彭滋忠，鄧秋娥

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

永磁直驅(qū)風(fēng)電機組控制系統(tǒng)綜述

彭滋忠，鄧秋娥

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：風(fēng)力發(fā)電機生產(chǎn)廠家及各類媒體出于保密的目的對風(fēng)機控制系統(tǒng)的介紹甚少。本文以某型永磁直驅(qū)風(fēng)電機組為原型，對風(fēng)機控制系統(tǒng)中的輪轂控制、機艙控制、塔基控制進行了比較詳細的描述，以期對從事風(fēng)電運行、維護、檢修工作的同仁有所啟迪。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；永磁直驅(qū)；風(fēng)力發(fā)電機

1　前言

五凌電力窯坡山風(fēng)電場位于湖南省臨湘市境內(nèi)，共設(shè)計安裝25臺單機容量為2 000 kW的某型永磁直驅(qū)風(fēng)電機組，總裝機容量50MW。預(yù)計年上網(wǎng)電量為10 135萬kW·h，年等效滿負荷小時數(shù)為2 031 h，容量系數(shù)為0.232。發(fā)電機的參數(shù)如表1所示。

表1　某型永磁直驅(qū)風(fēng)電機組技術(shù)參數(shù)

2　風(fēng)力發(fā)電機組主系統(tǒng)的組成

某型永磁直驅(qū)風(fēng)電機組由葉片（3片）、輪轂、發(fā)電機轉(zhuǎn)子及定子、機艙、塔筒（分4段）、箱變、全功率變流器、控制系統(tǒng)等組成。主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3　控制系統(tǒng)的構(gòu)成

某型永磁直驅(qū)風(fēng)電機組控制系統(tǒng)由輪轂控制系統(tǒng)、機艙控制系統(tǒng)、塔基控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備、箱變控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

3.1輪轂控制系統(tǒng)

由精密滑環(huán)、轉(zhuǎn)速編碼器、油酯泵、變槳制動器（3個）、變槳電機（3臺）、輪轂控制柜（3個）、后備電源柜（3個）等組成。

圖1　永磁直驅(qū)風(fēng)電力發(fā)電機主系統(tǒng)圖

（1）輪轂電氣控制柜的作用主要是控制變槳和緊急收槳，同時有在線檢測、超速保護、輪轂速度檢測、變槳軸承和變槳齒輪潤滑控制、輪轂溫度監(jiān)視等功能。

變槳控制系統(tǒng)包括3個主要部件：驅(qū)動裝置—電機、減速器和變槳軸承。通過控制系統(tǒng)來驅(qū)動電機帶動回轉(zhuǎn)軸承轉(zhuǎn)動將葉片以精細的角度進行變槳，從而改變?nèi)~片迎角，由此控制葉片的升阻比，以達到控制作用在風(fēng)輪上的扭矩和功率的目的。一般變槳角度為0°~90°。如果一個驅(qū)動器等部件發(fā)生故障，3個葉片通過驅(qū)動或備用電源進行緊急收槳，并使風(fēng)機停機，保證風(fēng)機的安全。

變槳控制系統(tǒng)3個主要任務(wù)：

1）通過調(diào)整葉片角度，撲捉到最大風(fēng)能。

2）當風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，調(diào)整葉片角度，保證輪轂的轉(zhuǎn)速恒定，發(fā)電功率穩(wěn)定。

3）當風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，葉片進行收槳，保證風(fēng)機的安全。

（2）精密滑環(huán)、轉(zhuǎn)速編碼器：風(fēng)機滑環(huán)的主要作用是用來傳遞機艙到輪轂的電源和信號。同時滑環(huán)里有個速度編碼器，可以探測輪轂的轉(zhuǎn)速，并將此信號輸入給控制柜。滑環(huán)的銅環(huán)與輪轂一起旋轉(zhuǎn)，外殼通過撥桿連接到機艙。

（3）油脂泵給變槳齒輪周期性的潤滑提供油脂。

（4）制動器：風(fēng)機停機或?qū)︼L(fēng)機維護時鎖緊葉片。

3.2輪轂控制柜的組成及作用

（1）連接經(jīng)滑環(huán)來的380 V主動力回路，提供風(fēng)機變槳動力電源。

（2）超速繼電器，檢測風(fēng)機轉(zhuǎn)速，超速時緊急停機收槳。

（3）后備電源柜：設(shè)有后備電源模組及后備電源管理模塊。后備電源模組有超級電容模組共5組，每組超級電容的電壓/電容量為90 V/9.6 F，串聯(lián)后的電壓為450 V。每個超級電容模組設(shè)有過壓、過溫、反極性接點輸出至后備電源管理模塊。后備電源管理模塊由PLUS公司生產(chǎn)的PAS395型超級電容充電器及過壓、過溫、反極性檢測模塊組成。這些模塊的輸出接點輸出至PLC裝置，以便于PLC裝置對超級電容的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

（4）輪轂控制柜由主動力回路、供配電回路、驅(qū)動器回路、油脂泵控制回路、超速繼電器、PLC裝置等組成,如圖2所示（1只葉片，其他2只相同）。

圖2　輪轂控制主電源及后備電源回路示意圖

路斯特驅(qū)動器的型號為CDE34.044,系德國LUST公司專為風(fēng)機變槳驅(qū)動開發(fā)的一款驅(qū)動器，具備下列功能：

1）手動/自動切換空接點輸入接口，切換至手動狀態(tài)時可在變槳控制柜上操作變槳電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)（葉片正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）。

2）正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)空接點輸入接口，切換至手動狀態(tài)時可在變槳控制柜上操作變槳電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

3）具備葉片槳距角91°、95°限位判別空接點輸入功能。

4）具備變槳電機溫度監(jiān)視模擬量輸入功能，模擬量輸入為變槳電機測溫電阻Pt100。

5）具備變槳電機旋轉(zhuǎn)角度判別輸入接口及功能，變槳電機旋轉(zhuǎn)角度傳感器由安裝在變槳電機上的旋轉(zhuǎn)變壓器來實現(xiàn)。

6）具備輪轂轉(zhuǎn)速判別接口及功能，其接口信息來自精密滑環(huán)上的輪轂轉(zhuǎn)速編碼器。

7）可將超級電容器來的DC450V電壓逆變成AC 380 V電壓作為變槳電機緊急備用電源。

8）具備遠方空接點輸入復(fù)位故障信號接口。

9）具備啟動剎車繼電器接口（端子）。

10）具備9針RS232接口，可采用CANOPEN協(xié)議與PLC及塔基控制柜通訊。

普爾斯超級電容充電機型號為PAS395,系德國PULS公司專為超級電容充電開發(fā)的充電機。該充電機輸入AC 220V,可在幾分鐘時間內(nèi)將超級電容充滿電，具備充電機故障、準備好、電容充滿電空接點輸出至PLC。

輪轂控制PLC(僅1號柜配置)為德國Beckhoff公司生產(chǎn)的一款小型模塊化PLC，布置圖和配置表見圖3、表2。

圖3　輪轂控制系統(tǒng)PLC布置圖

表2　輪轂控制PLC模塊說明

油脂泵控制回路由啟動回路、液位監(jiān)視、流量監(jiān)視組成。PLC根據(jù)設(shè)定的周期定時啟動油脂泵對3個變槳齒輪給油脂潤滑。液位監(jiān)視及流量監(jiān)視接點輸出到PLC。

變槳驅(qū)動及制動機構(gòu)由驅(qū)動電源、電動機、電動機測溫Pt100、角度傳感器、減速器、制動器等組成。

3.3機艙控制系統(tǒng)

由機艙控制柜、偏航電機（4臺）、機艙內(nèi)外熱交換風(fēng)扇、定子冷卻風(fēng)扇、發(fā)電機加熱除濕器、偏航剎車、扭纜開關(guān)、液壓站、維護剎車、主軸承及偏航齒輪油脂泵、振動傳感器、機艙煙霧探測器、三風(fēng)杯風(fēng)速風(fēng)向儀、超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀、機艙內(nèi)外溫度傳感器、發(fā)電機定子測溫電阻Pt100（每相4個）、發(fā)電機冷卻空氣溫度測溫電阻Pt100（2個）、主軸承測溫電阻Pt100（2個）、機艙控制柜內(nèi)由溫度傳感器、繼電器，指示燈、按鈕等自動化元件等組成。

（1）機艙控制柜由柜體、端子排、PLC、自動化元件、加熱通風(fēng)、照明設(shè)備等元器件組成，均采用世界著名品牌產(chǎn)品。

1）機艙控制PLC為奧地利Bachmann（巴合曼）公司專為風(fēng)機控制開發(fā)的模塊化小型PLC，布置圖和配置表見圖4、表3。

圖4　機艙控制系統(tǒng)PLC布置圖

表3　機艙控制PLC模塊說明

2）機艙控制柜的主要作用為與輪轂控制柜、塔基控制柜進行通訊。

3）根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向儀的信號啟動風(fēng)機轉(zhuǎn)槳、偏航。

4）監(jiān)視發(fā)電機定子、主軸承、機艙內(nèi)外溫度，必要時啟動加熱與通風(fēng)、告警。

5）根據(jù)PLC設(shè)定的周期給主軸承、偏航齒輪給油脂潤滑。

6）制動、解纜功能。

7）其他輔助功能等。

（2）風(fēng)速風(fēng)向儀

1）三風(fēng)杯風(fēng)速儀，主流風(fēng)速儀，型號：BLF1-SII；風(fēng)向儀型號：BLF1-XII；浙江貝良風(fēng)能電子科技有限公司生產(chǎn)。防護等級：IP65。具備防水、防塵、防冰凍、防腐蝕、防鹽霧、抗電磁干擾等功能。

風(fēng)速儀信號輸出模式：開路集電極源極輸出型（A型）（PNP）、開路集電極漏極輸出型（B型）（NPN）、集電極閉路輸出型（C型）。其輸出信號到PLC。

技術(shù)參數(shù)如表4：

2）磁感應(yīng)風(fēng)向儀

輸出信號分：4～20mA/0~20mA；0~10 V/0~5 V之間的電壓電流組合，技術(shù)參數(shù)如表5：

表5　BLF1-XII型風(fēng)向儀技術(shù)參數(shù)

3）超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀

型號：DMA-221HI;生產(chǎn)廠家：北京東方迪碼科技有限公司。電源電壓：DC 15~30V;輸出信號類型：風(fēng)速電流輸出/風(fēng)向電流輸出，輸出接口RS485。加熱電源電壓/功率：AC 220 V/260W。防護等級：IP65。具備防水、防塵、防冰凍、防腐蝕、防鹽霧、抗電磁干擾等功能。其輸出信號到PLC。

（3）偏航系統(tǒng)

1）風(fēng)向儀將風(fēng)向的變化用電信號傳遞到PLC的處理器里，經(jīng)過比較后處理器給偏航電機發(fā)出正或反的偏航命令。電機轉(zhuǎn)速將通過同軸聯(lián)接的減速器減速后增大力矩，將偏航力矩作用在機艙大齒輪上，帶動風(fēng)輪偏航對風(fēng)，當對風(fēng)完成后，風(fēng)向儀失去電信號，電機停止工作，偏航過程結(jié)束。

2）機艙旋轉(zhuǎn)編碼器：機艙偏航圈數(shù)計數(shù)器輸入PLC。當機艙偏航正或反向偏航圈數(shù)超過設(shè)定值時，PLC控制機艙反或正向偏航、解纜，以防損壞電纜。技術(shù)參數(shù)如表6：

表6　旋轉(zhuǎn)編碼器參數(shù)

3）機艙制動器：4個固定在機艙底座上隨機艙繞塔筒旋轉(zhuǎn)；靠液壓驅(qū)動作用于機艙的盤式制動環(huán)（與塔筒固定）使機艙制動。

（4）發(fā)電機轉(zhuǎn)子（輪轂）制動器：4套固定于發(fā)電機錐型支撐上；靠液壓驅(qū)動制動器作用于轉(zhuǎn)子上的盤式制動環(huán)（與轉(zhuǎn)子固定并一同旋轉(zhuǎn)）使轉(zhuǎn)子制動。鎖緊銷：1套，配菲爾斯特磁致伸縮位移傳感器。維護輪轂或發(fā)電機轉(zhuǎn)子時鎖緊輪轂以保證維護人員安全。

（5）液壓站及油脂泵：液壓站給機艙制動器及輪轂制動器提供壓力油。油脂泵給發(fā)電機主軸承、偏航軸承、偏航齒輪周期性的潤滑提供油脂。

（6）其他輔助功能：測溫、通風(fēng)、加熱、測振等。

（7）本地輪轂屏：維護輪轂及葉片時，按照程序操作各開關(guān)及按鈕配合液壓站停止輪轂轉(zhuǎn)動并鎖緊輪轂，防止輪轂轉(zhuǎn)動，保證維護人員安全。

3.4塔基控制柜

主要由觸摸屏、PLC、按鈕、開關(guān)、繼電器、光電轉(zhuǎn)換器、UPS等自動化元件組成。主要作用是與輪轂、機艙控制柜、SCADA通訊，對風(fēng)力發(fā)電機進行啟動/停止、并網(wǎng)/脫網(wǎng)操作和控制（手動/自動,本地/遠方），顯示故障信息，統(tǒng)計發(fā)電參數(shù)，人機對話功能等。均采用世界著名品牌產(chǎn)品。

（1）觸摸屏尺寸為10.4"，型號為TPC-651H-WT,研華品牌。

圖5　塔基控制PLC布置圖

表7　塔基控制PLC模塊說明

（2）PLC為Bachmann公司專為風(fēng)機控制開發(fā)的模塊化小型PLC，布置圖和配置表見圖5、表7。

1）處理器模塊MX213為基于PC技術(shù)、用于風(fēng)機控制系統(tǒng)的模塊。模塊配備一個電源，集成有CAN主站，具有100Mb以太網(wǎng)端口，可將控制器便捷整合在物理分離的網(wǎng)絡(luò)中。具有內(nèi)置浮點單元(FPU)的計算模塊適合于調(diào)節(jié)器應(yīng)用。配有非易失性RAM，能在沒有電池緩沖的情況下將數(shù)據(jù)可靠保存10年以上。

CPU：LX700-266MHz;

2個串行接口：1×RS232；1×RS232/422/485;

2個以太網(wǎng)接口10/100Mb/s帶狀態(tài)指示燈；

1個CAN接口、1個USB接口；

RUN、INIT和ERROR狀態(tài)LED指示燈；

大容量CF閃存卡，容量可根據(jù)現(xiàn)場需要配置；

內(nèi)存256MBDRAM；數(shù)據(jù)存儲器512kBNVRAM；

PC卡上的程序存儲器16/32/64MB FLASH，以及16MB內(nèi)部閃存（4MB用于系統(tǒng)軟件，12MB用于應(yīng)用程序）；

內(nèi)置帶電源RTC；

PCC插槽、CF插槽；

Watchdog；

同步脈沖，也用于以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、SERCOS 和CAN；

可在模塊面板通過16進制開關(guān)設(shè)置CPU-ID；

操作系統(tǒng)VxWorks與巴合曼系統(tǒng)擴展在內(nèi)部閃存上。

2）FM211為fastbus模塊：此模塊為光纖模塊，作用是可以擴展物理從站，增加一個控制器所帶的模塊數(shù)量。面板拆開后，可見到有一個撥碼開關(guān)，可用于選擇使用玻璃光纖或塑料光纖，其中玻璃光纖會貴一些，但抗干擾相對于塑料光纖好很多。

兩站之間50/150/200m。

最大總長度：1 000m。

傳輸介質(zhì)塑料光纖（POF）最長50m，硬包層石英（HCS）最長150m，HCS有時也稱為塑料石英光纖（PCF），專用HCS光纜200m。

站數(shù)量最多16個。

3）DI0248模塊為48路開關(guān)量輸入輸出模塊：控制機側(cè)斷路器及網(wǎng)側(cè)斷路器的開閉，變流器的啟停，變流器冷卻風(fēng)扇、冷卻液的循環(huán)泵及控制閥的投退，維護控制模式的切換、加熱器的投退等。

4）AI0288模塊為模擬量輸入輸出模塊，監(jiān)視和控制變流器冷卻液進出口溫度、冷卻泵進出口壓力等。

風(fēng)機控制系統(tǒng)連接圖如圖6。

圖6　風(fēng)機控制系統(tǒng)連接圖

3.5編程軟件和環(huán)境

Bachmann巴合曼控制器為奧地利生產(chǎn)的工業(yè)自動化控制設(shè)備，被稱為風(fēng)機專用控制器。它運行基于Vxworks的實時操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)，具有強大的內(nèi)存管理、界面編程等功能。巴合曼公司提供的SolutionCenter軟件，是支持巴合曼控制器的編譯環(huán)境。通過此軟件可以使用C/C++編程并且生成可執(zhí)行文件下載到控制器運行；或者是查看控制器的配置信息、以及控制器內(nèi)運行的程序信息等；還可通過自帶的java編譯環(huán)境，編寫與控制器關(guān)聯(lián)的界面程序。

Beckhoff產(chǎn)品庫為倍福德國風(fēng)電團隊開發(fā)的一套完整風(fēng)機控制系統(tǒng)，適用于任何MW級別的風(fēng)機系統(tǒng)控制，也適用于陸上型和海上型風(fēng)機控制。該功能庫的所有源代碼對用戶完全開放，用戶可以對庫的底層代碼進行修改，可以依據(jù)實際的風(fēng)機做相應(yīng)的修改，也可以在自己的新的機型上使用該功能庫。該庫是基于TwinCAT 2的IEC61131-3的ST編程語言，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷牒湍K化的結(jié)構(gòu)設(shè)計的一套完整的風(fēng)電控制解決方案，客戶在基于該風(fēng)電庫的基礎(chǔ)上可以非常容易的實現(xiàn)風(fēng)機完整控制，并可以靈活的實現(xiàn)自定義的功能。

（1）主界面（二級）：概覽、操作、啟動條件、參數(shù)、故障日志、系統(tǒng)信息。

（2）子界面（二級）：輪轂、發(fā)電機、機艙、變頻器、電網(wǎng)連接、氣象站。

（3）統(tǒng)計（二級）：發(fā)電日志、可利用率日志、總計。

（4）事件（二級）：故障事故信息。

此外還有三級詳細菜單，在此不再詳細敘述。

4　結(jié)束語

某型風(fēng)電機組控制系統(tǒng)采用德國Beckhoff產(chǎn)品及奧地利Bachmann產(chǎn)品，其控制功能強大、運行可靠、編程靈活。了解及熟悉其產(chǎn)品性能，對于從事風(fēng)電運行、維護的人員有現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1]Bachmann風(fēng)電產(chǎn)品參考手冊[Z].

[2]Beckhoff風(fēng)電產(chǎn)品參考手冊[Z].

中圖分類號：TK83

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）08-0031-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.009

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：彭滋忠（1965-），男，工程師，從事水電廠、風(fēng)電場機電設(shè)備檢修維護工作。