壓力不斷降低，系統(tǒng)處于狀態(tài)；當由于溫度升高等原因，壓力會超過P2，此時系統(tǒng)處于狀態(tài)；當壓力超過P3時，則主控制器開出控制旁路溢流閥開啟以降低系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)處于狀態(tài)。c) 溫控邏輯溫控系統(tǒng)則主要用于監(jiān)視逆變系統(tǒng)、風電機、變速箱、液壓系統(tǒng)等部件的溫度，并采用液冷、風冷或者加熱器來實現(xiàn)溫度的控制，保證風機在正常溫度范圍內(nèi)運行?？刂七壿嬋鐖D9所示。當溫度在正常的T2至T3范圍之內(nèi)時，溫控系統(tǒng)不啟動；當溫度低于T2時，主控制器開出控制加熱器工作；當溫度高于T3時，開出控制風輪或者液冷裝置冷卻；當溫度異常超出T1和T4的上下限時，主控制器告警，并執(zhí)行停機指令。6) 安全鏈設(shè)計風力發(fā)電機組的計算機主控系統(tǒng)設(shè)計時，對發(fā)電機組運行中，所有可預(yù)期的事故都能做出正確、迅速的響應(yīng)。所以一旦計算機主控系統(tǒng)檢測到一些極端條件發(fā)生時，能迅速作出相應(yīng)對策，使得風力發(fā)電機組處于一種安全的狀態(tài)，以此來有效保護風力發(fā)電機組。而安全鏈存在的目的是，作為計算機主控系統(tǒng)的一個有效后備。當計算機主控系統(tǒng)對極端條件響應(yīng)失敗時，能接管計算機主控系統(tǒng)，對嚴重或者潛在的致命故障迅速產(chǎn)生響應(yīng)，及時緊急停機，保護風力發(fā)電機組。它是獨立于計算機系統(tǒng)的最后一級保護措施。安全鏈設(shè)計時，將可能對風力發(fā)電機組造成的致命傷害的故障接點串聯(lián)成一個回路，一旦其中一個動作，將引起緊急停機反應(yīng)。安全鏈設(shè)計的原則是：1盡可能的獨立于計算機主控系統(tǒng)；2純硬接點搭建，當安全鏈作用時，沒有計算機或微處理器參與邏輯判斷和運算；3采用反邏輯設(shè)計。在安全鏈中的所有硬接點，當外部條件處于安全時，硬接點閉合，一旦外部條件處于極限時或者傳感器失效時，接點斷開，導致緊急停機。設(shè)計時一般將如下傳感器的信號接在緊急安全鏈中：手動緊急停止按鈕、計算機主控器看門狗、顯示葉尖擾流器的壓力繼電器、扭纜傳感器、振動傳感器、控制器DC24V電源失電、風輪過轉(zhuǎn)速或電機過轉(zhuǎn)速傳感器等。在緊急停機后，所有的繼電器、接觸器失電，發(fā)電機與電網(wǎng)解列（發(fā)電機主接觸器跳開），機械剎車與氣動剎車同時動作。在緊急停機后，只能手動復位才能重新啟動。2. 理論研究與試驗1) 建設(shè)風力Matlab及相關(guān)的仿真系統(tǒng)建立風輪機、變速箱、雙饋發(fā)電機和主控制器、逆變系統(tǒng)等的Matlab仿真模塊，在Matlab平臺上測試和驗證各控制策略，為實物模擬系統(tǒng)的建立做準備。2) 建設(shè)風力發(fā)電模擬系統(tǒng)，提供理論研究和試驗環(huán)境建設(shè)20KW風力發(fā)電模擬系統(tǒng)，根據(jù)風速、轉(zhuǎn)速、漿距和葉輪氣動特性計算捕捉風能，用直流電動機和變頻調(diào)速的同步電動機模擬葉輪輸入機械功率和轉(zhuǎn)動慣量，驅(qū)動雙饋異步發(fā)電機。3) 消化吸收引進主控制器技術(shù)在可能的情況下，獲取1.5MW風機主控制器源程序，消化吸收后開發(fā)1MW2MW自主知識產(chǎn)權(quán)的主控制器程序。4) 通過試運行工程實施，積累實踐經(jīng)驗。三、 項目風險性分析風電主控的技術(shù)難度主要體現(xiàn)在針對不同風機的控制策略和算法上，在其它輔助控制上，不同接口的程序適應(yīng)性在工程實施時難度也很大，很多廠家不愿提供詳細的葉片參數(shù)等數(shù)據(jù)信息，因此研究清楚并實施整套風電主控系統(tǒng)的難度很大，必將投入很多人力、物力并花費時間，而且工程實施難度非常大，工程經(jīng)驗要求高，另外為了獲得穩(wěn)定可靠運行，對主控各種零部件的選型、主控軟硬件設(shè)計也都提出很高要求。因此，解決這個技術(shù)風險的有效措施是尋求技術(shù)合作方，拿到成熟可靠并且通過運行驗證的源程序分析研究，或者是加強和主機廠家的合作，共同開發(fā)成熟的風力發(fā)電機組。四、 預(yù)期目標和成果1. 項目預(yù)期目標及水平開發(fā)出具有國際先進水平的變速恒頻風機主控系統(tǒng)。2. 成果形式1) 主控制器樣機2) 階段研究報告3) 生產(chǎn)調(diào)試用圖紙、資料、工藝文件、目標程序4) 開發(fā)過程文檔、源程序、編譯說明、產(chǎn)品標準5) 用戶文檔，包括說明書6) 檢測報告、試運行報告、現(xiàn)場試驗報告7) 相關(guān)專利8) 驗收報告第二部分 監(jiān)控系統(tǒng)子項目設(shè)計方案一、 設(shè)計方案以及應(yīng)達到的功能和關(guān)鍵技術(shù)指標采用一體化思路，將各機組測量控制信息、變電站監(jiān)控與公用信息集成到一個平臺上，現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)分三部分，分別是：1. 機組控制器網(wǎng)絡(luò)：單元機組控制器的相關(guān)信息通過該網(wǎng)絡(luò)接入；2. 變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（包括各種電網(wǎng)線路保護裝置、元件保護裝置）；3. 其它現(xiàn)場設(shè)備信息：硬接點信號由現(xiàn)場傳感器與執(zhí)行機構(gòu)由對應(yīng)的I/O通道接入中間控制器DPU組；智能設(shè)備由現(xiàn)場總線接入通信網(wǎng)絡(luò)。各個風電機組的控制器、升壓變電站電氣控制裝置根據(jù)對應(yīng)裝置通信接口的具體模式與通信網(wǎng)關(guān)通信，由通信網(wǎng)關(guān)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換與多裝置信息匯總，然后通信網(wǎng)管再與SCADA系統(tǒng)通信，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集以及控制功能。每套單元風電機組控制系統(tǒng)，通過實時數(shù)據(jù)網(wǎng)（10M/100M光纖以太網(wǎng)）與SCADA監(jiān)控系統(tǒng)連接，達到對現(xiàn)場所有單元機組監(jiān)控的目的。在這個系統(tǒng)中通信網(wǎng)關(guān)是橋梁，起到協(xié)議轉(zhuǎn)換與集中匯總的功能。SCADA系統(tǒng)接入所有單元機組、變電站與其它現(xiàn)場設(shè)備信息。AS可以實現(xiàn)必要的控制?；诂F(xiàn)場機組控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上的風電場實時運行信息管理系統(tǒng)目標是搭建一個風電場各項監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息共享、交換、傳輸平臺；提供遠程分布終端綜合監(jiān)測系統(tǒng)，風電場多協(xié)議中央監(jiān)控系統(tǒng)，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，故障診斷系統(tǒng)以及缺陷跟蹤系統(tǒng)。圖1 風電場監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖二、 項目內(nèi)容和實施方案1. 研究內(nèi)容的詳細說明主要研究單元風電機組人機接口HMI和監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)，風電場全場監(jiān)控系統(tǒng)屬于分散控制系統(tǒng)的范疇，需要多方的配合，應(yīng)放到電場建設(shè)初期去考慮設(shè)計和方案。1) 單元風電機組HMI實現(xiàn)單元機組的就地監(jiān)控和操作。提供所有機組重要運行畫面，數(shù)據(jù)一覽表，軟手操，數(shù)據(jù)記錄及存檔，報警等功能；記錄起動和停機過程中的參數(shù)；記錄風力發(fā)電機組的總工作時間、產(chǎn)出和消耗。2) 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)光纖以太網(wǎng)提供了高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸平臺，風力機組控制器應(yīng)采用雙以太網(wǎng)冗余構(gòu)架、MODBUS/IP協(xié)議，傳輸速率達100Mbps，最大傳輸距離為20KM。2. 單元機組HMI功能主要顯示機組工作狀態(tài)、功率曲線、運行畫面以及對應(yīng)的報表、趨勢與歷史數(shù)據(jù)存儲。HMI（人機操作界面）主要包括以下幾個方面：1) 顯示過程畫面用于單元機組的運行；風電機組的工藝過程畫面是以工藝過程為基礎(chǔ)?？紤]到操作、診斷、指導等各方面的要求而設(shè)計的過程監(jiān)視系統(tǒng)。HMI能綜合顯示字符和圖形信息，操作人員完全可以利用鼠標通過CRT的畫面實現(xiàn)對生產(chǎn)運行過程的操作和監(jiān)視。(每幅)畫面都能顯示過程變量的實時數(shù)據(jù)和設(shè)備的運行狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)和狀態(tài)在規(guī)定時間內(nèi)更新一次。數(shù)據(jù)或圖形的顯示隨過程狀態(tài)而變化。棒圖和趨勢圖可以在任意畫面的任意位置顯示?？刂葡到y(tǒng)的所有測點，包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、中間變量和計算值都可以在畫面上顯示。對每一個測點，還包括顯示位號、文字說明、工程單位、高低限值等。HMI提供的標準顯示畫面有報警顯示、趨勢顯示、成組顯示等。2) 過程趨勢顯示能夠提供1000點歷史數(shù)據(jù)的趨勢和1000點的實時數(shù)據(jù)的趨勢顯示。趨勢顯示可以用整幅畫面顯示，也可在任何其他畫面的任意部位以任意尺寸顯示。所有模擬量信號及計算值，均可設(shè)置為趨勢顯示。在同一幅CRT畫面上，在同一時間軸上，采用不同的顯示顏色，能同時顯示多個模擬量數(shù)值的趨勢。在一副趨勢顯示畫面里，運行人員可重新設(shè)置趨勢變量、趨勢顯示數(shù)目、時間標度、時間基準和趨勢顯示的顏色。每個實時數(shù)據(jù)趨勢曲線包括600個實時趨勢值，時間分辨率為0.5秒。時間標度可由運行人員選擇。趨勢顯示畫面還同時用數(shù)字顯示出變量的數(shù)值。3) 過程報警的處理過程事件報警發(fā)生在自動過程中，例如過程信號超出極限。4) 過程與系統(tǒng)事件的記錄所有記錄使用可編輯的標題，可按業(yè)主指定的格式，確定所有的記錄標題。記錄功能可由程序或運行人員指令控制。數(shù)據(jù)庫中具有的過程點均可以記錄。5) 歷史數(shù)據(jù)的歸檔與恢復在任何存儲媒介中存儲趨勢，記錄和標簽數(shù)據(jù)，可以支持三種存儲媒介：標準的磁盤，磁帶機或光盤，被存檔的趨勢及記錄數(shù)據(jù)可以很容易地被重讀到歷史站中，并可打印和顯示出來。6) 系統(tǒng)診斷可以把單元機組內(nèi)各個設(shè)備的結(jié)點狀態(tài)顯示出來，它們包括系統(tǒng)內(nèi)所有的控制，數(shù)椐采集和通訊模件，終端操作臺及電源系統(tǒng)。還可提供模件的狀態(tài)報告，該報告可列出各個IO點的故障、以便維護。3. HMI組成1) 操作站選用工業(yè)嵌入式計算機，板上集成Intel Pentium M處理器，12.1SVGA TFT LCD，鎂鋁外殼機架鋁合金壓模超薄設(shè)計，無風扇冷卻系統(tǒng)，前面板符合NEMA4/IP65標準，支持Microsoft Windows XP/CE.NET/XP Embedded，向下I/O接線，自動RS-485數(shù)據(jù)流控制，支持千兆以太網(wǎng)和高速以太網(wǎng)。2) 監(jiān)控組態(tài)軟件監(jiān)控軟件選用WIN CC視窗控制中心，特點如下：WINCC是SIEMENS公司與MICROSOFT公司共同開發(fā)的居于世界領(lǐng)先地位的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）軟件，它基于Windows NT操作系統(tǒng)，可中文環(huán)境運行，也可以西文環(huán)境運行。其性能、功能和開放性均達到當今工業(yè)控制的先進水平。WINCC是當今主流軟件之一，它不僅功能強大、易于使用、安全性好，而且全面開放、擴展靈活、性價比高，國內(nèi)外已有相當?shù)挠脩艋A(chǔ)，無技術(shù)風險。WINCC可與多種控制器和PLC無縫連接，既可滿足單元風力發(fā)電機組的要求，也能滿足全廠的監(jiān)控系統(tǒng)要求，避免重復投資。3) 通訊組件選用西門子CP系列通訊卡件，用于有 PCI 插槽的短 PCI 卡（32 位）。到PC 的數(shù)據(jù)傳輸速率 19.2/38.4 kbit/s；RS485、MPI/DP的數(shù)據(jù)傳輸速率 19.2 kbit/s 到 1.5 Mbit/s4. 關(guān)鍵技術(shù)及難點目前可做的、且沒有技術(shù)壁壘的就是HMI，主要用于顯示單元機組的運行狀態(tài)和過程畫面。風電場的監(jiān)控系統(tǒng)涉及眾多子系統(tǒng)，包括各單元機組的監(jiān)控、變電站系統(tǒng)監(jiān)控、以及其它電場設(shè)備等，規(guī)模大，系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)要求很高，需要風電場業(yè)主單位的配合，和所有設(shè)備供應(yīng)商提供必要的接口，以便系統(tǒng)互聯(lián)。三、 項目風險性分析技術(shù)風險主要來自于初始階段的技術(shù)要求及工藝流程，需要風機成套廠家提供必要的機組工藝及特性。研發(fā)進度風險，因為沒有對應(yīng)案例可借鑒，時間緊迫，存在一定風險。四、 預(yù)期目標和成果形式最后成果為適用于單元風機的人機操作界面，可實現(xiàn)單元機組的就地啟停操作、轉(zhuǎn)速控制、負荷控制、過程監(jiān)視等功能，同時為風電場全場監(jiān)控系統(tǒng)打下堅實的基礎(chǔ)。主要技術(shù)指標及技術(shù)標準：l 風力發(fā)電場運行規(guī)程DL/T 666-1999l 小型風力發(fā)電機組安全要求GB 17646-1998l 風力發(fā)電機組 安全要求 GB 18451.1-2001l 風力機設(shè)計通用要求 GB/T 13981-1992l 風力發(fā)電控制機組控制器 技術(shù)條件 GB/T 19069-2003l 風力發(fā)電機組 控制器 試驗方法 GB/T 19070-2003l 風力發(fā)電機組 驗收規(guī)程 GB/T 20319-2006l IEC61400-25：2006風力發(fā)電廠監(jiān)測和控制通信系統(tǒng)l 其他有關(guān)法規(guī)、標準、規(guī)范第三部分 變頻勵磁器子項目設(shè)計方案1 項目研究內(nèi)容實現(xiàn)目標1.1 本項目研究內(nèi)容為雙饋異步發(fā)電機的逆變器逆變器采用四象限逆變技術(shù)，可控制轉(zhuǎn)子電壓的頻率、幅值和相位，采用雙饋發(fā)電機矢量控制技術(shù)，獨立控制電機輸出有功功率和無功功率。電機轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時，電網(wǎng)通過逆變器向轉(zhuǎn)子輸入有功功率，該有功功率和機械功率一起從定子輸出到電網(wǎng)。電機轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子通過逆變器將部分機械功率輸出到電網(wǎng)。逆變器采用IGBT脈寬調(diào)制技術(shù)，并用諧波抑制算法最大限度減少電機輸出諧波分量。1.2 項目研究內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)和難點主控制器能正確控制風機在四種運行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。特別是外部環(huán)境惡劣、電網(wǎng)故障或者風機內(nèi)部故障等情況下，主控制器能安全保護風機正?；蛘甙踩C、緊急停機。要正確控制風機狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，需要首先界定每個狀態(tài)，對應(yīng)每個狀態(tài)下風機各部件的工作情況；其次要研究狀態(tài)之間的條件；最后需要研究轉(zhuǎn)換過程中的控制策略：1） 逆變系統(tǒng)在低速時，能接受主控制器的控制策略，跟蹤最優(yōu)葉尖速比。通常對轉(zhuǎn)速的控制是通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的控制來實現(xiàn)，其控制策略有兩種，分別是間接速度控制（ISC）和直接速度控制（DSC）。理論上DSC優(yōu)于ISC，但是兩種控制策略在實際運用中的效果和優(yōu)劣還需要加以研究。2） 逆變系統(tǒng)能通過解藕，分別控制有功無功輸出，提高發(fā)電質(zhì)量。分析以坐標變換為主導的矢量算法，分析以轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈調(diào)節(jié)為主導的直接轉(zhuǎn)矩控制算法，比較兩種算法的計算量大小、觀測器設(shè)計誤差度、對電機參數(shù)的依賴程度、考慮自主開發(fā)系統(tǒng)的魯棒性。3） 減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應(yīng)。4） 抑制可能引起機械共振的頻率。5） 電機參數(shù)識別技術(shù)。6） 雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)的柔性并網(wǎng)技術(shù)。7） 電網(wǎng)故障下對雙PWM控制器的保護動作與重新投運。8） 逆變器硬件需適應(yīng)風電機組內(nèi)的溫度、濕度、電磁和振動等環(huán)境，并能達到20年使用壽命。同時應(yīng)用具有很高的可靠性，運行維護簡單，滿足無人值守的要求。9） 逆變器的電磁兼容等級比較高，需要在電磁兼容方面有更多的考慮。 2 變速恒頻雙饋風力發(fā)電變頻系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1 變速恒頻雙饋風力發(fā)電變頻系統(tǒng)的工作原理 無刷雙饋電機是在20世紀初英國學者Hunt提出的自級聯(lián)異步電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。最初的無刷雙饋電機由2臺繞線式異步電機組成,2個轉(zhuǎn)子同軸連接，轉(zhuǎn)子繞組在電氣上直接相連,從而省去了滑環(huán)和電刷?，F(xiàn)在用于風力發(fā)電的無刷雙饋電機，其中一個定子繞組為功率繞組，向外輸出功率；另一個定子繞組為控制繞組，由變頻器供電，可以用較小容量的變頻器對較大功率的電機進行調(diào)速。無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠型轉(zhuǎn)子、凸極磁阻型轉(zhuǎn)子等四種類型。國際上對雙饋電機的研究也分為兩大流派。目前應(yīng)用于風力發(fā)電系統(tǒng)中的主要為鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組。變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)原理如圖1所示:變頻器fcfp1轉(zhuǎn)子側(cè)逆變電路網(wǎng)側(cè)側(cè)逆變電路轉(zhuǎn)子側(cè)控制器網(wǎng)側(cè)控制器電網(wǎng)fn風力機無刷雙饋發(fā)電機圖1 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)原理框圖 無刷雙饋電機的功率繞組和控制繞組的極對數(shù)不同，分別為Pp和Pc功率繞組直接連在電網(wǎng)上,因此它的頻率為電網(wǎng)固定頻率fp而控制繞組的頻率fc由變頻器控制，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反饋而變化。穩(wěn)定運行時電機轉(zhuǎn)速nr與Pp、Pc、fp及fc的關(guān)系為:nr=60(fp+fc)Pc + Pp 當nr變化時,通過改變控制繞組電流的頻率fc,即可使發(fā)電機的輸出頻率fp=50Hz保持不變,也就實現(xiàn)了變速恒頻運行。雙饋電機超同步運行時,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)方向相反,除定子向電網(wǎng)饋送能量外,轉(zhuǎn)子也經(jīng)過雙向變頻器向電網(wǎng)饋送部分電能；當亞同步運行時,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)方向相同,定子向電網(wǎng)饋送能量,而轉(zhuǎn)子需要從電網(wǎng)饋入能量,這樣定子的輸出頻率在超同步和亞同步情況下都能保持恒定。由于轉(zhuǎn)子和定子側(cè)都能向電網(wǎng)饋送能量，故稱為雙饋發(fā)電機。2.2 變速恒頻雙饋風力發(fā)電變頻系統(tǒng)的組成DFIG控制子系統(tǒng)主要由背靠背雙PWM型勵磁變換器和2個DSP控制芯片組成，為了提高運算速度和簡化設(shè)計，網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制部分分別選用一塊合眾達公司生產(chǎn)的SEED-DES2812仿真板，該仿真充分集成擴展了DSP320F2812的基本功能，方便電機控制，具體參數(shù)如下：(1)片上存儲器：FLASH： 128K 16位SRAM： 18K 16位Boot ROM: 4K 16位OTP ROM: 1K 16位(2)片上外設(shè)： PWM： 12路 QEP： 6通路 ADC： 28通道、12位、80ns轉(zhuǎn)換時間、03V量程 SCI異步串口：2通路 McBSP同步串口：1通道 SPI同步串口：1通道 eCAN總線：1通道 外擴SRAM，最大容量為512K16位，基本配置64K16位 外擴RTC實時時鐘+5128位EEPROM 外擴4通道、12位分辨率、10us建立時間、+10V量程的DAC輸出 外擴符合USB2.0標準的高速USB接口 2路SCI進行收發(fā)驅(qū)動，接口標準RS23/RS422/RS485可配置 1路eCAN進行收發(fā)驅(qū)動，符合CAN2.0協(xié)議 標準化的擴展總線2.3 硬件結(jié)構(gòu)在確定控制采樣信號的基礎(chǔ)上利用該仿真可以建立網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的控制硬件結(jié)構(gòu)如下：網(wǎng)側(cè)部分 數(shù)字量控制電路DSP總線 D/A輸出 (2)片上外設(shè)PWM： 12路QEP： 6通路A/D輸入：16通道SCI串口：2通路SPI串口：1通道McBSP：1通道TMS320F2812/150MHzSRAM (最大512K16位)(1)片上存儲器：FLASH： 128K16位SRAM： 18K16位Boot ROM: 4K16位OTP ROM: 1K16位RTC+EEPROMUSB2.04通道D/ACPLD光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換光電隔離光電轉(zhuǎn)換光電隔離光電轉(zhuǎn)換A/D8路光纖輸入4路模擬量輸出8路光藕輸出8路光藕輸入16路繼電器輸出16路繼電器輸入12路光纖信號輸出IPM驅(qū)動光電轉(zhuǎn)換板驅(qū)動信號光電轉(zhuǎn)換信號光電轉(zhuǎn)換IGBT驅(qū)動光信號輸入接口IGBT驅(qū)動電信號驅(qū)動保護光信號輸出接口IGBT驅(qū)動保護信號PWM復用IOPWM脈沖輸出QEP輸入A/D模擬量輸入CAN總線接口光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動保護光信號輸入接口IGBT驅(qū)動光信號輸出接口號6路交流電壓采樣3路交流電壓采樣7路A/D備用 圖2 網(wǎng)側(cè)硬件控制原理框圖網(wǎng)側(cè)控制板主要包含以下控制變量及參數(shù)選取 六路交流電流采樣，采用的電流傳感器為LT108-S7/SP8，參數(shù)：輸入額定電流為100A，測量范圍為0+150A，輸出額定電流為+50mA,轉(zhuǎn)換率為1/2000，工作電壓為+12-15V。（具體參數(shù)可參考說明書）。50mA采樣信號接入擴展板。 三路交流電壓采樣，一路直流電壓采樣，共4路電壓采樣，其中采交流電壓的傳感器型號選用LV25-800，額定電壓為800V，測量范圍為0+1200V，輸出額定電流為+25 mA。采直流電壓的傳感器型號選用LV100-1200，額定電壓為1200V，測量范圍為0+1800V，輸出額定電流+50mA。 用7路A/D通道最為備用。（備用通道的類型還不確定），所以是否考慮在擴展板上此7路備用做成電壓和電流可以通用的調(diào)整電路，通過跳線等方式來選擇是電壓還是電流通道。 4路D/A通道。從開發(fā)板CPU出來的4路電壓D/A，在擴展板上做4路電壓4路電流可選的D/A輸出。 3路電壓過零點檢測電路。輸入為0+5V的電壓信號，輸出為高低電平。過零點檢測的電路的閥值為定，0- 0+是高電平輸出。 六路PWM脈沖輸出采用光纖傳輸來控制IGBT驅(qū)動模塊。選用的發(fā)射頭是HFBR1521，波長600nm。 2路光纖開關(guān)量輸入，選用的接收頭是HFBR2521，波長600nm。轉(zhuǎn)子側(cè)部分 數(shù)字量控制電路DSP總線 D/A輸出 (2)片上外設(shè)PWM： 12路QEP： 6通路A/D輸入：16通道SCI串口：2通路SPI串口：1通道McBSP：1通道TMS320F2812/150MHzSRAM (最大512K16位)(1)片上存儲器：FLASH： 128K16位SRAM： 18K16位Boot ROM: 4K16位OTP ROM: 1K16位RTC+EEPROMUSB2.04通道D/ACPLD光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換光電隔離光電轉(zhuǎn)換光電隔離光電轉(zhuǎn)換A/D8路光纖輸入4路模擬量輸出8路光藕輸出8路光藕輸入16路繼電器輸出16路繼電器輸入12路光纖信號輸出信號光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動信號光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動保護光信號輸出接口IGBT驅(qū)動保護光信號IGBT驅(qū)動光信號輸入接口IGBT驅(qū)動電信號PWM復用IO輸出PWM復用IO輸入QEP輸入A/D模擬量輸入CAN總線接口2路光隔2路光隔電光轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換6路交流電壓采樣6路交流電流采樣4路A/D備用IGBT驅(qū)動光電轉(zhuǎn)換板驅(qū)動信號光電轉(zhuǎn)換信號光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動保護光信號輸出接口IGBT驅(qū)動保護光信號IGBT驅(qū)動光信號輸入接口IGBT驅(qū)動電信號PWM復用IO輸出2路繼電器輸出PWM脈沖輸出光電轉(zhuǎn)換IGBT接口圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)硬件控制原理框圖轉(zhuǎn)子控制板主要包含以下控制變量及參數(shù)選取 六路交流電流采樣，采用的電流傳感器為LT108-S7/SP8，其輸入額定電流為100A，測量范圍為0+150A，輸出額定電流為+50mA,轉(zhuǎn)換率為1/2000。（具體參數(shù)可參考說明書），50mA采樣信號接入擴展板。 六路交流電壓采樣，兩種電壓的傳感器型號可能不一樣，但他們輸出的信號應(yīng)該都是0+5V的電壓信號，然后通過與上面一樣的信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為DSP允許的03V的電壓信號。 4路A/D通道作為備用。（備用通道的類型還不確定），所以是否考慮在擴展板上此4路備用作成電壓和電流可以通用的調(diào)整電路，通過跳線等方式來選擇是電壓還是電流通道。 測速碼盤