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案例分享

基于BeckhoffCX9020嵌入式控制器的全新一代風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的自主開發(fā)

東方電氣風(fēng)電有限公司李博

圖1　TwinCAT Wind

東方電氣風(fēng)電有限公司（DEW）是國(guó)內(nèi)唯一擁有雙饋型和直驅(qū)型兩種類型風(fēng)機(jī)的公司，是綠色能源風(fēng)景線的主創(chuàng)力量，作為全球領(lǐng)先的風(fēng)電技術(shù)和服務(wù)供應(yīng)商，已為國(guó)內(nèi)外企業(yè)和消費(fèi)者提供了各型雙饋和直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組超過(guò)7000臺(tái)，運(yùn)行狀況良好。東方風(fēng)電在提供風(fēng)機(jī)整機(jī)設(shè)備的同時(shí)，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)。其中，借助Beckhoff基于PC的先進(jìn)控制技術(shù)在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的完全自主開發(fā)及成功應(yīng)用，得以在國(guó)內(nèi)外風(fēng)電控制系統(tǒng)領(lǐng)域脫穎而出。

變槳系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心控制系統(tǒng)之一，其主要功能一方面是根據(jù)風(fēng)速的大小來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳葉的槳角，改變氣流對(duì)槳葉的攻角，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率能夠根據(jù)風(fēng)速的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率最高，并且輸出在額定功率以內(nèi)；另一方面是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重故障等極端情況下能夠完成緊急收槳，保證風(fēng)機(jī)安全。因此，變槳系統(tǒng)的安全可靠直接關(guān)系整臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的安全可靠，變槳系統(tǒng)必須滿足高冗余性、低故障、高負(fù)荷能力等要求，尤其是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在極端環(huán)境條件下。

東方風(fēng)電是一家完全自主進(jìn)行變槳系統(tǒng)開發(fā)的風(fēng)機(jī)供應(yīng)商，這立足于公司超過(guò)7000臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以及借鑒和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外大功率風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的需求和發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)于電動(dòng)變槳系統(tǒng)中直流變槳和交流變槳系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)：交流變槳系統(tǒng)一般采用交流伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠耐用、成本低、維護(hù)方便，正好克服了直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本和維護(hù)成本高的缺點(diǎn)。所以，東方風(fēng)電自主開發(fā)型變槳系統(tǒng)最終選用交流變槳方案。

東方風(fēng)電自主開發(fā)型交流變槳系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括三個(gè)軸控柜、三個(gè)后備電源柜、三個(gè)變槳電機(jī)及槳葉冗余角度編碼器、限位開關(guān)等相關(guān)附件。交流變槳系統(tǒng)的核心是由一個(gè)主控制單元和三個(gè)執(zhí)行單元組成：主控制單元的核心部件選用的是德國(guó)Beckhoff公司的全新一代CX9020高性價(jià)比嵌入式控制器以及E-bus系列相關(guān)通訊和I/O模塊；三個(gè)執(zhí)行單元的核心部件選用的是行業(yè)主流的風(fēng)電專用伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)。同時(shí)，東方風(fēng)電自主開發(fā)型變槳系統(tǒng)采用擁有國(guó)家發(fā)明專利的變槳系統(tǒng)冗余安全鏈設(shè)計(jì)，從根本上保證變槳系統(tǒng)的安全可靠。

圖2　東方電氣交流變槳系統(tǒng)架構(gòu)

倍福新一代的CX9020嵌入式控制器結(jié)構(gòu)極為緊湊，代表著先進(jìn)的PC控制技術(shù)。CX9020是一款適合DIN導(dǎo)軌安裝的高性價(jià)比控制器，由先進(jìn)的組件構(gòu)成：ARM Cortex? A8 CPU和設(shè)計(jì)極為緊湊但存儲(chǔ)容量很大的MicroSD卡，工作溫度范圍為-25℃～+60℃之間，可以滿足極其嚴(yán)苛的環(huán)境要求，全新的外殼設(shè)計(jì)能夠更好的應(yīng)對(duì)電磁干擾，尤其適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)極端氣溫條件的運(yùn)行要求。

圖3　倍福C×9020嵌入式控制器

倍福CX9020控制器已廣泛被東方風(fēng)電變槳系統(tǒng)所采用，一方面用于實(shí)現(xiàn)葉片變槳距的控制和調(diào)節(jié)，另一方面用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變槳系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控與故障碼管理。I/O模塊方面采用了倍福的E-bus系列EtherCAT端子模塊。相對(duì)于傳統(tǒng)的K-bus總線端子模塊，E-bus系列端子模塊提供了更快速的響應(yīng)、更便利的診斷及更加靈活的通訊接口。

使用CANopen從站模塊EL6751-0010實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)之間的通訊連接；使用CANopen主站模塊EL6751實(shí)現(xiàn)變槳控制器和三個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間的通訊連接；同時(shí)使用CX9020集成的RS485接口CX9020-N031實(shí)現(xiàn)變槳控制器對(duì)后備電源充電器狀態(tài)信息的監(jiān)控。倍福CX9020嵌入式控制器的網(wǎng)絡(luò)接口操作簡(jiǎn)單，使得變槳系統(tǒng)的程序升級(jí)及調(diào)試工作也更加容易。

圖4

倍福的TwinCAT軟件作為通用的軟件開發(fā)環(huán)境平臺(tái)，支持國(guó)際IEC61131-3的ST、梯形圖等多種編程語(yǔ)言，利于工程師快速掌握，整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，東方風(fēng)電的工程師在倍福中國(guó)西南風(fēng)電工程師的協(xié)助下，在很短的時(shí)間內(nèi)就熟悉了倍福的整套系統(tǒng)并完成了所有軟件工作的開發(fā)，極大地縮短了項(xiàng)目開發(fā)周期。

全新一代變槳系統(tǒng)的完全自主開發(fā)彰顯了東方風(fēng)電不斷追求技術(shù)創(chuàng)新的精神，也標(biāo)志著東方風(fēng)電和倍福中國(guó)展開全新的戰(zhàn)略合作，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，助力中國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。