雙饋風電機組控制系統(tǒng)國產(chǎn)化替代應用

文 | 劉彥東，關(guān)寶峰

技術(shù)

雙饋風電機組控制系統(tǒng)國產(chǎn)化替代應用

文 | 劉彥東，關(guān)寶峰

控制系統(tǒng)改造技術(shù)方案

一、改造原則

為保證被改造風電機組的安全，減少對機組發(fā)電量的影響，同時使改造具有一定的先進性和系統(tǒng)內(nèi)的示范性，特確定以下改造原則：盡量縮小改造范圍，利用系統(tǒng)原有部件，縮短改造時間，使改造費用科學合理；改造的核心是控制器件的通用性和擴展性更強；在未來三至五年內(nèi)，技術(shù)上不需要升級，采購上保證硬件有多家供應商可供選擇。

二、硬件改造

由于現(xiàn)場的主控裝置大部分安裝在機艙內(nèi)，想要整體更換機艙控制柜，需要打開機艙進行更換，面臨更換難度大、費用高的問題；塔底控制柜雖然比機艙柜更容易更換，但內(nèi)部電器元件都還可以使用。為了解決這個問題，利用主控系統(tǒng)原有的電氣設(shè)計，對以下硬件進行了改造：

（1）采用德國倍福公司最新的低溫型控制器CX5020，可在零下30℃正常運行。

（2）通信方式由原來的lightbus總線改為最新的EtherCAT總線通信方式。

（3）配套的人機顯示屏將具有零下20℃的低溫運行性能,圖形化、人機友好性得到較大提升。

（4）遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于風電場級的OPC Server，可實現(xiàn)多家SCADA系統(tǒng)的集中接入。

三、 硬件改造系統(tǒng)通信框架圖與優(yōu)點

溫型控制器CX5020，處理速度快，低溫性能好。

EtherCAT總線通信方式，通信速度更快，抗干擾能力更強。 圖形化人機界面，具有簡單易操作，分層合理，功能強大的特點。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于風電場級的OPC Server，具有傳輸速率快，運行安全穩(wěn)定的特點。（見圖1）

四、軟件改造

（1）功率曲線優(yōu)化，優(yōu)化最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線和額定轉(zhuǎn)矩的無擾動切換，保證風能捕獲效率最大，提高風電機組的發(fā)電效率 。

（2）增加變槳變增益控制，根據(jù)槳距角大小改變槳葉控制器的增益，達到維持額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定運行的目的 。

（3）增加轉(zhuǎn)矩阻尼控制，轉(zhuǎn)矩阻尼控制可明顯減小傳動鏈和塔架的振動，降低疲勞載荷，同時可減小變槳執(zhí)行機構(gòu)和葉片的載荷，延長機組的使用壽命。

（4）主控系統(tǒng)屏蔽自身電網(wǎng)故障，控制變槳系統(tǒng)快速順槳以穩(wěn)定發(fā)電機轉(zhuǎn)速，配合變頻器完成低電壓穿越。

（5）可用故障碼擴充，在故障執(zhí)行動作細分的基礎(chǔ)上，新程序故障碼的數(shù)量進一步增加，提高系統(tǒng)可靠性，以及在故障情況下排查故障源的能力。

圖1 改造后的系統(tǒng)通訊框架圖

（6）增加有功無功調(diào)節(jié)接口，按照國網(wǎng)接入的最新標準，根據(jù)風電機組調(diào)節(jié)特性在控制策略中增加有功調(diào)節(jié)和無功調(diào)節(jié)功能，并在SCADA中增加有功無功調(diào)節(jié)接口。

（7）控制參數(shù)可修改 ，一些關(guān)鍵的控制參數(shù)，以TXT形式存儲在PLC的CF卡中，每次PLC上電后讀取，同時可以通過人機界面對參數(shù)進行修改及存儲。

（8）偏航控制優(yōu)化，針對機組的風向和機艙位置測量及偏航驅(qū)動配置，改進偏航啟動和停止的邏輯，通過運行經(jīng)驗濾除風向偏差干擾，提高對風精度。

五、 風電場數(shù)據(jù)上傳解決方案

主控系統(tǒng)提供風電場級別的OPC server，集成所有主控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、遠程控制和有功無功調(diào)節(jié)接口。該數(shù)據(jù)集成架構(gòu)（如圖 2所示）采用國際標準的OPC規(guī)范開發(fā)，具備開放性、標準性和擴展性。OPC接口規(guī)范自1995年提出以來，在自動控制領(lǐng)域獲得了廣泛的認可和推廣，目前在風電場監(jiān)控領(lǐng)域亦已經(jīng)得到廣泛應用,常被用于報送上一級調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式要求中。

控制系統(tǒng)改造解決的問題

一、根據(jù)定子溫度自動限功率功能

針對一些風電機組在高風速下滿功率長時間運行會出現(xiàn)定子溫度高的故障而導致風電機組停機的問題，添加了當溫度升到一定的溫度值后自動限功率運行，當溫度降低到一定的范圍后慢慢增加運行功率直至滿發(fā)的控制策略。在風電機組改造后的運行過程中獲取的該策略生效時的運行曲線如圖2所示。

曲線中的最高風速為20m/s，最低為12m/s，滿功率運行時溫度很快上升到130℃附近，風電機組開始進行自動限功率控制，隨著溫度的下降后運行功率逐步上升，上升到1800kW左右后達到熱平衡則維持該功率運行。

二、優(yōu)化控制策略降低風電機組塔架振動

根據(jù)風電機組2012年歷史故障記錄分析發(fā)現(xiàn)，16#機組共發(fā)生機組塔架振動等級2故障239次，該故障發(fā)生原因為變頻器轉(zhuǎn)矩控制不與主控進行配合，同時原控制邏輯沒有考慮機組共振區(qū)，導致振動故障頻發(fā)，目前變頻器轉(zhuǎn)矩受主控轉(zhuǎn)矩指令控制，同時設(shè)定機組共振區(qū)（300-1000轉(zhuǎn)），能夠使機組起機運行時快速通過共振區(qū)，降低振動等級2故障的發(fā)生頻次。

三、恒功率控制策略

改造系統(tǒng)采用的Double PID耦合控制算法，在并網(wǎng)前后的暫態(tài)過程以及轉(zhuǎn)速位于額定轉(zhuǎn)速附近的動態(tài)過程中，相對于原系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩查表和變槳PID單獨作用的控制方式，耦合控制器可通過轉(zhuǎn)矩和槳距角的協(xié)調(diào)控制，明顯降低機組功率波動。改造后系統(tǒng)在滿發(fā)狀態(tài)下瞬時功率采樣錄波曲線如圖3所示。

四、增加轉(zhuǎn)矩阻尼，降低傳動鏈振動

風電機組運行中傳動鏈的振動對機組的壽命有嚴重的影響。傳動鏈的振動不僅體現(xiàn)在主軸、齒輪箱等機械應力的波動，而且其振動頻率與塔筒的二階頻率相同，也會引起塔架的高頻振動。

圖2 根據(jù)發(fā)電機定子溫度自動限功率運行曲線

圖3 現(xiàn)場瞬時功率曲線

圖4 轉(zhuǎn)矩加阻尼算法框圖

采用轉(zhuǎn)矩阻尼控制可明顯減小傳動鏈和塔架的振動，降低疲勞載荷，同時減小變槳執(zhí)行機構(gòu)和葉片的載荷，延長機組的使用壽命。轉(zhuǎn)矩控制的算法框圖如圖4所示。

五、便利的有功功率調(diào)節(jié)功能

原有主控系統(tǒng)遠程監(jiān)控有功功率調(diào)度功能不方便，需要進入每臺風電機組的遠程界面進行修改，恢復同樣需要進入遠程界面。改造系統(tǒng)在SCADA中開放了功率控制接口，通過遠程監(jiān)控界面，可以對單臺機組的有功輸出進行實時控制，也可以通過批量控制功能，對風電場所有的機組進行功率調(diào)節(jié)。圖 5為功率控制試驗測試曲線：圖5上圖為實時功率曲線（綠色）和發(fā)電機轉(zhuǎn)速曲線（橙色），進行功率調(diào)節(jié)的期間，轉(zhuǎn)速依然維持得很好。圖5中間的圖是給定轉(zhuǎn)矩，圖5中的下圖為實時風速，風速處于額定風速以上。測試結(jié)束后功率控制功能取消，有功功率也很快恢復了。

六、增加了低電壓穿越功能

原主控系統(tǒng)不具備低電壓穿越功能。改造主控系統(tǒng)在程序中加入了判斷進入低電壓穿越過程的條件及控制邏輯，配合具備低電壓穿越功能的變流器，可滿足國網(wǎng)公司提出的低電壓穿越要求，圖6為我國風電機組低電壓穿越要求示意圖，黃色區(qū)域為低電壓穿越過程中確保風電機組不脫網(wǎng)的運行區(qū)域。

七、完善的現(xiàn)地監(jiān)控人機界面

現(xiàn)地人機界面的主界面如圖 7所示，頂行顯示風電機組的運行狀態(tài)，右側(cè)為操作按鈕和機組關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)，點擊機組系統(tǒng)拓撲圖可觀察機組關(guān)鍵部件信息，底行是主目錄。采用分級登錄的方法限制操作權(quán)限，規(guī)避風險。

點擊主目錄中的“風電機組查看”，界面如圖 8所示。通過此功能可觀察所有傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的運行數(shù)據(jù)。

點擊主目錄中的“日志查詢”，風電機組運行日志如同飛機的“黑匣子”，存儲機組運行的重要信息，不僅有故障記錄，還有執(zhí)行機構(gòu)的動作記錄。

點擊主目錄中的“維護”界面。左側(cè)為機組部件維護操作目錄。每個操作界面具有醒目的操作反饋，不僅界面上有防止誤操作的功能，PLC控制程序中也有此功能。

點擊主目錄中的“參數(shù)設(shè)置”，左側(cè)為參數(shù)分類目錄。調(diào)試人員可以輸入新的參數(shù)值，并點擊“確定”按鈕后可將新的參數(shù)值寫入PLC控制器 。

八、優(yōu)化的SCADA系統(tǒng)和報表功能

SCADA系統(tǒng)的主界面。菜單欄主要包括“實時監(jiān)控”“歷史信息”“統(tǒng)計分析”和“幫助”。

圖5 有功功率調(diào)節(jié)現(xiàn)場測試曲線

圖6 低電壓穿越要求示意圖

圖7 人機界面主界面

圖8 風電機組信息瀏覽

圖9是單臺風電機組的監(jiān)控界面，包含實時運行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計信息的顯示、設(shè)備狀態(tài)、溫度統(tǒng)計、當前故障告警和遠程操作功能。

風電機組批量操作界面，可實現(xiàn)多臺機組進行啟動、停止、復位、限功率等操作。

“歷史信息”可查看報警信息、風速功率曲線、機組關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)和PLC記錄的SOE和故障錄播曲線。

“統(tǒng)計分析”包括：發(fā)電量統(tǒng)計、故障時間、限電時間、可利用率和故障次數(shù)統(tǒng)計。統(tǒng)計方式可以按日、月、年統(tǒng)計、自定義時長統(tǒng)計。

九、添加現(xiàn)地故障復位硬件按鈕

原控制柜體未提供故障復位按鈕，風電機組運行五六年之后現(xiàn)地人機屏有可能出現(xiàn)異常，導致人機界面無法進入，從而在現(xiàn)地無法復位故障，影響現(xiàn)地的故障處理。針對此問題，改造系統(tǒng)開發(fā)了啟動按鈕的復用功能，設(shè)計了2秒內(nèi)連續(xù)兩次短時間動作啟動按鈕作為故障復位信號，持續(xù)超過5s動作啟動按鈕作為風電機組啟動信號的功能。用于滿足現(xiàn)場的人機顯示屏出現(xiàn)異常后復位風電機組故障的需求。

控制系統(tǒng)改造后機組運行情況分析

一、機組運行情況

16#風電機組的改造工作自2013年8月25日開始，9月2日完成靜態(tài)和空轉(zhuǎn)調(diào)試，完成第一次限功率并網(wǎng)，9月7日開始滿功率運行，并進行控制參數(shù)的觀察和調(diào)節(jié)。9月23日開始全天候的不限功率運行。

二、風速功率曲線比較

改造后的16#風電機組的風速功率曲線與標桿機組18#的風速功率曲線進行對比，根據(jù)圖10可以看出16#機組的風速功率曲線要優(yōu)于18#。

控制系統(tǒng)改造后相比原系統(tǒng)的技術(shù)特色

新系統(tǒng)相比原Dewind主控系統(tǒng)有以下幾大優(yōu)勢：

1.新系統(tǒng)采用EtherCAT總線通訊方式，相比于原系統(tǒng)的Lightbus總線方式更加穩(wěn)定，傳輸速度更快，抗干擾能力更強。

2.新系統(tǒng)在參考原主控參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用了兩頭恒轉(zhuǎn)速控制，中間最佳葉尖速比追蹤的控制算法，相比于原系統(tǒng)的查表法拓寬了最佳葉尖速比控制的風速范圍，提高了風能吸收效率，實測風電機組發(fā)電量比原系統(tǒng)有所提高。

圖9 單臺風電機組監(jiān)控界面

圖10 改造后16#與18#風速功率曲線對比

3.對機組的高頻故障進行了針對性的優(yōu)化，降低了機組塔架振動大和定子溫度高故障發(fā)生率，提高機組的可利用率。

4.新系統(tǒng)人機界面友好，圖形化、全中文、方便了風電一線維護人員操作。

5.新系統(tǒng)采用通用PLC，穩(wěn)定性較原來的工控機更強，不易死機。新系統(tǒng)采用最新一代的5000系列，在今后很長一段時間內(nèi)國內(nèi)的供貨都能有效保證，且供應商眾多，利于供應鏈管理。

6.新系統(tǒng)核心控制硬件架構(gòu)先進，關(guān)鍵性能好。BECKHOFF 5000系列PLC，CPU主頻1G，計算能力出色，使得今后進行復雜算法擴展成為可能。此外，該系列PLC低溫特性好，具備零下25℃無外界加熱自啟動性能。

7.新系統(tǒng)具備低電壓穿越功能和有功無功調(diào)節(jié)接口，軟件接口開放，采用國際通用的OPC規(guī)范提供對外數(shù)據(jù)接口，方便數(shù)據(jù)上送和接入其他監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成利用。

8.新系統(tǒng)事件日志功能增強（SOE和故障錄波）。改造后的系統(tǒng)本地可顯示的歷史事件記錄數(shù)據(jù)將增加到1000條，并可根據(jù)需要進行增減。同時系統(tǒng)提供故障前40秒，故障后10秒，50ms間隔的自動錄波功能。

9.新的風電場SCADA系統(tǒng)更為先進，操作簡便，功能齊全，便捷靈活的統(tǒng)計報表功能。原有DeWind主控的SCADA系統(tǒng)是基于Excel編程，無可視化界面，數(shù)據(jù)刷新慢，且無報表統(tǒng)計功能。

結(jié)語

機組進行了多項運行測試和功能測試實驗，優(yōu)化了機組的功率運行曲線，完成了維護模式下的偏航、變槳校正，遠程無功調(diào)度等功能性實驗，機組軟硬件和可靠性得到了檢驗，此外還具備原有系統(tǒng)所不具備的以下優(yōu)勢：

1.硬件設(shè)備性能先進，低溫性能好，便于維護。其中主控PLC性能先進，處理能力強，且不易死機，維護量小。人機顯示界面采用觸摸屏操作，全中文顯示，圖形化界面，人機交互友好。

2.遠程監(jiān)控性能提升。在原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)通信采用國際通用的OPC規(guī)范，提供對外數(shù)據(jù)接口，方便數(shù)據(jù)上傳到遠程集控中心。

3.控制算法優(yōu)化升級。額定風速以下的功率較原有機組有一定的提升，更貼近原系統(tǒng)設(shè)計功率曲線，同時并網(wǎng)和額定風速附近的轉(zhuǎn)速波動降低。

4.程序邏輯功能升級，故障處理時間記錄功能增強。從風電機組運行維護的角度，根據(jù)實際需求，增加或修改了若干功能，提高了運行可靠性和易維護性。

5.具備通過遠程系統(tǒng)實現(xiàn)整體有功功率控制的功能，接入遠程AGC/AVC功率調(diào)度系統(tǒng)進行功能集成。具備低電壓穿越功能，可滿足國內(nèi)最新的低電壓穿越標準要求。

（作者單位：中廣核新能源控股有限公司內(nèi)蒙古分公司）

攝影：王志遠