风电控制走向自动化




 

　　德国倍福自动化有限公司中国华东区经理兼风电事业部经理马兴凯

 

 

　　蓬勃发展的新能源行业，需要大量的自动化设备，无疑对各大有实力的自动化大厂是利好消息。新能源行业对于自动化的技术要求也是非常高，需要企业不断的研发和开发新的技术和解决方案。

 

　　据马兴凯介绍，倍福以基于PC的自动化新技术作为公司的发展理念，所生产的工业 PC、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT自动化软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。

 

　　在风电行业，倍福基于PC的自动化控制技术可以提供一个功能强大的控制器，它能够将一个风力发电机组的所有组件，例如变桨、发电机、变流器和制动器的运行管理和控制，以及状态监测和风场网络监控，都整合到同一个平台上。它无需使用特殊硬件，可显著降低风力发电机组基础电气设备的成本和维护费用，同时提高了其可利用率。

 

　　风电行业在2013年逐渐恢复，倍福凭借领先的技术在风力发电机并网，状态监控等领域获得大量新的订单。倍福自动化技术在全球范围内的风力发电机组中得到成功应用，其应用的单机容量已达到5MW。目前，在全世界范围内，有超过26000台风力发电机组运用了倍福控制技术——包括陆上和海上风力发电机组。

　　

 

　　可再生能源在全世界范围内的扩展速度越来越快。降低二氧化碳排放量的需求以及核能不断下降的接受度是这次发展的两大主要因素。然而，由于风能和日光不是随时都可以得以使用，因此，将再生能源馈入电网会导致很大的问题。倍福基于EtherCAT的高速自动化解决方案实现了小于1ms的反应时间。电压跌落的早期诊断也增加了电网兼容性。

 

　　马兴凯介绍说，倍福已朝着这个方向前进，许多国际电网并网条例——所谓的电网准则 ——现在规定了每台风力发电机组的LVRT性能（即低电压穿越技术）。这就意味着，如果电网电压突然改变，例如由于短路而导致的电压突然改变，设备必须继续与电网保持规定时间的连接并且必须馈入规定的无功电流以利于故障定位和维持电压。而后，其必须在几秒钟的时间内恢复到全有功功率馈入。所需的无功电流取决于电压跌落的深度且必须取决于风里发电机组或电网并网点的要求。

 

　　在这个基础上，每台现代风力发电机组如今都能够对电网中的电压跌落做出适当的反应。风场正变得日益大型且高达500 MW的装置也不再是什么新鲜事了。考虑到风场内部电力网的大小，根据电网并网点的条件在风力发电机组级起运行的LVRT调节常常不能产生电网营运商想要的效果。由于风力发电机组与电网并网点之间存在的阻抗，所以它们之间的电压会有差异。也就是说各个风力发电机组对电网中的变化会做出不同的反应。同样，馈入风力发电机组级的无功电流与电网并网点的最终无功电流也是不一致的。

 

　　倍福解决方案即用于解决这个问题，且其能够让整个风场对电网中的电压跌落做出协同的反应。这样，解决方案即可实现整个风场在电网并网点的确定的行为。

　　

 

　　在第16届卡塞尔能源系统技术研讨会上，有专家发表文章，认为风场网络监控速度以及风力发电机组自动化现场总线的速度对风场电压或无功功率控制可实现的动态性产生了显著影响。

 

　　“而这恰恰就是倍福解决方案的重点，”马兴凯这样说道。倍福解决方案采用基于EtherCAT的风场网络监控。迄今为止，风场网络监控都是使用以太网实现的。以太网光缆用于将单独的风力发电机组连接到主计算机。因为EtherCAT基于以太网，所以其与以太网完全兼容。当使用EtherCAT时，也可应用相同的物理性。此外，EtherCAT还完全实现了电缆冗余。风场中的光缆环网在风场主机处闭合。所需的TCP/IP通信通过EtherCAT I/O系统中的交换端口端子模块进行。亮点就在于，与目前使用的支持冗余的交换机相比，使用EtherCAT不仅可以显著提高传输速度，而且还可以产生显著的成本效益。

 

　　EtherCAT明显增加了系统速度：一个包含1500字节的EtherCAT报文可由主机在77μs的时间内完成发送和再次接收。假设每台风力发电机组的过程映象区为50输入字节和50输出字节，那么具有150台风力发电机组的风场的过程映象区可以在小于一毫秒的时间内刷新。如果速度要求或风力发电机组数量明显增加，那么可在一台主机上实现多个EtherCAT环。

 

　　此外，通过EtherCAT还实现了其它新技术：例如，超采样功能使得频率高达100kHz的信号测量或输出成为可能。例如，借助于EtherCAT功率测量端子模块EL3773，超采样技术可用于测量电网并网点的电流和电压。采样频率可达10KHz。

 

　　“总之，这意味着，通过使用现有的标准元件，风场控制器能够让整个风场在电网并网点对电网电压下降做出既定反应。除故障情况外，也可在风场中实施高动态电压或无功功率控制器，应用于弱电网并网。”马兴凯说。

 

　　由于EtherCAT系统的开放性，该解决方案也可与第三方供应商的控制器一起使用：用于所有常见现场总线系统（例如PROFIBUS、PROFINET和CANopen）的主站和从站接口可用于EtherCAT端子模块系统。串行协议可用于大多数接口；通信也可使用并行线路完成。可与690伏电压直接连接的EtherCAT功率测量端子模块EL3413可在任何风力发电机组上使用于检查控制器。通过拓扑还可以收集到例如气象数据的其它信号，既简单又便宜。

　　

 

　　目前，中国的风能行业正在不断的恢复。在经历了2008~2010的飞速发展，以及2011~2012的低谷徘徊之后，风电行业在2013年得以复苏，并已进入了一个健康、稳定、持续发展的阶段，每年都有稳定的装机量，风机的质量也在不断提升。中国需要发展新能源，以应对形势严峻的环境问题。在经历了洗牌之后，风能行业得以更加健康的发展，“这对于新能源行业是个好消息。”马兴凯认为。

 

　　倍福的极速风场网络控制解决方案；风力发电机的状态监测端子模块EL3632和相关的TwinCAT CM库文件；简化风机软件开发工作的风电功能库等，对于风电单机控制及风场网络监控都有着良好的帮助。

 

　　“无论是在德国还是在中国，倍福都拥有强大的风机技术专家队伍，为风电客户提供各种服务。”据马兴凯介绍，倍福能为客户提供完整的风电控制解决方案，除了控制硬件和软件本身，倍福也拥有数十年的电气柜生产经验，可以为风电客户提供风机控制电柜的开发和生产，以及风机的现场电气调试直到最后并网发电，从而缩短整个项目开发周期，降低客户的项目开发成本以及快速实现系列化生产。

 

　　在硬件方面，性能不断升级的工业PC、基于EtherCAT工业总线技术的I/O端子模块和灵活的总线组件、为风电定制电力测量模块EL3413、EL3773等是实现风机控制坚实基础。凭借EtherCAT总线技术，在风电行业推出一个“一网到底”的创新方案，即变桨，变流以及主控均采用EtherCAT总线通讯，实现同一个控制平台，“这样的好处是极大的提高了风机设备的可利用率，降低了故障发生率。同时，减轻了风机现场的维护工作，也便于风机后期的改造和升级。”马兴凯这样说道。

 

　　尽管风电行业经历了快速发展到整顿重组等阶段，但风电作为绿色能源在国家能源战略中占据着重要地位，未来，倍福将持续为风电行业提供优质的产品，不断提升服务水平，与风电企业加深合作，共同迎接下一轮新能源产业的崛起。