淺談海上風機控制器設計標準體系及關鍵需求

姜智銳，徐少文

（上海中廣核工程科技有限公司，上海 2002411）

0 引 言

風機控制系統是風力發電機組關鍵技術，能夠控制并監測風電機組安全可靠地運行，大多數國內風電主機廠利用國外的控制器產品做集成，而控制系統中關鍵的核心零部件——風機控制控制器仍然以進口為主[1-2]。為此，國家發展改革委、國家能源局印發關于《能源革命技術創新行動計劃（2016—2030年）》的通知中，要求聚焦能源裝備制造“卡脖子”問題，加快控制系統研發，實現跨越式發展。

以往更多是研究風機控制系統的功能，而對于風機控制器需求研究相對較少，尤其是國產化風機海上控制器功能需求就更少。本文為研究適用于海上風電機組的風機控制器設計需求，從海上風電相關標準體系和主流海上風機控制器幾個方面進行綜合分析，得出海上風機控制器設計和驗證的關鍵需求。

1 海上風機控制器主流產品分析

目前，國內市場風機整機廠家配套的海上風機控制器為國外進口產品，如MITA公司的WP4200控制器，Beckhoff公司的CX2040嵌入式PC， BCAHMANN公司的MC220風電專用PLC系統。主流海上風機控制器性能對比見表1。

表1 主流海上風機控制器性能對比表

2 海上風機控制器設計/驗證標準體系

開發海上風機控制器要充分調研分析相關國家標準和行業標準要求。通過對國內外相關標準分析，形成海上風機控制器設計和驗證標準體系（圖1），共分為3層。第一層：風力發電機組設計要求，主要執行標準為《風力發電機組 設計要求》（GB/T 1845.1）；第二層：不同類型風力發電機組的控制系統標準要求，主要執行標準為《風力發電機組 控制系統 第1部分：技術條件》（GB/T 25386.1—2021），該標準是針對當前主流的雙饋變槳距風機控制系統的技術條件，對于老舊失速型風機控制系統，可參照《風力發電機組 控制器 技術條件》（GB/T19069—2003）、《風力發電機組 控制器 實驗方法》（GB/T19070—2003）等標準；第三層：海上風機發電控制器設計及試驗驗證標準，主要包括風機控制器硬件設計執行標準、風機控制器軟件設計執行標準和風機控制器測試驗證標準。

圖1 海上風機控制器設計/驗證標準體系

將主流海上風機控制器產品性能需求同海上風機控制器設計和驗證標準體系要求進行對比，其中差異項見表2，表2中的主流海上風機控制器指標相比標準體系要更苛刻和明確。

表2 主流海上風機控制器同標準體系需求差異

3 海上風機控制器關鍵需求分析

按照海上風機控制器標準體系梳理需求，同海上風機控制器主流產品性能進行綜合分析得出海上風機控制器設計和驗證的關鍵需求。

3.1 環境適應性需求

環境適應性需求，按照相關標準共包括環境條件、環境試驗和耐久性評價等需求項，各執行內容及標準如下。

（1）環境條件包括工作溫度、貯存溫度、運輸溫度，具體需求參見表2中的指標執行。

（2）環境試驗包括低溫試驗、高溫試驗、溫度變化試驗、濕熱試驗、鹽霧試驗、霉菌試驗，試驗按照《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法》（GB/T 2423.1—2008—GB/ T2423.101—2008）系列標準執行。

（3）環境耐久性評價與試驗包括耐低溫試驗、耐高溫試驗、耐濕熱試驗、耐交變鹽霧試驗、耐霉菌試驗，試驗按照《海上用風力發電設備關鍵部件環境耐久性評價 控制系統》（NB/T 31135—2018）標準執行。

3.2 電磁兼容需求

風機控制器電磁環境復雜，需要重點關注電磁兼容需求，PCB（印制電路板）要可靠接地，可以有效抵抗脈沖群干擾，所有控制電纜選用帶屏蔽層的多芯電纜，增強抗干擾能力，滿足靜電放電抗擾度試驗、射頻電磁場輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、浪涌（沖擊）抗擾度試驗、振鈴波抗擾度試驗要求，電磁兼容試驗按照《電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》（GB/T 17626.2—2018）、《電磁兼容 試驗和測量技術 振鈴波抗擾度試驗》（GB/T 17626.12—2013）等系列標準執行。

3.3 可靠性需求

相對于陸上風機控制器，海上風機控制器對于可靠性和安全性有著更高的要求，電源模塊、CPU模塊、通信模塊、信號采樣及主控模塊等都需要進行冗余設計。為了滿足海上風機對可靠性、高效性和安全性的要求，需要為風機主控系統設計冗余控制解決方案，從而提高風機主控系統的穩定性、可靠性，實現海上風機運行維護工作由被動故障維修向主動按需維護的轉變。同時，控制器冗余技術中的同步特性和快速切換特性，可以實現在不影響風機生產的情況下對海上風機控制器進行遠程系統維護和軟件更新的功能，使風機控制系統更加高效、智能。

按照《海上風力發電主控系統技術規范》（NB/T 31043—2012）的要求，海上風機控制器中與安全保護功能有關的單個元器件的失效不應導致安全保護功能失效。

按照《失速型風力發電機組 控制系統 技術條件》（GB/T 19069—2017）的規定要求，與安全保護系統功能有關的單個元器件（如傳感器或制動器）的失效，應不會導致安全保護系統的失效。兩個獨立元器件同時失效可歸入不可能事件，因此不予以考慮。如果兩個或多格元器件相互關聯，則它們同時失效可視為單一失效。

就可用性和可靠性而言，對安全保護系統各個元器件應有最高的技術要求。按照《海上風力發電主控系統技術規范》（NB/T 31043—2012）的要求，元器件和材料應滿足以下要求。

（1）元器件應盡量采用耐濕熱型元器件，其耐濕熱性能符合《船用低壓電器基本要求》（GB/T 783—2008）中第7.1.1.2條規定的要求。

（2）印制板、插件等部件，在焊接完成后，必須無脫焊、虛焊、元件松脫或緊固件松動等現象。

（3）除陶瓷材料外的所有固體絕緣材料都應具有耐燃性，即部件經灼熱絲實驗（或焰針試驗）后不起燃，或即使發生起燃，燃燒及灼熱在一開灼熱絲（或針焰）后的30 s內能完全熄滅且指示娟紙不起燃。同時，所有塑料部件應具有滯燃性，即經過滯燃試驗后，這些部件燃燒或損壞部分的長度不大于60 mm。

（4）所有裸露部分導體、連接頭、端子排均應做相應的防腐、防潮處理。

（5）所有裸露部分電路板、焊接點均應做相應的防腐、防潮處理。

3.4 海上風機控制器功能需求

為實現風電機組的主控系統與監控系統接口完成風機實時數據及統計數據的交換，與變槳控制系統接口完成對葉片的控制，實現最大風能捕獲及變速運行，與變流器系統接口實現對有功功率及無功功率的自動調節。海上風機控制器具有以下關鍵功能需求。

3.4.1 通信需求

通信方式應采用下列方式的一種或幾種[3]。

（1）海上風機控制器應能提供CANOpen、Profibus等接口，與變流器、變槳系統通信周期不大于20 ms。能提供100 M/1 000 M光纖以太網接口，支持下述一種或多種協議：IEC 61400—25、IEC 60870—5—104：2006、ModbusTCP、OPC等。

（2）按照海上風機控制器設計/驗證標準體系，通信按照《海上風力發電機組主控制系統技術規范》（NB/T 31043—2012）、《雙饋風力發電機組主控制系統技術規范》（NB/T 31017—2011）、《直驅永磁風力發電機組主控制系統軟件功能技術規范》（NB/T 31103—2016）標準執行。

3.4.2 時鐘需求

海上風機控制器應設有硬件時鐘電路，在失去電源的情況下，硬件時鐘應能正常工作，精度應滿足24 h誤差不大于±5 s，并支持校時功能，時鐘功能需滿足《海上風力發電機組主控制系統技術規范》（NB/T 31043—2012）標準要求。

3.4.3 保護功能需求

風機控制器應具有保護功能包括過電流保護、缺項保護、接地故障保護、過溫保護、過電壓、欠電壓保護、通信故障報警、浪涌過電壓保護及防雷保護[4]，相關保護功能要符合《海上風力發電機組主控制系統技術規范》（NB/T 31043—2019）、《雙饋風力發電機組主控制系統技術規范》（NB/T 31017—2011）標準要求。

3.4.4 故障信息記錄需求

海上風機控制器應能自動在本地存儲器記錄不少于128項指定的最近發生的故障信息，保留時間不少于6個月，分辨精度至少應達到5 ms以便事后故障的再現和分析，故障信息記錄滿足《海上風力發電機組主控制系統技術規范》（NB/T 31043—2019）標準要求。

3.4.5 事故追憶記錄

記錄分故障前和故障后兩時段，兩個時段的長短和采樣間隔應可調整。追憶記錄采樣速率不大于1次每秒。記錄時間長度不少于120 s，其中事故前不少于60 s，事故后不少于30 s。數據記錄主要條目應滿足《直驅永磁風力發電機組主控制系統軟件功能技術規范》（NB/T 31103—2016）、《海上風力發電機組主控制系統技術規范》（NB/T 31043—2019）標準要求。

3.4.6 冗余需求

海上風機控制器應采用冗余技術，具備冗余的硬件或功能模塊有電源模塊、CPU模塊、通信模塊、信號采樣及處理模塊，冗余需滿足《海上風力發電機組主控制系統技術規范》（NB/T 31043—2019）標準要求。

3.4.7 供電需求

海上風機控制器及由外部供電的I/O模塊的輸入電源的額定值和工作范圍應滿足《可編程序控制器第2部分：設備要求和測試》（GB/T 15969.2—2008）標準要求。

3.4.8 數字量/模擬量輸入輸出需求

數字輸入/輸出應按照《可編程序控制器 第2部分：設備要求和測試》（GB/T 15969.2—2008）的規定要求，數字輸入/輸出應在給定的限值之內工作。

模擬量輸入/輸出、信號范圍及阻抗的額定值應符合《可編程序控制器 第2部分：設備要求和測試》（GB/T 15969.2—2008），規定的要求。

3.4.9 CPU和系統內存需求

隨著風電控制程序中邊緣計算的需要，主頻應更高，內存更大，CPU頻率達到1.6GHz左右，系統內存2GB及以上，以滿足風機控制模型仿真等計算速度要求。

3.4.10 存儲空間需求

海上風機控制器具備4GB的FLASH內存，并根據用戶需求通過CF卡擴展存儲空間；海上風機控制器具有512 KB左右的板載掉電存儲，甚至具有1MB的板載掉電存儲。

3.4.11 自檢和診斷功能

按照《可編程序控制器 第2部分：設備要求和測試》（GB/T 15969.2—2008）的規定要求，控制器應提供系統的運行實行自檢和診斷的手段。這種手段應是風機控制器的內置服務或為實現預期應用而推薦的方法。

（1）監控用戶應用程序的手段[如監視（看門狗）定時器等]。

（2）檢驗存儲器完整性的硬件或軟件手段。

（3）檢驗存儲器、處理單元和輸入/輸出模塊之間所交換的數據正確性的手段（如應用程序回送檢查）。

（4）檢驗電源單元不超過硬件設計所允許的電流限值和電壓限值的手段。

（5）監控主處理單元（MPU）狀態的手段。

（6）永久性安裝的控制器系統應能在報警輸出上給出報警信號。當檢測到系統“功能正常”時，該報警輸出端應處于預先確定的狀態。在其他情況下，則應處于相反的狀態，制造廠應規定“功能正確狀態”的條件，以及為驅動該報警輸出而執行的自檢的條件。

（7）遠程輸入/輸出站（RIOS）在掉電或者不能與主處理單元（MPU）正常通信的情況下，應能在報警輸出上（例如，通過一個數字輸出模塊）給出報警信號，并進入預先規定的狀態。

3.4.12 結構需求

外殼溫度應滿足《可編程序控制器 第2部分：設備要求和測試》（GB/T 15969.2—2008）標準限制條件；機械強度應滿足《電氣控制設備》（GB/T 3797—2016）要求，工藝防護要求滿足《熱帶電工產品通用技術要求》（JB/T 4159—2013）要求，防護等級至少達到IP20，滿足GB/T 15969.2—2008標準要求。

4 結論

本文通過分析主流海上風機控制器產品性能指標，梳理海上風機控制器設計和驗證標準體系，總結出海上風機控制器設計的關鍵需求，并有如下結論。

（1）研究得出海上風機控制器4個方面的關鍵需求：環境適應性、電磁兼容、可靠性和功能性方面的需求，分析得出海上風機控制器設計和驗證關鍵需求，可作為自主化海上風機控制器設計的重要輸入，對國內新能源業界開發海上風機控制器具有重要的指導作用。

（2）研究得出海上風機控制器設計和驗證的適用標準體系，基于本文總結形成的海上風機控制器設計、驗證標準體系，可用于指導海上風機控制器設計開發。