分布式控制系统在风电机组控制中的应用

杨卫民，王斌，秦成虎，董胜刚，师毓佳

(国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210003)

1 问题的提出

我国风电发展已成为较为成熟的可再生能源，截至2009年年底，我国风电并网总容量达16．13 GW，同比增长92．26%。其中，2009年风电电量为269亿kW·h时，同比增长105．86%，占总电量的0．75%。我国已建立起了200个风电场，风电场的迅速发展带动了风能产业的发展和风能技术的进步。我国已能自行研制兆瓦级风电机组，最大功率达到3．0MW并开始规划海上风电项目。

当前，国内兆瓦级风电机组整机组装基本实现了国产化，机组部件诸如叶片、齿轮箱、发电机、轴承、塔筒、机舱罩等电气和机械部件已能完全替代国外产品。作为风电机组可靠稳定运行核心的电控系统(包括机组主控系统、逆变系统和变浆系统)尚不能迅速国产化。在主控系统方面，国内整机厂家保留了所引进原型机原配系统或在进口风电专用可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)基础上进行控制策略的应用。

由于国内风电行业总体处于起步阶段，各配套部件厂家的设备性能需要通过长时间运行磨合并不断提高，可靠性程度仍然需要不断提高，因此，采用原配系统的风机主控维护成本居高不下，采用进口风电专用PLC的主控系统因核心部件的局限性使其在运行过程中无法根据机组实际运行状态进行控制策略的优化和完善，从而影响机组长期运行的稳定性和可靠性。

随着国内风电场总装机容量的持续扩大，风场规模已从50MW上升到200MW乃至300MW，风机控制系统已经不局限于所属风机的控制，而要涉及到整个风场功率动态分配的范畴，从而对机组控制系统提出了新的要求［1］。

2 风机机组控制对象分布、运行环境要求及控制需求分析

风电机组控制主要涉及到轮毂中的变桨系统、偏航系统、逆变系统发电、发电机、液压站、变速箱、盘式刹车、振动检测系统和机舱内外环境控制及供电电源质量等监控。上述监控点分布在整个机舱内和塔筒底部。兆瓦级机组监控点一般在100～200个，且逆变系统具有塔顶机舱和塔底塔筒等多种安装方式，而变桨系统一般安装在机舱头部轮毂中，因此，机组被控对象具有典型的分布式特征。

风电机组运行环境比较恶劣，均为户外安装，在我国西北地区运行的机组需要耐低温风雪的侵蚀，东南部沿海地区又需要考虑盐雾的影响，因此，对控制系统的温度特性、耐腐蚀特性均有极高的要求。

风电机组输入具有不可控性和波动性，而机组输出又需要满足电网并网的要求，因此，对于单元机组控制系统要求具有良好的动态响应特性，以利于大规模机组群平稳地功率输出。

风电机组机舱及内部设备质量达几十吨，因此，要求安装在塔顶的控制柜具有最小化体积，同时控制系统需要便于接线和安装维护。

除此之外，控制系统的HMI显示功能，远程监控通信功能，必要的当地数据存储功能，完备的自诊断功能也是必不可少的。

3 风电机组常见的几种控制系统分析

目前，国内市场风机整机厂家配套的主控系统基本为国外进口产品，主要有以下3类特征:

(1)以丹麦Mita公司WP3100，WP4000系列为代表的风电机组专用控制系统。

(2)以奥地利Bachmann公司M1系列和德国Beckhoff公司CX1020嵌入式PC为代表的风电机组专用PLC控制系统。

(3)以 Siemens S7－300/S7－400，罗克韦尔(A－B)公司CompactLogix系列为代表的中小型通用PLC构成的风电机组控制系统。

比较上述几类系统，其技术特点为是各具特色:

(1)Mita公司作为老牌的风电主控系统研究和制造厂家，过去20年间在分布于世界各地数万台风机的运行中积累了丰富的经验，因此，其控制系统无论在结构的紧凑性、运行的稳定性和控制策略的丰富性方面都可圈可点。该系统本地功能非常强大，内部可提供诊断和控制状态信息多达千余条，技术人员可方便地通过就地或远程进行维护。内部控制程序采用C++语言编制，尽管在HMI界面上预留了多种参数设定权限，但是，控制策略仍然需要厂家进行调整，测点类型和数量需要在整机制造前约定，在线增加测控点不方便。报警信息采用代码制，界面没有实现中文化，这些因素给运行人员维护造成了不便。该控制系统技术保密性很强，需要依赖专业厂家进行维护。

(2)奥地利Bachmann公司和德国Beckhoff公司的风电主控系统均是在通用PLC基础上演变而来的，其中系统性能指标为适应风电控制严酷的环境要求进行了强化，均可达到在－30～60℃恶劣环境下的使用要求，I/O模块在常规通用PLC I/O基础上进行了混合集成，对于机组控制多见的DI/DO测点而言，它可在模块内部定义信号类型，从而最大程度地减少模块种类和数量，实现结构的紧凑化。Bachmann公司在控制逻辑上可提供部分其自带的控制算法功能模块。此类PLC因为是在通用PLC基础上强化而来的，它保留了传统PLC的特点，测点扩展功能方便，通信扩展功能丰富，逻辑组态支持符合IEC61131－3标准等特征。目前，国内很多整机厂家采用这类产品针对自己的目标机型进行控制逻辑的开发，控制逻辑一般采用顺序功能流程化语言SFC(Sequential Function Chart)和结构化文本语言ST(Strutured Text)混合编制，由厂家自行现场调试完成后交付风电场业主。

(3)Siemens S7－300/S7－400;罗克韦尔(AB)公司CompactLogix系列为代表的通用PLC厂家因为其供货和售后维护的方便性、成本的相对低廉性而得到一些整机厂的青睐。

以上几类进口系统技术性能各有各的特点，但因为底层平台均掌控在国外厂家手里，同时国内整机厂因为竞争的需要，整机交付并完成试运行后，机组控制策略一般不交付给运行维护人员，而是由整机厂进行维护，造成运营商维护成本较高，维护响应较慢，从而影响了有效发电时间。

以PLC为基础的风机主控系统，基本可以满足单台风机的控制需要。但是，同一风场中的不同机组之间可交互的信息非常少，不容易实现全风场的优化运行。随着风电场规模越来越大，风电在电力系统中的比例也越来越大，这些都对风电的控制提出了新的要求。例如，要求实现自动发电控制AGC(Automatic Generation Control)功能，而要实现这一功能，必须要对全风场的风机进行协调控制。基于分散控制系统的风电机组主控系统充分利用了系统分散性和集中性的特点，将各风电机组的控制分散到各机组的物理点，同时将不同机组的数据相对集中进行综合分析和处理，可方便地进行机组之间的协调控制。

4 面向对象的WP100系列风电机组控制系统

WP100系列风电机组控制系统是国电南京自动化股份有限公司以大中型火电机组分散控制系统(DCS)研发和工程实施为基础，针对风电机组运行和维护需要推出的专用控制系统。采用WP100系列控制系统构成的兆瓦级风电机组控制系统的典型配置方案如图1所示。

图1 采用WP100系列控制系统构成的兆瓦级风电机组控制系统典型配置方案

4．1 系统架构配置方案

针对兆瓦级风电机组测点分布特性和运行维护的方便，WP100系列控制系统分为塔底主控制器机架和机舱扩展机架。图1是采用WP100系列构成的兆瓦级风电机组控制系统典型配置方案。

机舱机架由电源模块、子通信模块和各种I/O模块组成。机舱机架实现以下功能:

(1)采集塔顶各个部件的相关状态量;

(2)机舱机架和变桨系统交互，实现高低风速下的控制要求。由于主要的风电机组部件都集中在机舱中，机舱部分的测点相对塔底要多。机舱I/O监控测点会随着机组等级的提升、控制要求的深化进一步增加，因此，机舱控制器机架需要预留足够的扩展槽位以方便后期扩展。

塔底机架由电源模块、主CPU模块、主通信模块、扩展通信模块和各种I/O模块组成。塔底机架实现以下功能:

(1)采集塔底各个部分的温度、各个供电回路的状态等，同时通过交流采样模块采集网侧三相电压电流和有功、无功;

(2)塔底机架和逆变系统交互，用于实现风机的并网脱网，在发电过程中对逆变系统下达转矩控制指令以优化发电量和控制最大发电量。

在这个配置下，机舱和塔底之间信息传输采用光纤以太网连接塔底主通信模件和机舱子通信模件，子通信模块通过内部并行总线和I/O模块交换数据，并将数据汇总后通过光纤以太网和塔底控制器CPU进行信息交互。机舱机架与塔底机架各模块通过以太网与人机界面连接，同时通过一个集群所有风机的交换机所构成的光纤环网与后台监控连接。

4．2 WP100控制器的特点

WP100控制器平台CPU采用低功耗的工业X86系列工业控制器作为核心处理单元，采用铝合金外壳封装，可以有效防止机舱恶劣的电磁干扰、灰尘和风沙的冲击，能适应西北地区的环境要求，其外观如图2所示。

图2 WP100控制器结构外观

WP100控制器平台底层操作系统采用实时内核扩展的Linux RTAI开源嵌入式操作系统，确保控制器的安全运行。该操作系统具有完整的内存保护功能同时驱动设备加载组件化实现了良好的可扩充性，并支持真正的多进程工作方式。采用实时内核扩展功能的操作系统，使得执行任务时间和非实时标准Linux操作系统相比由数十毫秒提升到数百微秒，从而使控制器实时特性得到极大提高［2］。

WP100控制器的一个重要技术特征是糅合了DCS控制逻辑运行在线修改并下装执行的功能。该功能保证机组可在不停机的情况下，根据机组实际运行的状况实现优化、重新构建控制逻辑和在线下装的功能。这种逻辑优化完全区别于目前常见风电控制器的在线现有参数的修改或调整，从而使风场高级运行人员可随时根据当前机组运行的状况进行优化调整。同时由于不需要停机，从而极大地减少了停机对整机设备造成的冲击磨损。

WP100控制器在控制逻辑上采用面向设备对象的图形化处理方式。在系统常用的功能块的基础上，增加了风电机组特有的设备FBD库和算法FBD库，如图3所示偏航系统的功能块和如图4所示的风速平均值计算的功能块等。考虑到目前国内风电场运行人员大部分由火电厂调配而来，所以，整个控制逻辑采用火电厂控制人员所熟悉的SAMA图模式。SAMA组态图能清楚地表示系统功能，易于运行人员理解和修改。柜体加热功能的SAMA组态图如图5所示。

图3 偏航功能块

WP100控制器具有完全的自主知识产权，可方便地根据不同整机厂家的设备配置建立对应的设备功能块;同时，可将核心算法封装在控制底层，以保证逻辑运算的高效性。WP100控制器支持风电场业主运行人员采用ST结构化语言自定义功能块。采用这种架构，可保证风电场运行人员通过监控系统很直观地观察机组运行时所有设备变量和中间变量的状态，同时很好地保护了系统制造厂家的技术私密性。

图4 风速平均值计算功能块

考虑到目前国内风电场规模从50MW至300 MW不等，整个风场均需要配备机组群监控系统进行中央监控室监控甚至远程监控。WP100控制器在保留一些必需的当地信息储存量的同时，重点突出其实时控制功能而将大部分的诸如报警记录、历史数据、统计信息以及实时数据通过网络传递给中央监控系统处理、存储和分析。这样，一方面减少了控制器资源占用，降低了控制器CPU运行负荷，另一方面充分利用了中央监控系统成熟度高、易维护、资源扩展方便的特点，使得整个系统具有较好的功能综合分配。

图5 柜体加热功能SAMA组态图

5 结束语

风电控制器作为机组运行的核心技术，目前基本掌控在国外厂家手里，因为其技术垄断造成的高昂成本给风电运营商长期、稳定、持续运行造成不便。国电南京自动化股份有限公司在为大、中型火力发电机组提供DCS的基础上，经过认真对比风电机组特性和运行要求后，推出面向风电机组控制对象的风电专用控制系统。风电专用控制系统具备了上述软、硬件优势及结构上的特点，且已通过了半物理拖动仿真系统的试验验证［3］和全测点风电机组仿真系统的测试验证，预计经过后期试运行和现场持续的运行考验和持续完善，可能会打破国外风电控制系统在该领域的垄断局面，为国家风电新能源的发展做出应有的贡献。

［1］白晓磊．风力发电功率预测及AGC机组调配的研究［D］．北京:北京交通大学，2009．

［2］齐俊生，崔杜武，黑新宏．嵌入式Linux硬实时性的研究与实现［J］．计算机应用，2003，3(6):34 －36．

［3］王斌，吴焱，丁宏，等．变速变桨距风电机组的高风速变桨距控制研究［J］．电力自动化设备，2010，30(8):81－83．