风力发电控制系统

贝加莱风力发电控制系统

2009-05-18 09:24

1、蓬勃发展的风电技术

风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30%以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gemsa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。

国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，而造成陷入激烈的价格竞争，另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使得制造商在未来激烈竞争中获得先手。

然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计，在本文我们将介绍因何这些控制器能够满足风力发电的苛刻要求。

2、风力发电对控制系统的需求

2.1高级语言编程能力

由于功率控制涉及到风速变化、最佳叶尖速比的获取、机组输出功率、相位和功率因素，发电机组的转速等诸多因素的影响，因此，它包含了复杂的控制算法设计需求，而这些，对于控制器的高级语言编程能力有较高的要求，而B&R PCC产品提供了高级语言编程能力，不仅仅是这些，还包括了以下一些关键技术：

2.1.1复杂控制算法设计能力

传统的机器控制多为顺序逻辑控制，而随着传感器技术、数字技术和通信技术的发展，复杂控制将越来越多的应用于机器，而机器控制本身即是融合了逻辑、运动、传感器、高速计数、安全、液压等一系列复杂控制的应用，PCC的设计者们很早就注意到这个发展方向而设计了PCC 产品来满足这一未来的需求。

为了满足这种需求，PCC设计为基于Automation Runtime的实时操作系统（OS）上，支持高级语言编程，对于风力发电而言，变桨、主控逻辑、功率控制单元等的算法非常复杂，这需要一个强大的控制器来实现对其高效的程序设计，并且，代码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。

2.1.2功能块调用

PCC支持PLCopen Motion、PLCopen Safety和PLCopenHydraulic库

的调用，这对于风电这一集合了变桨运动控制、安全逻辑设计、液压控制的综合系统来说是再好不过的选择.变桨控制将考虑多个伺服的定位和同步关系，而safety为机组提供了多种安全回路设计以保护机组的安全可靠运行，液压控制被极其容易的集成到系统中而无需购置专用的液压控制模块。同时，PCC支持用户自定义库的封装设计，用户可以将其自身的核心算法封装为功能块来调用，这使得一方面代码的安全性得到了很好的保证，而另一方面，它也提供了针对不同机组的系统调用，大大简化了软件的重构，支持快速开发。

2.1.3All In One的设计理念- Automation Studio™

Automation Studio™设计初衷是建立在一种放眼整机控制而不是局部（只关心驱动或者逻辑，独立组件），30年的丰富OEM控制设计使得B&R深刻理解“整体”的意义，因此，其软件包设计为面向整个机器的各个对象（逻辑、运动、测量、通信、显示）和过程（配置、项目规划与管理、诊断、调试、维护）。

对于B&R Automation Studio而言，控制器的设计、变桨伺服、液压控制、Safety技术、通信均在一个”All In One”的工具包Automation Stduio中实现，对于风力发电这样的综合多种控制需求的系统而言，Automation Studio提供了一个完整的工程设计与应用的平台，它使得代码生成、仿真分析、远程诊断与维护集成为一体，难道还有什么需要不能满足吗?

抛开技术的因素，对于用户而言，一套软件即可实现所有的应用需求，这降低工程师的学习成本，也作为一个平台，为用户提供了长期持续创新的软件平台基础。

3、Matlab/Simulink自动风力发电控制器代码生成

这是一个令人振奋的设计-Matlab/SIMULINK被集成到Automation Studio中，提供了一种将MATLAB这一广泛应用于工程设计和仿真分析的工具。

2008年开始，B&R与Mathworks建立了深度的合作关系，采用MATLAB/SIMULINK工具，提供针对电力行业的模型构建、仿真分析与代码生成设计。

3.1基于建模的系统设计

控制系统设计是基于数学建模的，这是所有工程应用的目标和基础理论，而Matlab正是提供了建模设计架构上的系统仿真和分析。

通过SIMULINK，建立模型就如同装配物理系统本身一样，模型中的组件就像实际的物理线路连接一样方便，这些物理连接代表理想的传导

路径，通过这个方法，可描述系统的物理结构，而无需推导和实现用于系统的方程，模型与原理图非常相似，从模型中，SIMULINK可自动构造描述系统运行的微分代数方程，这些方程可与其它方程集成在一起。例如你可以定义线性和饱和变压器、避雷器和断路器以及输电线路的模型，励磁、液压和风力涡轮机组，以及电力电子单元的GTO、IGBT模型，对于控制和测量单元的电压、电流、阻抗测量，RMS测量，有功和无功功率的计算，以及abc-to dq0及dq0到abc的转换，三相单元的RPL 负载、同步或异步发电机，电动机分析和测量工具均可以被组件形式建立模型，并通过SIMULINK来连接。

利用SIMULINK可以为风力发电机组建立控制系统模型

3.2 SIMULINK的电力应用分析能力

SIMULINK里包含了柔性输电系统向量模型、风力涡轮的向量模型、电机的直接转矩控制和磁场定向控制模型等。SIMULINK为电力系统网络提供了三种解决方案，以及一种理想的切换算法，可通过高频切换提升系统的仿真性能。在 Simulink中使用变步积分算法来执行高度精确的电力系统模型仿真。其中一些积分算法可处理在实际电力系统建模中常遇到的数值刚性系统。

SIMULINK提供的零点穿越检测功能，能以十分精确的机器精度检测并求解不连续过程。离散仿真采用固定步长梯形积分法来仿真系统，特别适合带电力电子设备的电力系统模型。该模式还有助于实现模型的实时执行。向量仿真则采用一组固定频率代数。

3.3 代码自动生成

通过MATLAB/Simulink，系统建模的控制器代码可以被生成，并经过优化成为真正可用的程序，而这些强大的功能也被集成到了Automation Studio中，对于开发风电控制系统而言，这无疑是一种非常好的选择。

4、基于B&R系统的风力发电解决方案

B&R风力发电控制包含了软硬件方案，也包括上述所提及的仿真分析在内，应用于变桨、功率控制与电网检测和远程维护等。

4.1.变桨控制方案Pitch Control

变桨控制是在ACOPOSmulti伺服驱动器和X20CPU的设计上的，可以快速实现风力发电的变桨控制（Pitch Control）,通过光纤接口的实时通信技术Ethernet POWERLINK，可以将三个桨叶的伺服参数进行高速同步通信。

4.1.1SPT（Smart Process Technology）提供了快速的调桨过程。 智能过程技术是作为ACOPOSmulti内置的功能块运行的，它提供了