永磁直驱风电机组控制系统综述

彭滋忠，邓秋娥

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

永磁直驱风电机组控制系统综述

彭滋忠，邓秋娥

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

摘要：风力发电机生产厂家及各类媒体出于保密的目的对风机控制系统的介绍甚少。本文以某型永磁直驱风电机组为原型，对风机控制系统中的轮毂控制、机舱控制、塔基控制进行了比较详细的描述，以期对从事风电运行、维护、检修工作的同仁有所启迪。

关键词：控制系统；永磁直驱；风力发电机

1　前言

五凌电力窑坡山风电场位于湖南省临湘市境内，共设计安装25台单机容量为2 000 kW的某型永磁直驱风电机组，总装机容量50MW。预计年上网电量为10 135万kW·h，年等效满负荷小时数为2 031 h，容量系数为0.232。发电机的参数如表1所示。

表1　某型永磁直驱风电机组技术参数

2　风力发电机组主系统的组成

某型永磁直驱风电机组由叶片（3片）、轮毂、发电机转子及定子、机舱、塔筒（分4段）、箱变、全功率变流器、控制系统等组成。主系统结构如图1所示。

3　控制系统的构成

某型永磁直驱风电机组控制系统由轮毂控制系统、机舱控制系统、塔基控制系统、辅助设备、箱变控制系统等构成。

3.1轮毂控制系统

由精密滑环、转速编码器、油酯泵、变桨制动器（3个）、变桨电机（3台）、轮毂控制柜（3个）、后备电源柜（3个）等组成。

图1　永磁直驱风电力发电机主系统图

（1）轮毂电气控制柜的作用主要是控制变桨和紧急收桨，同时有在线检测、超速保护、轮毂速度检测、变桨轴承和变桨齿轮润滑控制、轮毂温度监视等功能。

变桨控制系统包括3个主要部件：驱动装置—电机、减速器和变桨轴承。通过控制系统来驱动电机带动回转轴承转动将叶片以精细的角度进行变桨，从而改变叶片迎角，由此控制叶片的升阻比，以达到控制作用在风轮上的扭矩和功率的目的。一般变桨角度为0°~90°。如果一个驱动器等部件发生故障，3个叶片通过驱动或备用电源进行紧急收桨，并使风机停机，保证风机的安全。

变桨控制系统3个主要任务：

1）通过调整叶片角度，扑捉到最大风能。

2）当风速超过额定风速时，调整叶片角度，保证轮毂的转速恒定，发电功率稳定。

3）当风速超过切出风速时，叶片进行收桨，保证风机的安全。

（2）精密滑环、转速编码器：风机滑环的主要作用是用来传递机舱到轮毂的电源和信号。同时滑环里有个速度编码器，可以探测轮毂的转速，并将此信号输入给控制柜。滑环的铜环与轮毂一起旋转，外壳通过拨杆连接到机舱。

（3）油脂泵给变桨齿轮周期性的润滑提供油脂。

（4）制动器：风机停机或对风机维护时锁紧叶片。

3.2轮毂控制柜的组成及作用

（1）连接经滑环来的380 V主动力回路，提供风机变桨动力电源。

（2）超速继电器，检测风机转速，超速时紧急停机收桨。

（3）后备电源柜：设有后备电源模组及后备电源管理模块。后备电源模组有超级电容模组共5组，每组超级电容的电压/电容量为90 V/9.6 F，串联后的电压为450 V。每个超级电容模组设有过压、过温、反极性接点输出至后备电源管理模块。后备电源管理模块由PLUS公司生产的PAS395型超级电容充电器及过压、过温、反极性检测模块组成。这些模块的输出接点输出至PLC装置，以便于PLC装置对超级电容的工作状态进行实时监测。

（4）轮毂控制柜由主动力回路、供配电回路、驱动器回路、油脂泵控制回路、超速继电器、PLC装置等组成,如图2所示（1只叶片，其他2只相同）。

图2　轮毂控制主电源及后备电源回路示意图

路斯特驱动器的型号为CDE34.044,系德国LUST公司专为风机变桨驱动开发的一款驱动器，具备下列功能：

1）手动/自动切换空接点输入接口，切换至手动状态时可在变桨控制柜上操作变桨电机正转或反转（叶片正转或反转）。

2）正转/反转空接点输入接口，切换至手动状态时可在变桨控制柜上操作变桨电机正转或反转。

3）具备叶片桨距角91°、95°限位判别空接点输入功能。

4）具备变桨电机温度监视模拟量输入功能，模拟量输入为变桨电机测温电阻Pt100。

5）具备变桨电机旋转角度判别输入接口及功能，变桨电机旋转角度传感器由安装在变桨电机上的旋转变压器来实现。

6）具备轮毂转速判别接口及功能，其接口信息来自精密滑环上的轮毂转速编码器。

7）可将超级电容器来的DC450V电压逆变成AC 380 V电压作为变桨电机紧急备用电源。

8）具备远方空接点输入复位故障信号接口。

9）具备启动刹车继电器接口（端子）。

10）具备9针RS232接口，可采用CANOPEN协议与PLC及塔基控制柜通讯。

普尔斯超级电容充电机型号为PAS395,系德国PULS公司专为超级电容充电开发的充电机。该充电机输入AC 220V,可在几分钟时间内将超级电容充满电，具备充电机故障、准备好、电容充满电空接点输出至PLC。

轮毂控制PLC(仅1号柜配置)为德国Beckhoff公司生产的一款小型模块化PLC，布置图和配置表见图3、表2。

图3　轮毂控制系统PLC布置图

表2　轮毂控制PLC模块说明

油脂泵控制回路由启动回路、液位监视、流量监视组成。PLC根据设定的周期定时启动油脂泵对3个变桨齿轮给油脂润滑。液位监视及流量监视接点输出到PLC。

变桨驱动及制动机构由驱动电源、电动机、电动机测温Pt100、角度传感器、减速器、制动器等组成。

3.3机舱控制系统

由机舱控制柜、偏航电机（4台）、机舱内外热交换风扇、定子冷却风扇、发电机加热除湿器、偏航刹车、扭缆开关、液压站、维护刹车、主轴承及偏航齿轮油脂泵、振动传感器、机舱烟雾探测器、三风杯风速风向仪、超声波风速风向仪、机舱内外温度传感器、发电机定子测温电阻Pt100（每相4个）、发电机冷却空气温度测温电阻Pt100（2个）、主轴承测温电阻Pt100（2个）、机舱控制柜内由温度传感器、继电器，指示灯、按钮等自动化元件等组成。

（1）机舱控制柜由柜体、端子排、PLC、自动化元件、加热通风、照明设备等元器件组成，均采用世界著名品牌产品。

1）机舱控制PLC为奥地利Bachmann（巴合曼）公司专为风机控制开发的模块化小型PLC，布置图和配置表见图4、表3。

图4　机舱控制系统PLC布置图

表3　机舱控制PLC模块说明

2）机舱控制柜的主要作用为与轮毂控制柜、塔基控制柜进行通讯。

3）根据风速风向仪的信号启动风机转桨、偏航。

4）监视发电机定子、主轴承、机舱内外温度，必要时启动加热与通风、告警。

5）根据PLC设定的周期给主轴承、偏航齿轮给油脂润滑。

6）制动、解缆功能。

7）其他辅助功能等。

（2）风速风向仪

1）三风杯风速仪，主流风速仪，型号：BLF1-SII；风向仪型号：BLF1-XII；浙江贝良风能电子科技有限公司生产。防护等级：IP65。具备防水、防尘、防冰冻、防腐蚀、防盐雾、抗电磁干扰等功能。

风速仪信号输出模式：开路集电极源极输出型（A型）（PNP）、开路集电极漏极输出型（B型）（NPN）、集电极闭路输出型（C型）。其输出信号到PLC。

技术参数如表4：

2）磁感应风向仪

输出信号分：4～20mA/0~20mA；0~10 V/0~5 V之间的电压电流组合，技术参数如表5：

表5　BLF1-XII型风向仪技术参数

3）超声波风速风向仪

型号：DMA-221HI;生产厂家：北京东方迪码科技有限公司。电源电压：DC 15~30V;输出信号类型：风速电流输出/风向电流输出，输出接口RS485。加热电源电压/功率：AC 220 V/260W。防护等级：IP65。具备防水、防尘、防冰冻、防腐蚀、防盐雾、抗电磁干扰等功能。其输出信号到PLC。

（3）偏航系统

1）风向仪将风向的变化用电信号传递到PLC的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出正或反的偏航命令。电机转速将通过同轴联接的减速器减速后增大力矩，将偏航力矩作用在机舱大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向仪失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

2）机舱旋转编码器：机舱偏航圈数计数器输入PLC。当机舱偏航正或反向偏航圈数超过设定值时，PLC控制机舱反或正向偏航、解缆，以防损坏电缆。技术参数如表6：

表6　旋转编码器参数

3）机舱制动器：4个固定在机舱底座上随机舱绕塔筒旋转；靠液压驱动作用于机舱的盘式制动环（与塔筒固定）使机舱制动。

（4）发电机转子（轮毂）制动器：4套固定于发电机锥型支撑上；靠液压驱动制动器作用于转子上的盘式制动环（与转子固定并一同旋转）使转子制动。锁紧销：1套，配菲尔斯特磁致伸缩位移传感器。维护轮毂或发电机转子时锁紧轮毂以保证维护人员安全。

（5）液压站及油脂泵：液压站给机舱制动器及轮毂制动器提供压力油。油脂泵给发电机主轴承、偏航轴承、偏航齿轮周期性的润滑提供油脂。

（6）其他辅助功能：测温、通风、加热、测振等。

（7）本地轮毂屏：维护轮毂及叶片时，按照程序操作各开关及按钮配合液压站停止轮毂转动并锁紧轮毂，防止轮毂转动，保证维护人员安全。

3.4塔基控制柜

主要由触摸屏、PLC、按钮、开关、继电器、光电转换器、UPS等自动化元件组成。主要作用是与轮毂、机舱控制柜、SCADA通讯，对风力发电机进行启动/停止、并网/脱网操作和控制（手动/自动,本地/远方），显示故障信息，统计发电参数，人机对话功能等。均采用世界著名品牌产品。

（1）触摸屏尺寸为10.4"，型号为TPC-651H-WT,研华品牌。

图5　塔基控制PLC布置图

表7　塔基控制PLC模块说明

（2）PLC为Bachmann公司专为风机控制开发的模块化小型PLC，布置图和配置表见图5、表7。

1）处理器模块MX213为基于PC技术、用于风机控制系统的模块。模块配备一个电源，集成有CAN主站，具有100Mb以太网端口，可将控制器便捷整合在物理分离的网络中。具有内置浮点单元(FPU)的计算模块适合于调节器应用。配有非易失性RAM，能在没有电池缓冲的情况下将数据可靠保存10年以上。

CPU：LX700-266MHz;

2个串行接口：1×RS232；1×RS232/422/485;

2个以太网接口10/100Mb/s带状态指示灯；

1个CAN接口、1个USB接口；

RUN、INIT和ERROR状态LED指示灯；

大容量CF闪存卡，容量可根据现场需要配置；

内存256MBDRAM；数据存储器512kBNVRAM；

PC卡上的程序存储器16/32/64MB FLASH，以及16MB内部闪存（4MB用于系统软件，12MB用于应用程序）；

内置带电源RTC；

PCC插槽、CF插槽；

Watchdog；

同步脉冲，也用于以太网、现场总线、SERCOS 和CAN；

可在模块面板通过16进制开关设置CPU-ID；

操作系统VxWorks与巴合曼系统扩展在内部闪存上。

2）FM211为fastbus模块：此模块为光纤模块，作用是可以扩展物理从站，增加一个控制器所带的模块数量。面板拆开后，可见到有一个拨码开关，可用于选择使用玻璃光纤或塑料光纤，其中玻璃光纤会贵一些，但抗干扰相对于塑料光纤好很多。

两站之间50/150/200m。

最大总长度：1 000m。

传输介质塑料光纤（POF）最长50m，硬包层石英（HCS）最长150m，HCS有时也称为塑料石英光纤（PCF），专用HCS光缆200m。

站数量最多16个。

3）DI0248模块为48路开关量输入输出模块：控制机侧断路器及网侧断路器的开闭，变流器的启停，变流器冷却风扇、冷却液的循环泵及控制阀的投退，维护控制模式的切换、加热器的投退等。

4）AI0288模块为模拟量输入输出模块，监视和控制变流器冷却液进出口温度、冷却泵进出口压力等。

风机控制系统连接图如图6。

图6　风机控制系统连接图

3.5编程软件和环境

Bachmann巴合曼控制器为奥地利生产的工业自动化控制设备，被称为风机专用控制器。它运行基于Vxworks的实时操作系统，支持多任务，具有强大的内存管理、界面编程等功能。巴合曼公司提供的SolutionCenter软件，是支持巴合曼控制器的编译环境。通过此软件可以使用C/C++编程并且生成可执行文件下载到控制器运行；或者是查看控制器的配置信息、以及控制器内运行的程序信息等；还可通过自带的java编译环境，编写与控制器关联的界面程序。

Beckhoff产品库为倍福德国风电团队开发的一套完整风机控制系统，适用于任何MW级别的风机系统控制，也适用于陆上型和海上型风机控制。该功能库的所有源代码对用户完全开放，用户可以对库的底层代码进行修改，可以依据实际的风机做相应的修改，也可以在自己的新的机型上使用该功能库。该库是基于TwinCAT 2的IEC61131-3的ST编程语言，采用面向对象的编程思想和模块化的结构设计的一套完整的风电控制解决方案，客户在基于该风电库的基础上可以非常容易的实现风机完整控制，并可以灵活的实现自定义的功能。

（1）主界面（二级）：概览、操作、启动条件、参数、故障日志、系统信息。

（2）子界面（二级）：轮毂、发电机、机舱、变频器、电网连接、气象站。

（3）统计（二级）：发电日志、可利用率日志、总计。

（4）事件（二级）：故障事故信息。

此外还有三级详细菜单，在此不再详细叙述。

4　结束语

某型风电机组控制系统采用德国Beckhoff产品及奥地利Bachmann产品，其控制功能强大、运行可靠、编程灵活。了解及熟悉其产品性能，对于从事风电运行、维护的人员有现实意义。

参考文献：

[1]Bachmann风电产品参考手册[Z].

[2]Beckhoff风电产品参考手册[Z].

中图分类号：TK83

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）08-0031-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.009

收稿日期：2015-05-04

作者简介：彭滋忠（1965-），男，工程师，从事水电厂、风电场机电设备检修维护工作。