楊軍亮 李 春 毛瓊一

上海電氣輸配電集團技術(shù)中心 上海 200042

1 設(shè)計背景

隨著新能源技術(shù)的不斷提高,新能源利用效率越來越高,控制系統(tǒng)越來越智能化。在過去的30多年中,風力發(fā)電裝機容量持續(xù)增長,風力發(fā)電機額定容量由50 kW提高至7.5 MW?；陲L電變流器控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀,陸地兆瓦級風電變流器主要采用印制電路板控制器,這一控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、成本低,能夠滿足陸地風力發(fā)電機的控制需求。但是,印制電路板控制器需要從底層硬件開始設(shè)計,開發(fā)難度大、周期長。海上環(huán)境較為惡劣,若將印制電路板控制器應(yīng)用于海上兆瓦級風電變流器,則印制電路板的底層元器件會成為不穩(wěn)定因素。海上風電變流器控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的要求高于陸上風電變流器控制系統(tǒng),加之海上風力發(fā)電機維護成本較高,應(yīng)盡量減少出海次數(shù),控制系統(tǒng)設(shè)計為冗余系統(tǒng)。筆者采用可編程序控制器設(shè)計兆瓦級風電變流器控制系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破鬟m應(yīng)環(huán)境能力強,具有較高的可靠性,自有的通信協(xié)議既可以滿足變流器控制的實時性要求,又能夠方便快捷地實現(xiàn)冗余功能。另外,可編程序控制器系統(tǒng)可擴展性強,能快速適應(yīng)不同機型配置。

2 控制系統(tǒng)概況

筆者設(shè)計的兆瓦級風電變流器控制系統(tǒng)采用倍福CX2030系列可編程序控制器,配置數(shù)字量輸入輸出模塊和模擬量輸入模塊。可編程序控制器與數(shù)據(jù)采集板之間采用以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)通信,具備數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、故障診斷、歷史數(shù)據(jù)記錄等功能。可編程序控制器與主控可采用過程現(xiàn)場總線或控制器局域網(wǎng)通信方式。可編程序控制器通過以太網(wǎng)口與人機界面連接,進行數(shù)據(jù)交互?？删幊绦蚩刂破鹘邮諗?shù)據(jù)采集板上傳的電網(wǎng)側(cè)和電機側(cè)電壓、電流、溫度等信息,通過內(nèi)部控制算法下發(fā)脈沖寬度調(diào)制波形對絕緣柵雙極晶體管進行控制,從而達到控制風電變流器的目的。

3 硬件設(shè)計

兆瓦級風電變流器控制系統(tǒng)硬件模塊如圖1所示。CX2030系列可編程序控制器使用1.5 GHz雙核中央處理器,標準隨機存取存儲器內(nèi)存為2 GByte,具有兩個獨立的以太網(wǎng)接口、四個通用串行總線接口、一個數(shù)字視頻接口,豐富的接口和強大的內(nèi)核完全能夠滿足風電變流器的控制要求。采用以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)通信,大大提高了控制系統(tǒng)的實時性和可靠性。以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)具有性能優(yōu)異、拓撲結(jié)構(gòu)靈活、組態(tài)簡單等特點。當資料幀通過以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)通信節(jié)點時,節(jié)點會復(fù)制資料,再傳送至下一個節(jié)點,同時識別對應(yīng)此節(jié)點的資料,進行處理。若節(jié)點需要送出資料,則會在傳送至下一個節(jié)點的資料中插入要送出的資料。每個節(jié)點接收及傳送資料的時間短于1μs,一般而言,只用一個幀就可以實現(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點傳送及接收資料。采用以太網(wǎng)和互連網(wǎng)技術(shù)后,以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)通信可以在30μs內(nèi)處理1 000個分布式輸入輸出口信息,能夠?qū)崿F(xiàn)最佳縱向集成。

圖1 兆瓦級風電變流器控制系統(tǒng)硬件模塊

兆瓦級風電變流器控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示,采用雙數(shù)據(jù)采集板模式,每個數(shù)據(jù)采集板對應(yīng)實現(xiàn)1.5 MW功率控制。數(shù)據(jù)采集板對網(wǎng)側(cè)功率單元驅(qū)動、機側(cè)功率單元驅(qū)動、斬波單元驅(qū)動、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流、電容電流、直流母線電壓、機側(cè)電壓、機側(cè)電流、斬波電流、絕緣柵雙極晶體管溫度等模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)進行采集處理,然后將模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)上傳至可編程序控制器?？删幊绦蚩刂破魍ㄟ^輸入輸出口控制各預(yù)充電斷路器分合閘,進行風電變流器預(yù)充電操作。所有條件具備后,可編程序控制器通過數(shù)據(jù)采集板下發(fā)脈沖寬度調(diào)制波,控制絕緣柵雙極晶體管。

圖2 兆瓦級風電變流器控制系統(tǒng)硬件框圖

4 軟件設(shè)計

兆瓦級風電變流器控制系統(tǒng)軟件功能包括主流程控制、脈沖寬度調(diào)制輸出、數(shù)據(jù)采集與處理、故障判斷與記錄、輸入輸出控制、人機界面等。

4.1 主流程控制

主流程控制包括自動運行模式、手動運行模式、調(diào)試模式、仿真模式。

(1) 自動運行模式。采用自動運行模式,風電變流器完全自主控制運行,從啟動到預(yù)充電再到并網(wǎng)。風電變流器接收到主控的轉(zhuǎn)矩或功率指令后,控制風電變流器有功和無功輸出。

(2) 手動運行模式。風電變流器在車間或者剛裝機調(diào)試時,采用手動運行模式進行控制,此時可以通過軟件或人機界面按鈕直接對斷路器進行分合閘操作,對絕緣柵雙極晶體管進行控制。采用手動運行模式進行并網(wǎng)操作的步驟為:① 開啟手動運行模式;② 復(fù)位;③ 等待系統(tǒng)進入后備模式;④ 合斷路器,預(yù)充電;⑤ 整流;⑥ 逆變。

(3) 調(diào)試模式。調(diào)試模式一般應(yīng)用于出廠檢測,通過按鈕和人機界面操作對風電變流器內(nèi)部線路及輸入輸出反饋進行測試,確保風電變流器在出廠時線路不存在問題,保證風電變流器產(chǎn)品的合格率。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

輸入輸出模塊及模擬量采集模塊采集數(shù)據(jù)之后,通過外部總線上傳至可編程序控制器。數(shù)據(jù)采集板實時采集電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流、絕緣柵雙極晶體管溫度等信息,通過以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)通信上傳至可編程序控制器?？删幊绦蚩刂破鞲鶕?jù)相關(guān)參數(shù)進行計算,在網(wǎng)側(cè)進行直流母線電壓控制,并對機側(cè)母線電壓進行控制。數(shù)據(jù)處理指對所采集的數(shù)據(jù)進行濾波、平均等計算,用于控制和故障診斷。

4.3 故障判斷與記錄

數(shù)據(jù)采集板在采集數(shù)據(jù)的同時,對各個采集點的通信和反饋點進行檢測,包括風扇、斷路器、接觸器等的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)采集板還可以設(shè)定最大最小限值,對電壓、電流、溫度等模擬量信息進行監(jiān)控。當超出限值時,對應(yīng)的故障上傳給至可編程序控制器,可編程序控制器使用故障處理模塊將故障記錄并顯示在人機界面上。故障發(fā)生時,激活故障記錄標志位,記錄故障前和故障后10 s的數(shù)據(jù),并生成緩沖文件,用于分析故障和查找問題。

4.4 輸入輸出控制

對可編程序控制器的輸入輸出點進行控制,其中,數(shù)字量輸入包括網(wǎng)側(cè)斷路器分合閘、預(yù)充電接觸器反饋、放電接觸器反饋、網(wǎng)側(cè)斷路器故障、主控急停、不間斷電源報警、不間斷電源電池模式、不間斷電源電池放電、開關(guān)電源保護開關(guān)故障、供電開關(guān)故障、機側(cè)避雷保護故障、網(wǎng)側(cè)電抗器風扇接觸器反饋、直流電容器風扇接觸器反饋、機側(cè)電抗器風扇接觸器反饋、控制柜風扇接觸器反饋、熔斷器故障反饋、變壓器一次側(cè)保護開關(guān)故障、變壓器二次側(cè)開關(guān)故障、電抗器風扇保護開關(guān)故障、電容器風扇保護開關(guān)故障、控制柜風扇保護開關(guān)故障、加熱器保護開關(guān)故障、電壓測量開關(guān)故障、預(yù)充電開關(guān)故障,數(shù)字量輸出包括網(wǎng)側(cè)斷路器分合閘、預(yù)充電、直流電壓放電、網(wǎng)側(cè)電抗器風扇、直流電容器風扇、機側(cè)電抗器、控制柜風扇,模擬量輸入包括直流電容器環(huán)境溫度、濾波電容器環(huán)境溫度、控制柜環(huán)境溫度、冷卻水溫度、冷卻水流量。數(shù)字量輸入模塊和模擬量輸入模塊將數(shù)據(jù)通過外部總線上傳至可編程序控制器,可編程序控制器再通過外部總線將指令下發(fā)。

4.5 人機界面

人機界面作為終端顯示設(shè)備,直觀反映風電變流器的各種狀態(tài)。人機界面如圖3所示。在人機界面配置窗口,可以配置所有需要用到的組件,包括用戶管理、數(shù)據(jù)類型、變量映射、多語言等。通過人機界面中的開關(guān)鍵,可以啟動機側(cè)電抗器冷卻風扇、網(wǎng)側(cè)電抗器冷卻風扇等。通過人機界面中的按鈕,可以控制網(wǎng)側(cè)斷路器、預(yù)充電斷路器等。人機界面程序與可編程序控制器程序在同一個控制工程中,人機界面軟件可以直接查找并連接可編程序控制器程序中的變量,極大便利了人機界面的開發(fā),省略了可編程序控制器與人機界面之間的通信環(huán)節(jié),提高了人機界面的數(shù)據(jù)刷新頻率。

圖3 人機界面

5 結(jié)束語

海上風力發(fā)電機對周圍環(huán)境影響小,對風能利用率較高,對風電變流器控制系統(tǒng)的要求也較高。對此,筆者基于可編程序控制器設(shè)計了兆瓦級風電變流器控制系統(tǒng),主要應(yīng)用于海上風力發(fā)電機,具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。