浅谈海上风机控制器设计标准体系及关键需求

2022-02-20姜智锐徐少文

企业科技与发展 2022年10期

姜智锐，徐少文

（上海中广核工程科技有限公司，上海 2002411）

0 引言

风机控制系统是风力发电机组关键技术，能够控制并监测风电机组安全可靠地运行，大多数国内风电主机厂利用国外的控制器产品做集成，而控制系统中关键的核心零部件——风机控制控制器仍然以进口为主[1-2]。为此，国家发展改革委、国家能源局印发关于《能源革命技术创新行动计划（2016—2030年）》的通知中，要求聚焦能源装备制造“卡脖子”问题，加快控制系统研发，实现跨越式发展。

以往更多是研究风机控制系统的功能，而对于风机控制器需求研究相对较少，尤其是国产化风机海上控制器功能需求就更少。本文为研究适用于海上风电机组的风机控制器设计需求，从海上风电相关标准体系和主流海上风机控制器几个方面进行综合分析，得出海上风机控制器设计和验证的关键需求。

1 海上风机控制器主流产品分析

目前，国内市场风机整机厂家配套的海上风机控制器为国外进口产品，如MITA公司的WP4200控制器，Beckhoff公司的CX2040嵌入式PC， BCAHMANN公司的MC220风电专用PLC系统。主流海上风机控制器性能对比见表1。

表1 主流海上风机控制器性能对比表

2 海上风机控制器设计/验证标准体系

开发海上风机控制器要充分调研分析相关国家标准和行业标准要求。通过对国内外相关标准分析，形成海上风机控制器设计和验证标准体系（图1），共分为3层。第一层：风力发电机组设计要求，主要执行标准为《风力发电机组设计要求》（GB/T 1845.1）；第二层：不同类型风力发电机组的控制系统标准要求，主要执行标准为《风力发电机组控制系统第1部分：技术条件》（GB/T 25386.1—2021），该标准是针对当前主流的双馈变桨距风机控制系统的技术条件，对于老旧失速型风机控制系统，可参照《风力发电机组控制器技术条件》（GB/T19069—2003）、《风力发电机组控制器实验方法》（GB/T19070—2003）等标准；第三层：海上风机发电控制器设计及试验验证标准，主要包括风机控制器硬件设计执行标准、风机控制器软件设计执行标准和风机控制器测试验证标准。

图1 海上风机控制器设计/验证标准体系

将主流海上风机控制器产品性能需求同海上风机控制器设计和验证标准体系要求进行对比，其中差异项见表2，表2中的主流海上风机控制器指标相比标准体系要更苛刻和明确。

表2 主流海上风机控制器同标准体系需求差异

3 海上风机控制器关键需求分析

按照海上风机控制器标准体系梳理需求，同海上风机控制器主流产品性能进行综合分析得出海上风机控制器设计和验证的关键需求。

3.1 环境适应性需求

环境适应性需求，按照相关标准共包括环境条件、环境试验和耐久性评价等需求项，各执行内容及标准如下。

（1）环境条件包括工作温度、贮存温度、运输温度，具体需求参见表2中的指标执行。

（2）环境试验包括低温试验、高温试验、温度变化试验、湿热试验、盐雾试验、霉菌试验，试验按照《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法》（GB/T 2423.1—2008—GB/ T2423.101—2008）系列标准执行。

（3）环境耐久性评价与试验包括耐低温试验、耐高温试验、耐湿热试验、耐交变盐雾试验、耐霉菌试验，试验按照《海上用风力发电设备关键部件环境耐久性评价控制系统》（NB/T 31135—2018）标准执行。

3.2 电磁兼容需求

风机控制器电磁环境复杂，需要重点关注电磁兼容需求，PCB（印制电路板）要可靠接地，可以有效抵抗脉冲群干扰，所有控制电缆选用带屏蔽层的多芯电缆，增强抗干扰能力，满足静电放电抗扰度试验、射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌（冲击）抗扰度试验、振铃波抗扰度试验要求，电磁兼容试验按照《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》（GB/T 17626.2—2018）、《电磁兼容试验和测量技术振铃波抗扰度试验》（GB/T 17626.12—2013）等系列标准执行。

3.3 可靠性需求

相对于陆上风机控制器，海上风机控制器对于可靠性和安全性有着更高的要求，电源模块、CPU模块、通信模块、信号采样及主控模块等都需要进行冗余设计。为了满足海上风机对可靠性、高效性和安全性的要求，需要为风机主控系统设计冗余控制解决方案，从而提高风机主控系统的稳定性、可靠性，实现海上风机运行维护工作由被动故障维修向主动按需维护的转变。同时，控制器冗余技术中的同步特性和快速切换特性，可以实现在不影响风机生产的情况下对海上风机控制器进行远程系统维护和软件更新的功能，使风机控制系统更加高效、智能。

按照《海上风力发电主控系统技术规范》（NB/T 31043—2012）的要求，海上风机控制器中与安全保护功能有关的单个元器件的失效不应导致安全保护功能失效。

按照《失速型风力发电机组控制系统技术条件》（GB/T 19069—2017）的规定要求，与安全保护系统功能有关的单个元器件（如传感器或制动器）的失效，应不会导致安全保护系统的失效。两个独立元器件同时失效可归入不可能事件，因此不予以考虑。如果两个或多格元器件相互关联，则它们同时失效可视为单一失效。

就可用性和可靠性而言，对安全保护系统各个元器件应有最高的技术要求。按照《海上风力发电主控系统技术规范》（NB/T 31043—2012）的要求，元器件和材料应满足以下要求。

（1）元器件应尽量采用耐湿热型元器件，其耐湿热性能符合《船用低压电器基本要求》（GB/T 783—2008）中第7.1.1.2条规定的要求。

（2）印制板、插件等部件，在焊接完成后，必须无脱焊、虚焊、元件松脱或紧固件松动等现象。

（3）除陶瓷材料外的所有固体绝缘材料都应具有耐燃性，即部件经灼热丝实验（或焰针试验）后不起燃，或即使发生起燃，燃烧及灼热在一开灼热丝（或针焰）后的30 s内能完全熄灭且指示娟纸不起燃。同时，所有塑料部件应具有滞燃性，即经过滞燃试验后，这些部件燃烧或损坏部分的长度不大于60 mm。

（4）所有裸露部分导体、连接头、端子排均应做相应的防腐、防潮处理。

（5）所有裸露部分电路板、焊接点均应做相应的防腐、防潮处理。

3.4 海上风机控制器功能需求

为实现风电机组的主控系统与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获及变速运行，与变流器系统接口实现对有功功率及无功功率的自动调节。海上风机控制器具有以下关键功能需求。

3.4.1 通信需求

通信方式应采用下列方式的一种或几种[3]。

（1）海上风机控制器应能提供CANOpen、Profibus等接口，与变流器、变桨系统通信周期不大于20 ms。能提供100 M/1 000 M光纤以太网接口，支持下述一种或多种协议：IEC 61400—25、IEC 60870—5—104：2006、ModbusTCP、OPC等。

（2）按照海上风机控制器设计/验证标准体系，通信按照《海上风力发电机组主控制系统技术规范》（NB/T 31043—2012）、《双馈风力发电机组主控制系统技术规范》（NB/T 31017—2011）、《直驱永磁风力发电机组主控制系统软件功能技术规范》（NB/T 31103—2016）标准执行。

3.4.2 时钟需求

海上风机控制器应设有硬件时钟电路，在失去电源的情况下，硬件时钟应能正常工作，精度应满足24 h误差不大于±5 s，并支持校时功能，时钟功能需满足《海上风力发电机组主控制系统技术规范》（NB/T 31043—2012）标准要求。

3.4.3 保护功能需求

风机控制器应具有保护功能包括过电流保护、缺项保护、接地故障保护、过温保护、过电压、欠电压保护、通信故障报警、浪涌过电压保护及防雷保护[4]，相关保护功能要符合《海上风力发电机组主控制系统技术规范》（NB/T 31043—2019）、《双馈风力发电机组主控制系统技术规范》（NB/T 31017—2011）标准要求。

3.4.4 故障信息记录需求

海上风机控制器应能自动在本地存储器记录不少于128项指定的最近发生的故障信息，保留时间不少于6个月，分辨精度至少应达到5 ms以便事后故障的再现和分析，故障信息记录满足《海上风力发电机组主控制系统技术规范》（NB/T 31043—2019）标准要求。

3.4.5 事故追忆记录

记录分故障前和故障后两时段，两个时段的长短和采样间隔应可调整。追忆记录采样速率不大于1次每秒。记录时间长度不少于120 s，其中事故前不少于60 s，事故后不少于30 s。数据记录主要条目应满足《直驱永磁风力发电机组主控制系统软件功能技术规范》（NB/T 31103—2016）、《海上风力发电机组主控制系统技术规范》（NB/T 31043—2019）标准要求。

3.4.6 冗余需求

海上风机控制器应采用冗余技术，具备冗余的硬件或功能模块有电源模块、CPU模块、通信模块、信号采样及处理模块，冗余需满足《海上风力发电机组主控制系统技术规范》（NB/T 31043—2019）标准要求。

3.4.7 供电需求

海上风机控制器及由外部供电的I/O模块的输入电源的额定值和工作范围应满足《可编程序控制器第2部分：设备要求和测试》（GB/T 15969.2—2008）标准要求。

3.4.8 数字量/模拟量输入输出需求

数字输入/输出应按照《可编程序控制器第2部分：设备要求和测试》（GB/T 15969.2—2008）的规定要求，数字输入/输出应在给定的限值之内工作。

模拟量输入/输出、信号范围及阻抗的额定值应符合《可编程序控制器第2部分：设备要求和测试》（GB/T 15969.2—2008），规定的要求。

3.4.9 CPU和系统内存需求

随着风电控制程序中边缘计算的需要，主频应更高，内存更大，CPU频率达到1.6GHz左右，系统内存2GB及以上，以满足风机控制模型仿真等计算速度要求。

3.4.10 存储空间需求

海上风机控制器具备4GB的FLASH内存，并根据用户需求通过CF卡扩展存储空间；海上风机控制器具有512 KB左右的板载掉电存储，甚至具有1MB的板载掉电存储。

3.4.11 自检和诊断功能

按照《可编程序控制器第2部分：设备要求和测试》（GB/T 15969.2—2008）的规定要求，控制器应提供系统的运行实行自检和诊断的手段。这种手段应是风机控制器的内置服务或为实现预期应用而推荐的方法。

（1）监控用户应用程序的手段[如监视（看门狗）定时器等]。

（2）检验存储器完整性的硬件或软件手段。

（3）检验存储器、处理单元和输入/输出模块之间所交换的数据正确性的手段（如应用程序回送检查）。

（4）检验电源单元不超过硬件设计所允许的电流限值和电压限值的手段。

（5）监控主处理单元（MPU）状态的手段。

（6）永久性安装的控制器系统应能在报警输出上给出报警信号。当检测到系统“功能正常”时，该报警输出端应处于预先确定的状态。在其他情况下，则应处于相反的状态，制造厂应规定“功能正确状态”的条件，以及为驱动该报警输出而执行的自检的条件。

（7）远程输入/输出站（RIOS）在掉电或者不能与主处理单元（MPU）正常通信的情况下，应能在报警输出上（例如，通过一个数字输出模块）给出报警信号，并进入预先规定的状态。

3.4.12 结构需求

外壳温度应满足《可编程序控制器第2部分：设备要求和测试》（GB/T 15969.2—2008）标准限制条件；机械强度应满足《电气控制设备》（GB/T 3797—2016）要求，工艺防护要求满足《热带电工产品通用技术要求》（JB/T 4159—2013）要求，防护等级至少达到IP20，满足GB/T 15969.2—2008标准要求。