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风力发电机 |
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贝加莱WTC风电主控系统 |
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作者：贝加莱工业自动化（上海）有限公司 |
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摘要：该文概述了风力发电设备对控制系统的要求，介绍了以B&R系统为背景的风电解决方案。重点描述了基于APROL（ DCS）的风电场监控系统和基于X20 PCC及其分布式I/O模块、POWERLINK工业实时以太网和WTC软件包的风机主控系统。其中，对风机单机SCADA系统、风机仿真模型和风电安全系统等也进行了全面的介绍。
关键词：B&R的风电解决方案；WTC风机主控系统；风电场监控系统；风机主控软件包；风机仿真模型
B&R’s Wind Power Master Control System Based on WTC
1. 应用背景——日益增加的新能源需求和迅速发展的风电技术
风力发电正在中国蓬勃发展，随着能源环保问题的加剧，绿色的风力发电越发得到国家重视，投入不断加大，最近几年，风力发电保持着每年30％以上的强劲增长势头。
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。
2. 风力发电设备对控制系统的需求
2.1 高标准的现场环境适应性
当今，基于全球对清洁能源的重视，各个国家都在建设风场，风机的安装地点十分广泛，北半球、南半球、陆地、海洋，只要有合适风资源的场所就可安装风机，这对风机中的器件提出了很高的要求，作为风机运行的大脑——控制系统来说，同样不例外：宽温，抗震，防腐蚀、电磁兼容性好等几方面成为了最基本的要求。
贝加莱在风机主控系统中采用的X20系统，在产品设计之初就考虑了这些需求，除了通过标准的CE,C-UL-US,GOST-R等认证外，我们的产品在德国TUV实验室做了HALT（高加速寿命）测试，测试结果表明，X20系统的操作极限温度可达到: -70°C～100°C，振动极限可达到55g(RMS)。此外针对海上风机对于防盐碱、防潮气等方面，X20所有模块均进行了特殊处理；同时X20系统的MTBF时间可达到50万个小时，这些指标从硬件方面都已完全满足了现场提出的高标准要求，X20系统在各行各业的实际应用情况也都证明了这一点。
2.2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：
2.2.1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，变桨距、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。
2.2.2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。
2.2.3 All In One的设计理念——Automation Studio™集成软件开发平台
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。
2.3 Matlab/Simulink风力发电控制器代码自动生成
风能利用是一个系统工程，涉及到了气象学、流体力学、固体力学、电力电子、机械工程、材料工程等多种学科和专业，许多部件都能建立起相应的数学模型，而MATLAB是建模、仿真的常用工具软件，贝加莱的Automation Studio中集成了Matlab/SIMULINK的接口，这将大大减少工程设计人员的编程调试时间，降低现场调试费用。
从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。
2.3.1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
2.3.2 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。
2.3.3 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。
2.3.4 贝加莱仿真模型的合作伙伴---德国风能研究所（ISET）
ISET成立于1988年，是一家同Kassel大学合作的德国非营利性研究所。主要从事可再生能源战略应用方面的项目研发，目前有75%的员工集中于风电领域的项目研发，大型风电场的并网是其中一个重要研究内容；他在风机模型方面也积累了丰富的知识和经验，贝加莱在2007年进入风电领域之初，就和ISET建立起了合作关系，通过ISET的支持，我们可以很快的对某一风机建立起真实、准确的仿真模型，并且通过MATLAB/Simulink接口，直接导入Automation Studio，在开发阶段就可完成大部分的参数诊定、程序测试等工作，并且通过这个模型可以自动生成变桨、扭矩控制算法。
3 基于B&R系统的风电解决方案
在风电领域，贝加莱可提供包括风电场全场监控系统（APROL）、风机主控系统(X20)、单机SCADA系统(JAVA)等全套解决方案。
3.1 APROL风电场监控系统
3.1.1 监控系统的构成
APROL系统是一套早在1983年就推出的DCS系统，它充分利用了近年来计算机、网络、数字通讯技术的发展，结合工控各行业的工艺要求，目前已在石油天然气、石化、化学工业、电力能源、环保、轨道交通、冶金、建材等工控各个领域有了大量的应用。
目前APROL最新版本是3.6版，它充分吸收了其它家DCS系统的众多优势，如系统的稳定可靠性、良好的用户界面、丰富的库函数等，同时也克服了传统DCS系统的诸多不足，具有系统灵活开放、高效的开发环境等特点。
风力发电场相当于一个具有多个有功功率和无功功率可调并实时变化的发电单元的系统，风力发电场及其各个风力发电机组是一种整体与部分、宏观与微观的关系。因此，在单台风机控制系统的基础上，设计合适的风电场级的DCS系统，监测风电场内各台风机的运行数据，通过历史运行数据预测未来不同时段风电场的功率变化，并根据电网调度指令调节风电场的有功功率和无功功率输出，以保证风电场安全、稳定、符合要求地 运行。除风力发电机组之外，风电场DCS系统可以兼容或接入风电场的升压变电站、气象观测站的监控系统，提高风电场监控的集成度。
与传统的风电场中央监控系统相比，APROL风电场DCS系统将由以下三个功能组成部分：
（1）实时监控（SCADA）
（2）能量调度与管理（PDM）
（3）功率预测管理（PFM）
3.1.2 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：
（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，各个传感器的输入、I/O模块、CPU、甚至软件中的中间变量都可以被远程监控到。
（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。
3.2 风机主控系统
3.2.1 X20分布式控制系统
在风机主控系统中贝加莱主要采用了开放性好、集成度高、配置灵活、性能突出的X20分布式系统，X20系统基于PC-Based技术，CPU单元采用最新的Intel Celeron处理器，最快的循任务环周期可达200 μs；且所有CPU单元都标配了USB、RS232以及以太网接口，支持各类主流的现场总线技术，如Profibus-dp，Modbus/tcp，Canopen等；主CPU、I/O站以及安全系统间均采用Ethernet powerlink工业实时以太网，各I/O模块采集到的信号可以实时到传送到主CPU进行条件判断及处理；此外变流器设备、变桨系统、智能传感器、CMS系统均可以通过通讯的方式实时采集到主CPU中；对上位软件方面，X20系统也提供了丰富开放的接口：OPC、Dll、web、ftp等。以上所有的配置及调试均在AS3.0--一个统一的开发平台下完成。
MW级风机主控系统的典型网络拓扑图
X20系统中还具备了一些时候风机控制系统的特殊模块，如测量有功、无功、相位角的X2OCM0985电力测量模块；带有示波器功能的AI/AO模块；光纤中继器模块：X20BH模块；PWM输出模块：针对逆变器的控制的专用模块等。
X20CM0985电力测量与并网同步专家模块
3.2.2 风机主控软件包（WTC Package）——核心软件包
风机主控软件包是由贝加莱公司资深算法工程师、软件工程师组成的研发小组，在分析和消化了目前的一些风机控制软件的设计，历时2年所完成的一套软件包，目前已有部分国内外客户在使用该软件包，获得了很好的使用反馈，以下几点是该软件包的设计理念：
（1）基于 标准化IEC61131-3语言开发： 结构化文本（Structured text）
（2）软件结构由一些小部分组成并接口清晰（模块化结构）：
●便于添加/修改/移除单个部分
● 便于维护
●便于测试
●测试过部分代码的复用
●适用与多种机型（双馈、直驱）
（3）软件修改和下载无需重启
（4）集成完整的 I/O 诊断 – 可以运行时维护
（5）高度参数化 – 参数修改不会引起跳变
利用模块化的结构，再加上贝加莱产品的定性分时多任务系统以及集成AS开发平台，可以快速的完整一套风机系统的主控软件设计与开发工作，这一方案的优势在国内外几个合作项目中都得到了很好的体现。
3.2.3 风机单机SCADA系统（基于Java技术）
风机单机的SCADA系统主要实现以下几类功能
（1） 风机整机和各部件的实时数据信息
▪ 状态信息 ▪ 温度信息 ▪ 转速信息▪ 电气信息▪ 环境信息
（2）风机各项统计数据信息
▪ 10分钟平均数据 ▪ 事件数据▪ 分析数据
（3）风机控制
▪ 停机、开机、复位、维护 、参数设定 ▪ 有功功率调节 ▪ 无功功率调节
基于上述需求，开发了基于web技术的开放式单机SCADA系统，除了主控柜上的HMI可以显示和操作此界面外，任何一台可以连接到主控PLC的计算机通过IE即可调用出此界面，实现瘦客户端的SCADA系统，通过最新的IT技术实现了远程维护和管理功能，其主界面如下图所示。
3.2.4风机仿真模型
如前所述，在获得客户提供的一系列有关机组的具体参数后（贝加莱会提供参数列表），贝加莱可根据这些参数提供出一套基于MATLAB/Simulink技术的仿真模型，该模型将以可运行在AS中的库函数形式提供，同时有该模型还将自动生成和此机型有关系的变桨扭矩控制器，通过这样的模型，可以直接对主控程序进行仿真调试。
3.2.5风电安全系统
风机的安全链设计中可通过安全继电器回路或者集成式的安全模块两种方式来实现，两种模式均各有特点，但集成式的安全系统无疑是未来的趋势。
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。
如主控系统拓扑图所示，贝加莱的方案可采用集成的安全系统，所有安全模块可安装在系统的任何一处。同时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。
3.2.6 远程诊断和维护
（1）远程维护是系统必需的设计
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。如果一套系统能够提供丰富的远程维护和监控手段，将大大降低风机的调试及维护成本，而贝加莱的方案在这方面为客户提供了多样的选择。
（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。
●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。
●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。此外基于JAVA的单机scada系统也可通过IE来做访问。
●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。
●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。
●GSM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。
3 结束语
如今，贝加莱的WTC风电控制包已经在多家风电设备制造商的（约数百台）设备上运行，且稳定可靠，同时还满足了客户批量化生产、调试以及代码复用、移植等需求。
WTC不仅仅是一个软件包，更重要的它也是一个平台，对于自主研发控制系统的风机制造商而言，WTC的模块化设计为风机厂商依据自身需求而调整设备的控制提供了极大的便利，这得益于WTC的开放性代码设计。在这个基础平台上，风机厂商可以根据需要增加和减少组件以适应各种应用环境的需求。WTC满足了自主研发风电主控平台的需求，使得国内风电制造商可以凭此快速掌握风机控制的核心技术，为长远的技术发展奠定基础，并在未来的国际竞争中处于领先位置。
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(9/13/2011) |
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