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(tǒng)是風力發(fā)電機組關(guān)鍵技術(shù)，能夠控制并監(jiān)測風電機組安全可靠地運行，大多數(shù)國內(nèi)風電主機廠利用國外的控制器產(chǎn)品做集成，而控制系統(tǒng)中關(guān)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(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)關(guān)于《能源革命技術(shù)創(chuàng)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(tǒng)研發(fā)，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

以往更多是研究風機控制系統(tǒng)的功能，而對于風機控制器需求研究相對較少，尤其是國產(chǎn)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(shè)計需求，從海上風電相關(guān)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(shè)計和驗證的關(guān)鍵需求。

1 海上風機控制器主流產(chǎn)品分析

目前，國內(nèi)市場風機整機廠家配套的海上風機控制器為國外進口產(chǎn)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(tǒng)。主流海上風機控制器性能對比見表 1。

2 海上風機控制器設(shè)計/驗證標準體系

開發(fā)海上風機控制器要充分調(diào)研分析相關(guān)國家標準和行業(yè)標準要求。通過對國內(nèi)外相關(guān)標準分析，形成海上風機控制器設(shè)計和驗證標準體系（圖1），共分為3層。第一層：風力發(fā)電機組設(shè)計要求，主要執(zhí)行標準為《風力發(fā)電機組 設(shè)計要求》（GB/T 1845.1）；第二層：不同類型風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)標準要求，主要執(zhí)行標準為《風力發(fā)電機組 控制系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)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(tǒng)的技術(shù)條件，對于老舊失速型風機控制系統(tǒng)，可參照《風力發(fā)電機組 控制器 技術(shù)條件》（GB/T19069—2003）、《風力發(fā)電機組 控制器 實驗方法》（GB/T19070—2003）等標準；第三層：海上風機發(fā)電控制器設(shè)計及試驗驗證標準，主要包括風機控制器硬件設(shè)計執(zhí)行標準、風機控制器軟件設(shè)計執(zhí)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(shè)計/驗證標準體系

將主流海上風機控制器產(chǎn)品性能需求同海上風機控制器設(shè)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 1 主流海上風機控制器性能對比表

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(guān)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(chǎn)品性能進行綜合分析得出海上風機控制器設(shè)計和驗證的關(guān)鍵需求。

3.1 環(huán)境適應(yīng)性需求

環(huán)境適應(yīng)性需求，按照相關(guān)標準共包括環(huán)境條件、環(huán)境試驗和耐久性評價等需求項，各執(zhí)行內(nèi)容及標準如下。

（1）環(huán)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(zhí)行。

（2）環(huán)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(chǎn)品環(huán)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(zhí)行。

（3）環(huán)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(fā)電設(shè)備關(guān)鍵部件環(huán)境耐久性評價 控制系統(tǒng)》（NB/T 31135—2018）標準執(zhí)行。

3.2 電磁兼容需求

風機控制器電磁環(huán)境復雜，需要重點關(guān)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(shù) 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(shù) 振鈴波抗擾度試驗》（GB/T 17626.12—2013）等系列標準執(zhí)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(shè)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(tǒng)設(shè)計冗余控制解決方案，從而提高風機主控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，實現(xiàn)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(zhuǎn)變。同時，控制器冗余技術(shù)中的同步特性和快速切換特性，可以實現(xiàn)在不影響風機生產(chǎn)的情況下對海上風機控制器進行遠程系統(tǒng)維護和軟件更新的功能，使風機控制系統(tǒng)更加高效、智能。

按照《海上風力發(fā)電主控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)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(guān)的單個元器件的失效不應(yīng)導致安全保護功能失效。

按照《失速型風力發(fā)電機組 控制系統(tǒng) 技術(shù)條件》（GB/T 19069—2017）的規(guī)定要求，與安全保護系統(tǒng)功能有關(guān)的單個元器件（如傳感器或制動器）的失效，應(yīng)不會導致安全保護系統(tǒng)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(guān)聯(lián)，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(tǒng)各個元器件應(yīng)有最高的技術(shù)要求。按照《海上風力發(fā)電主控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2012）的要求，元器件和材料應(yīng)滿足以下要求。

（1）元器件應(yīng)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(guī)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(xiàn)象。

（3）除陶瓷材料外的所有固體絕緣材料都應(yīng)具有耐燃性，即部件經(jīng)灼熱絲實驗（或焰針試驗）后不起燃，或即使發(fā)生起燃，燃燒及灼熱在一開灼熱絲（或針焰）后的30 s內(nèi)能完全熄滅且指示娟紙不起燃。同時，所有塑料部件應(yīng)具有滯燃性，即經(jīng)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(yīng)做相應(yīng)的防腐、防潮處理。

（5）所有裸露部分電路板、焊接點均應(yīng)做相應(yīng)的防腐、防潮處理。

3.4 海上風機控制器功能需求

為實現(xiàn)風電機組的主控系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風機實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對葉片的控制，實現(xiàn)最大風能捕獲及變速運行，與變流器系統(tǒng)接口實現(xiàn)對有功功率及無功功率的自動調(diào)節(jié)。海上風機控制器具有以下關(guān)鍵功能需求。

3.4.1 通信需求

通信方式應(yīng)采用下列方式的一種或幾種［3］。

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

（2）按照海上風機控制器設(shè)計/驗證標準體系，通信按照《海上風力發(fā)電機組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2012）、《雙饋風力發(fā)電機組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31017—2011）、《直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組主控制系統(tǒng)軟件功能技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31103—2016）標準執(zhí)行。

3.4.2 時鐘需求

海上風機控制器應(yīng)設(shè)有硬件時鐘電路，在失去電源的情況下，硬件時鐘應(yīng)能正常工作，精度應(yīng)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(fā)電機組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2012）標準要求。

3.4.3 保護功能需求

風機控制器應(yīng)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(guān)保護功能要符合《海上風力發(fā)電機組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2019）、《雙饋風力發(fā)電機組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)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(yīng)能自動在本地存儲器記錄不少于128項指定的最近發(fā)生的故障信息，保留時間不少于6個月，分辨精度至少應(yīng)達到5 ms以便事后故障的再現(xiàn)和分析，故障信息記錄滿足《海上風力發(fā)電機組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)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(yīng)可調(diào)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(shù)據(jù)記錄主要條目應(yīng)滿足《直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組主控制系統(tǒng)軟件功能技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31103—2016）、《海上風力發(fā)電機組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2019）標準要求。

3.4.6 冗余需求

海上風機控制器應(yīng)采用冗余技術(shù)，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(fā)電機組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)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(yīng)滿足《可編程序控制器第2部分：設(shè)備要求和測試》（GB/T 15969.2—2008）標準要求。

3.4.8 數(shù)字量/模擬量輸入輸出需求

數(shù)字輸入/輸出應(yīng)按照《可編程序控制器 第2部分：設(shè)備要求和測試》（GB/T 15969.2—2008）的規(guī)定要求，數(shù)字輸入/輸出應(yīng)在給定的限值之內(nèi)工作。

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

3.4.9 CPU和系統(tǒng)內(nèi)存需求

隨著風電控制程序中邊緣計算的需要，主頻應(yīng)更高，內(nèi)存更大，CPU頻率達到1.6GHz左右，系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)存，并根據(jù)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(shè)備要求和測試》（GB/T 15969.2—2008）的規(guī)定要求，控制器應(yīng)提供系統(tǒng)的運行實行自檢和診斷的手段。這種手段應(yīng)是風機控制器的內(nèi)置服務(wù)或為實現(xiàn)預期應(yīng)用而推薦的方法。

（1）監(jiān)控用戶應(yīng)用程序的手段［如監(jiān)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(shù)據(jù)正確性的手段（如應(yīng)用程序回送檢查）。

（4）檢驗電源單元不超過硬件設(shè)計所允許的電流限值和電壓限值的手段。

（5）監(jiān)控主處理單元（MPU）狀態(tài)的手段。

（6）永久性安裝的控制器系統(tǒng)應(yīng)能在報警輸出上給出報警信號。當檢測到系統(tǒng)“功能正?！睍r，該報警輸出端應(yīng)處于預先確定的狀態(tài)。在其他情況下，則應(yīng)處于相反的狀態(tài)，制造廠應(yīng)規(guī)定“功能正確狀態(tài)”的條件，以及為驅(qū)動該報警輸出而執(zhí)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(yīng)能在報警輸出上（例如，通過一個數(shù)字輸出模塊）給出報警信號，并進入預先規(guī)定的狀態(tài)。

3.4.12 結(jié)構(gòu)需求

外殼溫度應(yīng)滿足《可編程序控制器 第2部分：設(shè)備要求和測試》（GB/T 15969.2—2008）標準限制條件；機械強度應(yīng)滿足《電氣控制設(shè)備》（GB/T 3797—2016）要求，工藝防護要求滿足《熱帶電工產(chǎn)品通用技術(shù)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(jié)論

本文通過分析主流海上風機控制器產(chǎn)品性能指標，梳理海上風機控制器設(shè)計和驗證標準體系，總結(jié)出海上風機控制器設(shè)計的關(guān)鍵需求，并有如下結(jié)論。

（1）研究得出海上風機控制器4個方面的關(guān)鍵需求：環(huán)境適應(yīng)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(shè)計和驗證關(guān)鍵需求，可作為自主化海上風機控制器設(shè)計的重要輸入，對國內(nèi)新能源業(yè)界開發(fā)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(shè)計和驗證的適用標準體系，基于本文總結(jié)形成的海上風機控制器設(shè)計、驗證標準體系，可用于指導海上風機控制器設(shè)計開發(fā)。