双馈风电机组控制系统国产化替代应用
2017-05-15刘彦东关宝峰
文 | 刘彦东，关宝峰
技术
双馈风电机组控制系统国产化替代应用
文 | 刘彦东，关宝峰
控制系统改造技术方案
一、改造原则
为保证被改造风电机组的安全，减少对机组发电量的影响，同时使改造具有一定的先进性和系统内的示范性，特确定以下改造原则：尽量缩小改造范围，利用系统原有部件，缩短改造时间，使改造费用科学合理；改造的核心是控制器件的通用性和扩展性更强；在未来三至五年内，技术上不需要升级，采购上保证硬件有多家供应商可供选择。
二、硬件改造
由于现场的主控装置大部分安装在机舱内，想要整体更换机舱控制柜，需要打开机舱进行更换，面临更换难度大、费用高的问题；塔底控制柜虽然比机舱柜更容易更换，但内部电器元件都还可以使用。为了解决这个问题，利用主控系统原有的电气设计，对以下硬件进行了改造：
（1）采用德国倍福公司最新的低温型控制器CX5020，可在零下30℃正常运行。
（2）通信方式由原来的lightbus总线改为最新的EtherCAT总线通信方式。
（3）配套的人机显示屏将具有零下20℃的低温运行性能,图形化、人机友好性得到较大提升。
（4）远程监控系统基于风电场级的OPC Server，可实现多家SCADA系统的集中接入。
三、 硬件改造系统通信框架图与优点
温型控制器CX5020，处理速度快，低温性能好。
EtherCAT总线通信方式，通信速度更快，抗干扰能力更强。 图形化人机界面，具有简单易操作，分层合理，功能强大的特点。
远程监控系统基于风电场级的OPC Server，具有传输速率快，运行安全稳定的特点。（见图1）
四、软件改造
（1）功率曲线优化，优化最优转矩曲线和额定转矩的无扰动切换，保证风能捕获效率最大，提高风电机组的发电效率 。
（2）增加变桨变增益控制，根据桨距角大小改变桨叶控制器的增益，达到维持额定转速，稳定运行的目的 。
（3）增加转矩阻尼控制，转矩阻尼控制可明显减小传动链和塔架的振动，降低疲劳载荷，同时可减小变桨执行机构和叶片的载荷，延长机组的使用寿命。
（4）主控系统屏蔽自身电网故障，控制变桨系统快速顺桨以稳定发电机转速，配合变频器完成低电压穿越。
（5）可用故障码扩充，在故障执行动作细分的基础上，新程序故障码的数量进一步增加，提高系统可靠性，以及在故障情况下排查故障源的能力。
图1 改造后的系统通讯框架图
（6）增加有功无功调节接口，按照国网接入的最新标准，根据风电机组调节特性在控制策略中增加有功调节和无功调节功能，并在SCADA中增加有功无功调节接口。
（7）控制参数可修改 ，一些关键的控制参数，以TXT形式存储在PLC的CF卡中，每次PLC上电后读取，同时可以通过人机界面对参数进行修改及存储。
（8）偏航控制优化，针对机组的风向和机舱位置测量及偏航驱动配置，改进偏航启动和停止的逻辑，通过运行经验滤除风向偏差干扰，提高对风精度。
五、 风电场数据上传解决方案
主控系统提供风电场级别的OPC server，集成所有主控制系统的数据采集、远程控制和有功无功调节接口。该数据集成架构（如图 2所示）采用国际标准的OPC规范开发，具备开放性、标准性和扩展性。OPC接口规范自1995年提出以来，在自动控制领域获得了广泛的认可和推广，目前在风电场监控领域亦已经得到广泛应用,常被用于报送上一级调度系统的数据格式要求中。
控制系统改造解决的问题
一、根据定子温度自动限功率功能
针对一些风电机组在高风速下满功率长时间运行会出现定子温度高的故障而导致风电机组停机的问题，添加了当温度升到一定的温度值后自动限功率运行，当温度降低到一定的范围后慢慢增加运行功率直至满发的控制策略。在风电机组改造后的运行过程中获取的该策略生效时的运行曲线如图2所示。
曲线中的最高风速为20m/s，最低为12m/s，满功率运行时温度很快上升到130℃附近，风电机组开始进行自动限功率控制，随着温度的下降后运行功率逐步上升，上升到1800kW左右后达到热平衡则维持该功率运行。
二、优化控制策略降低风电机组塔架振动
根据风电机组2012年历史故障记录分析发现，16#机组共发生机组塔架振动等级2故障239次，该故障发生原因为变频器转矩控制不与主控进行配合，同时原控制逻辑没有考虑机组共振区，导致振动故障频发，目前变频器转矩受主控转矩指令控制，同时设定机组共振区（300-1000转），能够使机组起机运行时快速通过共振区，降低振动等级2故障的发生频次。
三、恒功率控制策略
改造系统采用的Double PID耦合控制算法，在并网前后的暂态过程以及转速位于额定转速附近的动态过程中，相对于原系统的转矩查表和变桨PID单独作用的控制方式，耦合控制器可通过转矩和桨距角的协调控制，明显降低机组功率波动。改造后系统在满发状态下瞬时功率采样录波曲线如图3所示。
四、增加转矩阻尼，降低传动链振动
风电机组运行中传动链的振动对机组的寿命有严重的影响。传动链的振动不仅体现在主轴、齿轮箱等机械应力的波动，而且其振动频率与塔筒的二阶频率相同，也会引起塔架的高频振动。
图2 根据发电机定子温度自动限功率运行曲线
图3 现场瞬时功率曲线
图4 转矩加阻尼算法框图
采用转矩阻尼控制可明显减小传动链和塔架的振动，降低疲劳载荷，同时减小变桨执行机构和叶片的载荷，延长机组的使用寿命。转矩控制的算法框图如图4所示。
五、便利的有功功率调节功能
原有主控系统远程监控有功功率调度功能不方便，需要进入每台风电机组的远程界面进行修改，恢复同样需要进入远程界面。改造系统在SCADA中开放了功率控制接口，通过远程监控界面，可以对单台机组的有功输出进行实时控制，也可以通过批量控制功能，对风电场所有的机组进行功率调节。图 5为功率控制试验测试曲线：图5上图为实时功率曲线（绿色）和发电机转速曲线（橙色），进行功率调节的期间，转速依然维持得很好。图5中间的图是给定转矩，图5中的下图为实时风速，风速处于额定风速以上。测试结束后功率控制功能取消，有功功率也很快恢复了。
六、增加了低电压穿越功能
原主控系统不具备低电压穿越功能。改造主控系统在程序中加入了判断进入低电压穿越过程的条件及控制逻辑，配合具备低电压穿越功能的变流器，可满足国网公司提出的低电压穿越要求，图6为我国风电机组低电压穿越要求示意图，黄色区域为低电压穿越过程中确保风电机组不脱网的运行区域。
七、完善的现地监控人机界面
现地人机界面的主界面如图 7所示，顶行显示风电机组的运行状态，右侧为操作按钮和机组关键运行数据，点击机组系统拓扑图可观察机组关键部件信息，底行是主目录。采用分级登录的方法限制操作权限，规避风险。
点击主目录中的“风电机组查看”，界面如图 8所示。通过此功能可观察所有传感器和执行机构的运行数据。
点击主目录中的“日志查询”，风电机组运行日志如同飞机的“黑匣子”，存储机组运行的重要信息，不仅有故障记录，还有执行机构的动作记录。
点击主目录中的“维护”界面。左侧为机组部件维护操作目录。每个操作界面具有醒目的操作反馈，不仅界面上有防止误操作的功能，PLC控制程序中也有此功能。
点击主目录中的“参数设置”，左侧为参数分类目录。调试人员可以输入新的参数值，并点击“确定”按钮后可将新的参数值写入PLC控制器 。
八、优化的SCADA系统和报表功能
SCADA系统的主界面。菜单栏主要包括“实时监控”“历史信息”“统计分析”和“帮助”。
图5 有功功率调节现场测试曲线
图6 低电压穿越要求示意图
图7 人机界面主界面
图8 风电机组信息浏览
图9是单台风电机组的监控界面，包含实时运行数据、统计信息的显示、设备状态、温度统计、当前故障告警和远程操作功能。
风电机组批量操作界面，可实现多台机组进行启动、停止、复位、限功率等操作。
“历史信息”可查看报警信息、风速功率曲线、机组关键历史数据和PLC记录的SOE和故障录播曲线。
“统计分析”包括：发电量统计、故障时间、限电时间、可利用率和故障次数统计。统计方式可以按日、月、年统计、自定义时长统计。
九、添加现地故障复位硬件按钮
原控制柜体未提供故障复位按钮，风电机组运行五六年之后现地人机屏有可能出现异常，导致人机界面无法进入，从而在现地无法复位故障，影响现地的故障处理。针对此问题，改造系统开发了启动按钮的复用功能，设计了2秒内连续两次短时间动作启动按钮作为故障复位信号，持续超过5s动作启动按钮作为风电机组启动信号的功能。用于满足现场的人机显示屏出现异常后复位风电机组故障的需求。
控制系统改造后机组运行情况分析
一、机组运行情况
16#风电机组的改造工作自2013年8月25日开始，9月2日完成静态和空转调试，完成第一次限功率并网，9月7日开始满功率运行，并进行控制参数的观察和调节。9月23日开始全天候的不限功率运行。
二、风速功率曲线比较
改造后的16#风电机组的风速功率曲线与标杆机组18#的风速功率曲线进行对比，根据图10可以看出16#机组的风速功率曲线要优于18#。
控制系统改造后相比原系统的技术特色
新系统相比原Dewind主控系统有以下几大优势：
1.新系统采用EtherCAT总线通讯方式，相比于原系统的Lightbus总线方式更加稳定，传输速度更快，抗干扰能力更强。
2.新系统在参考原主控参数的基础上，采用了两头恒转速控制，中间最佳叶尖速比追踪的控制算法，相比于原系统的查表法拓宽了最佳叶尖速比控制的风速范围，提高了风能吸收效率，实测风电机组发电量比原系统有所提高。
图9 单台风电机组监控界面
图10 改造后16#与18#风速功率曲线对比
3.对机组的高频故障进行了针对性的优化，降低了机组塔架振动大和定子温度高故障发生率，提高机组的可利用率。
4.新系统人机界面友好，图形化、全中文、方便了风电一线维护人员操作。
5.新系统采用通用PLC，稳定性较原来的工控机更强，不易死机。新系统采用最新一代的5000系列，在今后很长一段时间内国内的供货都能有效保证，且供应商众多，利于供应链管理。
6.新系统核心控制硬件架构先进，关键性能好。BECKHOFF 5000系列PLC，CPU主频1G，计算能力出色，使得今后进行复杂算法扩展成为可能。此外，该系列PLC低温特性好，具备零下25℃无外界加热自启动性能。
7.新系统具备低电压穿越功能和有功无功调节接口，软件接口开放，采用国际通用的OPC规范提供对外数据接口，方便数据上送和接入其他监控系统，实现数据集成利用。
8.新系统事件日志功能增强（SOE和故障录波）。改造后的系统本地可显示的历史事件记录数据将增加到1000条，并可根据需要进行增减。同时系统提供故障前40秒，故障后10秒，50ms间隔的自动录波功能。
9.新的风电场SCADA系统更为先进，操作简便，功能齐全，便捷灵活的统计报表功能。原有DeWind主控的SCADA系统是基于Excel编程，无可视化界面，数据刷新慢，且无报表统计功能。
结语
机组进行了多项运行测试和功能测试实验，优化了机组的功率运行曲线，完成了维护模式下的偏航、变桨校正，远程无功调度等功能性实验，机组软硬件和可靠性得到了检验，此外还具备原有系统所不具备的以下优势：
1.硬件设备性能先进，低温性能好，便于维护。其中主控PLC性能先进，处理能力强，且不易死机，维护量小。人机显示界面采用触摸屏操作，全中文显示，图形化界面，人机交互友好。
2.远程监控性能提升。在原有的网络架构基础上，数据通信采用国际通用的OPC规范，提供对外数据接口，方便数据上传到远程集控中心。
3.控制算法优化升级。额定风速以下的功率较原有机组有一定的提升，更贴近原系统设计功率曲线，同时并网和额定风速附近的转速波动降低。
4.程序逻辑功能升级，故障处理时间记录功能增强。从风电机组运行维护的角度，根据实际需求，增加或修改了若干功能，提高了运行可靠性和易维护性。
5.具备通过远程系统实现整体有功功率控制的功能，接入远程AGC/AVC功率调度系统进行功能集成。具备低电压穿越功能，可满足国内最新的低电压穿越标准要求。
（作者单位：中广核新能源控股有限公司内蒙古分公司）
摄影：王志远
