基于Beckhoff　CX9020嵌入式控制器的全新一代风机变桨系统的自主开发

2016-07-12李博

自动化博览 2016年4期

案例分享

基于BeckhoffCX9020嵌入式控制器的全新一代风机变桨系统的自主开发

东方电气风电有限公司李博

图1　TwinCAT Wind

东方电气风电有限公司（DEW）是国内唯一拥有双馈型和直驱型两种类型风机的公司，是绿色能源风景线的主创力量，作为全球领先的风电技术和服务供应商，已为国内外企业和消费者提供了各型双馈和直驱风电机组超过7000台，运行状况良好。东方风电在提供风机整机设备的同时，拥有完全自主知识产权的风机电控系统。其中，借助Beckhoff基于PC的先进控制技术在风机变桨系统的完全自主开发及成功应用，得以在国内外风电控制系统领域脱颖而出。

变桨系统是风力发电机组的核心控制系统之一，其主要功能一方面是根据风速的大小来调节风力发电机组桨叶的桨角，改变气流对桨叶的攻角，使风力发电机组的输出功率能够根据风速的大小进行自动调节，保证风力发电机组的输出功率最高，并且输出在额定功率以内；另一方面是在风力发电机组发生严重故障等极端情况下能够完成紧急收桨，保证风机安全。因此，变桨系统的安全可靠直接关系整台风电机组的安全可靠，变桨系统必须满足高冗余性、低故障、高负荷能力等要求，尤其是当风力发电机组运行在极端环境条件下。

东方风电是一家完全自主进行变桨系统开发的风机供应商，这立足于公司超过7000台风电机组的运行经验，以及借鉴和总结了国内外大功率风电机组变桨系统的需求和发展趋势。关于电动变桨系统中直流变桨和交流变桨系统的优缺点：交流变桨系统一般采用交流伺服驱动器和交流伺服电机，交流伺服电机结构简单、可靠耐用、成本低、维护方便，正好克服了直流电机结构复杂、制造成本和维护成本高的缺点。所以，东方风电自主开发型变桨系统最终选用交流变桨方案。

东方风电自主开发型交流变桨系统架构如图1所示。系统主要包括三个轴控柜、三个后备电源柜、三个变桨电机及桨叶冗余角度编码器、限位开关等相关附件。交流变桨系统的核心是由一个主控制单元和三个执行单元组成：主控制单元的核心部件选用的是德国Beckhoff公司的全新一代CX9020高性价比嵌入式控制器以及E-bus系列相关通讯和I/O模块；三个执行单元的核心部件选用的是行业主流的风电专用伺服驱动器和交流伺服电机。同时，东方风电自主开发型变桨系统采用拥有国家发明专利的变桨系统冗余安全链设计，从根本上保证变桨系统的安全可靠。

图2　东方电气交流变桨系统架构

倍福新一代的CX9020嵌入式控制器结构极为紧凑，代表着先进的PC控制技术。CX9020是一款适合DIN导轨安装的高性价比控制器，由先进的组件构成：ARM Cortex™ A8 CPU和设计极为紧凑但存储容量很大的MicroSD卡，工作温度范围为-25℃～+60℃之间，可以满足极其严苛的环境要求，全新的外壳设计能够更好的应对电磁干扰，尤其适合风力发电机组变桨系统极端气温条件的运行要求。

图3　倍福C×9020嵌入式控制器

倍福CX9020控制器已广泛被东方风电变桨系统所采用，一方面用于实现叶片变桨距的控制和调节，另一方面用于实现对整个变桨系统实时状态的监控与故障码管理。I/O模块方面采用了倍福的E-bus系列EtherCAT端子模块。相对于传统的K-bus总线端子模块，E-bus系列端子模块提供了更快速的响应、更便利的诊断及更加灵活的通讯接口。

使用CANopen从站模块EL6751-0010实现变桨系统与风机主控系统之间的通讯连接；使用CANopen主站模块EL6751实现变桨控制器和三个驱动器之间的通讯连接；同时使用CX9020集成的RS485接口CX9020-N031实现变桨控制器对后备电源充电器状态信息的监控。倍福CX9020嵌入式控制器的网络接口操作简单，使得变桨系统的程序升级及调试工作也更加容易。