基于一体化控制的风机变桨系统设计.pdf

新 能 源 基于一体化控制的风机变桨系统设计 李灿 上海电气集团股份有限公司输配电分公 司技术 中心 ， 上海 2 0 0 2 3 3 摘要 介 绍一 种基 于一体 化控 制 的风 机 变 桨 系统 的设计 ， 该设 计 降低 了风机 电控 系统 的 制造 和 维 护成 本 ， 提 高 了风机 的可靠性和 实时性。 关键词 变桨风机 ； 风力发 电； 主控一体化 ； P L C； 可靠性优化设计 0引言 我国是风力资源较 为丰富 的国家之一 。 近年 来在 国家的积极倡导下 ， 作 为绿色能 源的风力发 电的发展 尤 为迅猛 。由于我 国风 电产业规模越 来越大 、 弃 风 限 电 、 补贴不到位 、 机组运 行不稳定 、 维护成本逐 年增加 等 问题 ， 众多 的开发 商运 营效益有所 下滑 。如何 保证 风 机系统 的长 期可靠 性 ， 易维 护性 ， 同时 降低风 机 的 制 造成本 和 维护成 本是摆 在 每个风 电企业 面前 的一 个 重要课题 。 风机 电控 系统包括 变桨 系统 、 主控 系统 、 变 流器 等 。 其 中变桨系统 的功能是通过控制变桨 电机来实 时 响应 主控系统 的桨距 角位置指令 ． 以捕捉最大 风能 以 及 在风 机故 障时 能快速 地收 桨制动 ，保证 风机 的安 全 。 其 控制柜和后备 电源柜都安装在狭小 紧凑 的轮毂 空 间里 ， 工作环境极其 恶劣 ， 且长期 承受振动 、 高低温 的影 响 ， 安装 维护保 养 困难 ， 因此要 求其具 有很 高 的 可靠 性 、 稳定性且尽量 易于维护 。本文将讨论并 实现 变 桨系统 的优化设计 ， 以增加可靠 性 ， 减少故 障点 ， 使 其更 易于维护并 降低生产维护成本 。 1传统变桨系统设计 传 统 变 桨 系 统 由安 装 在 轮毂 变 桨 柜 里 的独 立 C P U控制 ，通过 电滑环与主控系统 的通信模块 连接 。 接 受主控指令 同时也反 馈变桨信息 ， 然后将经 过运算 的变桨指 令通过通信发送 给执行机构 通常为伺 服驱 动 系统 。其 系统结构 如图 1 所 示。 传 统模式 的主控一 变桨 系统 中变 桨 C P U需 要与 风 力发 电主 控制器 主控 C P U ， 变桨 H MI ， 伺服 驱动 器 1 、 2 、 3等通过工业 现场总线 如 P r o fi b u s 、 C A N、 工业 以太 网等 进行 通信 和数 据交换 ， 传感 器 和执行 机构 等通过分散在各个柜子的远程 I ／ O模块与变桨 C P U 相 连 ． 实 现状态 反馈和设置。 收 稿 日期 2 0 1 6 ． 0 5 ． 1 3 1 3 5 WW W． a u t o a p p ly ． t o m 自动化应用 图1 传统变桨系统结构 传 统 模 式 的变 桨 系 统 由于 需 要 及 时 响 应 主 C P U的位置指令 以及 反馈 变桨系统 的状态 和故障等 ， 因此与 主控 C P U之 间的通信协议必不可少 ， 而且要 设 置合适 的通 信波特率和数据量 ， 以保证 系统 运行在合 理 的通信负载率 的同时尽量能实 时响应 主控指令 协 议包含 主控 发出的位置 、 速度 、 主控系统状 态 、 心跳信 号等 以及变 桨系统反馈 的位 置 、 速度 、 变桨 系统状态 、 驱动器状态 、 各 I ／ O状 态 、 心跳 、 故 障等信号 。 传统变桨系统设计 的缺 陷 1 系统 中有 较多 的通信 连接 点 ， 风机 运行 时 轮 毂 的旋转振 动使 得这些 连接 点容 易成为 潜在 的故 障 点 。 2 变桨 C P U通过通信从 主控接受变桨指令 ， 然后 经过 P I D运 算输 出指令给到驱 动器 ， 其 间会 有若干个 程序循环周期和通信周期 的延时 ， 影响实时性 。 3 变桨 系统 与主控 C P U的通信 内容受制于通信 协议 ， 而通信协议并不能反映所有的变桨状态 ， 想要 _- r 解更多的变桨状态只能进入轮毂查看 ， 不易于维护 。 2一体化控制的变桨系统的设计 针对上述传统变桨系统存在的问题 ， 提 出基于一- 体化控制 的变桨系统优化设计 。 2 ． 1系统硬件设计 变桨系统与主控 的构架设计如 图 2所示 。 将原 来 轮毂 中的变桨 C P U与主控 C P U合二 为一 ，即主控 币 新 能 源 变桨的程序均集成于风力发 电主控制器 而 I ／ 0模块 则集成 于驱动器的端 口中， 删去原来 的 P L C系统 中的 I ／ 0模 块 驱动 器 自带 的 C a n o p e n通信模 块与 主控系 统 的 C a n o p e n模块 通过 电滑 环进行硬件 连接 ． 删 去原 来 主控 系统与变桨 系统 之间的通信连 接 原来 变桨系 统 的 HMI功能 也 移植 到 主控 的 HMI中 ，即在 主控 C P U中将变桨 系统详细信息传送 给 H MI 。并且 显示 ， 可显示 所有变桨系统信息 ， 而不再受 制于原来 通信协 议 的数据量 。 图 2 变桨 系统 与主控 的构架设计 2 ．2软件功能设计 一 体化设计 的变桨 系统 P L C程序 按其 功能 主要 分为 以下程序模块 1 主流程模 块 用 于整个 变桨 系统 的状 态流 程 跳转 控制 ， 包括 “ 系统 上 电” 、 “ 系统待机 ” 、 “ 系统服 务 模式 ” 、 “ 紧停模式 1 ” 、 “ 紧停模式 2 ” 等。 2 驱动器控 制模块 用 于控制伺 服驱动 的状态 ， 如驱动器上 电 、 使能 、 抱 闸等 。 3 故 障检 测和处 理模 块 用 于所 有故 障的检测 以及故 障产生后 的处理 。 4 位置控制模块 用于对桨 叶的位置控制的计算 。 5 数 据处理 模块 用 于与驱 动器 交互 的数 据处 理 ， 以及跟主控交互 的数据处理 。 6 与 H M I 数据交互 模块 将需要 显示 的数据传 给 H MI 。 在软件功能设计 中． 原来 的主控与变桨 系统 的通 信模块 已经被 删去 ， 对 于需 要交 互 的数据 ， 程序 将直 接通过全局变量来调用。 一 体化设计的变桨系统人机界面 H MI 程序功能 1 显示变桨系统状态 进人变桨状态界面后 ， H MI 上 详细显示 了所 有变 桨系 统 的状 态 ， 系统状 态 、 驱动 器状 态 、 桨 叶位 置 、 变 桨速度 、 后 备 电源 电压 、 电机 电 流 、 电机温度等 。 2 显示变桨 故障码 故障发生 时 ， 能查看 到具体 发生 的故 障名称 ， 并且给 出故障详 细说 明和可 能的解 决方案 。 3 显 示 I ／ 0点 状态 在 主控 H MI 的界 面能直 接 看到通过驱动器通信传 给主控 的 I ／ 0信号 。 4 查 询更改 驱动器参 数 通过 H MI 界 面 的输 入 框可 以查询某些驱动器参数 。 5 手动变桨 控制 停 机状态下 ， 进 入变桨 服务模 式 ， 可 以控制桨 叶单轴运行 。 6 校 零控制 在 H MI 界 面有 实现桨 叶校零 功能 的按钮 主控 H MI 实 现的功 能将会极 大地方便 变桨 系统 的故障分析 以及轮毂维护 。 2 - 3设计的优势 1 减少 了整 个风机 系统通信设计 量 。传统 的系 统有主控 到变桨 C P U 的通信 ，再从 变桨 C P U到 驱动 器的通信 ， 现在的设计只有从主控 C P U到驱动器 的通 信 ， 极 大地 减少通 信故 障 的发 生率 ， 从 而提高 风机 的 可靠性。 2 硬件设计上 ， 变桨系统减 少 了 C P U、 通信模块 以及 I ／ O模块 ， 使 得系 统更加简 单 、 模块 化 ， 减 少 了故 障点 ， 同时也减少 了采购成本 。 3 主控 C P U发 出的变桨位置指令能直接给 到执 行 机构 ，而非经过 中间 的变桨 C P U后 再给 到执行机 构 ， 大大提高 了实时性和系统动态跟随性能 。 4 一体 化系 统 ， 变 桨 的所有 故 障和状 态都 能显 示 在主控 H MI 中， 极大地提高维护 的效率 以及风机 的 可利用率 。 3结语 一 体 化设 计将 变桨 系统 与主控 系统 硬件 部分 整 合 、 软件统一设 计 ， 极 大地提高 了系统的可靠性和实时 性 ， 并且能够有效降低风机电气系统 的制造、 维护成本 。 上接第 1 0 7页 的有效提升 。 参考文献 [ 1 ] 陈昆． 配网 自动化建设实施 中的问题分析及对策[ J ] ． 大 众用电， 2 0 1 4， 0 4 [ 2 ] 张栋． 分析配 网 自动化 系统运行 中存在的 问题[ J ] ． 通 讯世界， 2 0 1 5 ， 2 3 [ 3 ] 郑碌侠． 电力系统 中的配网自动化技术应 用的探讨[ J ] ． 现代工业经济和信息化， 2 0 1 5 ， 2 1 自动化应用 2 0 1 6 6期 ；1 3 6