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    1、蓬勃發展的風電技術

　　風力發電正在中國蓬勃發展，即使在金融危機的大形勢下，風力發電行業仍然不斷的加大投資。在2008年，風力發電仍然保持著30%以上的強勁增長勢頭，包括Vestas、Gemsa、GE、國內的金風科技、華銳、運達工程等其訂單交付已經到2011年后。

　　國內的風力發電控制技術起步較晚，目前的控制系統均是由歐洲專用控制方案提供商提供的專用系統，價格高昂且交貨周期較長。開發自主知識產權的控制系統必須要提上日程，一方面，由于缺乏差異化而使得未來競爭中的透明度過高，而造成陷入激烈的價格競爭，另一方面，尋找合適的平臺開發自主的風電控制系統將使得制造商在未來激烈競爭中獲得先手。

　　然而，風電控制系統必須滿足風電行業特殊的需求和苛刻的指標要求，這一切都對風力發電的控制系統平臺提出了要求，而B&R的控制系統，在軟硬件上均提供了適應于風力發電行業需求的設計，在本文我們將介紹因何這些控制器能夠滿足風力發電的苛刻要求。

    2、風力發電對控制系統的需求

　　2.1高級語言編程能力

　　由于功率控制涉及到風速變化、最佳葉尖速比的獲取、機組輸出功率、相位和功率因素，發電機組的轉速等諸多因素的影響，因此，它包含了復雜的控制算法設計需求，而這些，對于控制器的高級語言編程能力有較高的要求，而B&R PCC產品提供了高級語言編程能力，不僅僅是這些，還包括了以下一些關鍵技術：

　　2.1.1復雜控制算法設計能力

　　傳統的機器控制多為順序邏輯控制，而隨著傳感器技術、數字技術和通信技術的發展，復雜控制將越來越多的應用于機器，而機器控制本身即是融合了邏輯、運動、傳感器、高速計數、安全、液壓等一系列復雜控制的應用，PCC的設計者們很早就注意到這個發展方向而設計了PCC產品來滿足這一未來的需求。

　　為了滿足這種需求，PCC設計為基于Automation Runtime的實時操作系統（OS）上，支持高級語言編程，對于風力發電而言，變槳、主控邏輯、功率控制單元等的算法非常復雜，這需要一個強大的控制器來實現對其高效的程序設計，并且，代碼安全必須事先考慮，以維護在研發領域的投資安全。

　　2.1.2功能塊調用

　　PCC支持PLCopen Motion、PLCopen Safety和PLCopenHydraulic庫的調用，這對于風電這一集合了變槳運動控制、安全邏輯設計、液壓控制的綜合系統來說是再好不過的選擇.變槳控制將考慮多個伺服的定位和同步關系，而safety為機組提供了多種安全回路設計以保護機組的安全可靠運行，液壓控制被極其容易的集成到系統中而無需購置專用的液壓控制模塊。同時，PCC支持用戶自定義庫的封裝設計，用戶可以將其自身的核心算法封裝為功能塊來調用，這使得一方面代碼的安全性得到了很好的保證，而另一方面，它也提供了針對不同機組的系統調用，大大簡化了軟件的重構，支持快速開發。

　　2.1.3All In One的設計理念- Automation Studio?

　　Automation Studio?設計初衷是建立在一種放眼整機控制而不是局部（只關心驅動或者邏輯，獨立組件），30年的豐富OEM控制設計使得B&R深刻理解“整體”的意義，因此，其軟件包設計為面向整個機器的各個對象（邏輯、運動、測量、通信、顯示）和過程（配置、項目規劃與管理、診斷、調試、維護）。

　　對于B&R Automation Studio而言，控制器的設計、變槳伺服、液壓控制、Safety技術、通信均在一個”All In One”的工具包Automation Stduio中實現，對于風力發電這樣的綜合多種控制需求的系統而言，Automation Studio提供了一個完整的工程設計與應用的平臺，它使得代碼生成、仿真分析、遠程診斷與維護集成為一體，難道還有什么需要不能滿足嗎?

　　拋開技術的因素，對于用戶而言，一套軟件即可實現所有的應用需求，這降低工程師的學習成本，也作為一個平臺，為用戶提供了長期持續創新的軟件平臺基礎。

　　3、Matlab/Simulink自動風力發電控制器代碼生成

　　這是一個令人振奮的設計-Matlab/SIMULINK被集成到Automation Studio中，提供了一種將MATLAB這一廣泛應用于工程設計和仿真分析的工具。

　　2008年開始，B&R與Mathworks建立了深度的合作關系，采用MATLAB/SIMULINK工具，提供針對電力行業的模型構建、仿真分析與代碼生成設計。

　　3.1基于建模的系統設計

　　控制系統設計是基于數學建模的，這是所有工程應用的目標和基礎理論，而Matlab正是提供了建模設計架構上的系統仿真和分析。

　　通過SIMULINK，建立模型就如同裝配物理系統本身一樣，模型中的組件就像實際的物理線路連接一樣方便，這些物理連接代表理想的傳導路徑，通過這個方法，可描述系統的物理結構，而無需推導和實現用于系統的方程，模型與原理圖非常相似，從模型中，SIMULINK可自動構造描述系統運行的微分代數方程，這些方程可與其它方程集成在一起。例如你可以定義線性和飽和變壓器、避雷器和斷路器以及輸電線路的模型，勵磁、液壓和風力渦輪機組，以及電力電子單元的GTO、IGBT模型，對于控制和測量單元的電壓、電流、阻抗測量，RMS測量，有功和無功功率的計算，以及abc-to dq0及dq0到abc的轉換，三相單元的RPL負載、同步或異步發電機，電動機分析和測量工具均可以被組件形式建立模型，并通過SIMULINK來連接。

利用SIMULINK可以為風力發電機組建立控制系統模型

　　3.2 SIMULINK的電力應用分析能力

　　SIMULINK里包含了柔性輸電系統向量模型、風力渦輪的向量模型、電機的直接轉矩控制和磁場定向控制模型等。SIMULINK為電力系統網絡提供了三種解決方案，以及一種理想的切換算法，可通過高頻切換提升系統的仿真性能。在 Simulink中使用變步積分算法來執行高度精確的電力系統模型仿真。其中一些積分算法可處理在實際電力系統建模中常遇到的數值剛性系統。

　　SIMULINK提供的零點穿越檢測功能，能以十分精確的機器精度檢測并求解不連續過程。離散仿真采用固定步長梯形積分法來仿真系統，特別適合帶電力電子設備的電力系統模型。該模式還有助于實現模型的實時執行。向量仿真則采用一組固定頻率代數。

　　3.3 代碼自動生成

　　通過MATLAB/Simulink，系統建模的控制器代碼可以被生成，并經過優化成為真正可用的程序，而這些強大的功能也被集成到了Automation Studio中，對于開發風電控制系統而言，這無疑是一種非常好的選擇。

　　4、基于B&R系統的風力發電解決方案

　　B&R風力發電控制包含了軟硬件方案，也包括上述所提及的仿真分析在內，應用于變槳、功率控制與電網檢測和遠程維護等。

　　4.1.變槳控制方案Pitch Control

　　變槳控制是在ACOPOSmulti伺服驅動器和X20CPU的設計上的，可以快速實現風力發電的變槳控制（Pitch Control）,通過光纖接口的實時通信技術Ethernet POWERLINK，可以將三個槳葉的伺服參數進行高速同步通信。

　　4.1.1SPT（Smart Process Technology）提供了快速的調槳過程。

　　智能過程技術是作為ACOPOSmulti內置的功能塊運行的，它提供了一種智能化的位置控制方案，可以根據給定外界參數而快速的尋找最佳的路徑來獲得對槳葉的快速調整，滿足在最大葉尖速比的獲取，以及在安全邏輯下的快速復位保護槳葉。

　　4.1.2伺服直接控制

　　即使在控制器失效的情況下，變槳系統也能安全的對槳葉進行控制，這得益于ACOPOSmulti伺服驅動器內置的SPT設計，驅動器滿足了極端情況下的控制需求。

　　4.1.3直流供電設計

　　ACOPOSmulti伺服驅動器為公共直流母線設計（Common DC-Bus Technology），可以通過直流母線來進行能量的均衡分配，而特別指出的是：通過與知名的電池制造商的合作，ACOPOSmulti伺服驅動器內提供一個備用電池的方案，這一方案對于電網沒有交流供電時槳葉的安全保護控制和啟動狀態下的位置調整至關重要，或者這是極富競爭力的設計之一。

　　4.2.風力發電專家模塊

　　4.2.1 X20CM0985-電網檢測和并網同步

　　對于風力發電，專用的三相電網檢測和并網同步模塊X20CM0985無疑是極富競爭力的專家模塊設計，它具有以下功能設計：

　　4.2.1.1測量

　　4.2.1.1.1常規測量功能：作為一般的電力測量模塊使用，可多路測量線電壓、相電壓、頻率。

　　4.2.1.1.2發電機側測量：并網模式時用來測量發電機側各項參數

　　● 相電流

　　● 電流均值

　　● 動態電流均值

　　● 中性線電流

　　● 線電壓

　　● 相電壓

　　● 視在功率

　　● 有功功率

　　● 無功功率

　　● 頻率

　　4.2.1.1.3同步主網監測：發電機側和電網側同步端口參數測量相角差、電壓差。

　　■ 熱過流監測

　　■ 不平衡負載監測

　　■ 短路電流監測

　　■ 電壓不平衡監測

　　■ 勵磁監測

　　4.2.1.2同步并網功能

　　該模塊最大的特點是具有同步并網功能，兩路同步主網端口可同時監測網側和發電機側的電壓、相位、頻率等參數。模塊內部可比較判斷同步條件是否具備，當網側和機側的電壓幅值、相位差、頻率差滿足一定條件時，激活并網功能，輸出脈沖信號觸發并網開關，使發電機回路輸出電能饋送到電網上。

X20CM0985電力測量與并網同步專家模塊

　　4.2.1.3應用結構圖

X20CM0985電力測量模塊應用結構圖

　　在電路圖中可以看出，該模塊可以直接測量發電機定子和網側三相電壓，利用電流互感器改變發電機定子電流變比后接入模塊來測量發電機定子電流。另外，兩路同步主網端（Synchronization mains network 1和Synchronization mains network 2）監測網側和發電機側對應線路中電壓、相位和頻率值。如果同步條件滿足則數字量端口DO4發出并網脈沖使主回路上開關合閘，電能饋送電網。

　　數字量端口DO1作為輸出繼電器使用，含一個開點和一個閉點。運行中模塊會監測發電機相關狀態，當出現如過壓、欠壓、超頻、欠頻、過流、短路、電壓電流不平衡和勵磁失效等狀態時，DO1會輸出高電平信號驅動外部電路動作。

　　數字量端口DO2可輸出脈沖信號供外部電能計量用。

　　數字量端口DO3作為電網電流電壓監測輸出信號，當模塊檢測到電網電流或電壓低于參考值時DO3輸出高電平信號。

　　數字量端口DO5和DO6無特殊功能，可作為一般輸出點來使用。

　　4.2.1.4工作模式

　　■ 滑動窗口同步模式

　　■ 同步狀態監測模式

　　■ 低電壓非同步模式

　　在B&R集成開發環境Automation Studio中可對模塊功能及參數進行一些設置，如工作模式、同步端口選擇、同步窗口參數、電流電壓放大倍數、狀態監測等等

　　4.2.2其它I/O模塊簡要描述

　　除了專用的X20CM0985，B&R還提供：

　　4.2.2.1帶有示波器功能的AI/AO模塊：對于監控風電參數，并提供示波器顯示分析能力。

　　4.2.2.2光纖中繼器模塊：X20BH模塊用于遠程的設備通信可以使得遠程站擴展到2km以上.

　　4.2.2.3PWM輸出模塊：用于針對逆變器的控制等專用模塊。

　　4.2.2.4IP67等級模塊：除了針對機柜內的控制系統，IP67等級模塊也適用于風力發電野外應用的靈活配置和現場接線能力，上述的AI/AO均有IP67防護等級產品，支持M12的連接。

　　這些，都是B&R可以應用于風力發電領域的特殊設計模塊。

　　4.3風電安全回路設計

　　4.3.1 B&R Safety技術

　　B&R safety技術是目前運行最高效率的安全系統，并且有完整的產品線如Safetylogic 、Safety I/O,Safety Motion、Powerlink Safety,滿足SIL 3級別的設計，安全邏輯的掃描周期為1ms，是目前刷新最快的Safety Logic產品，B&R SafetyLogic是基于POWERLINK實時通信技術而設計的，通過將系統中關鍵的邏輯如強風、惡劣天氣，機組的狀態變化如葉輪過速、扭纜、電源失效、制動和操作人員的緊急按鈕動作等通過黃色的X20 Safety I/O輸入到系統中，而Safetylogic控制器作為一個POWERLINK Controlled Node來運行，只有在Safety邏輯對應的I/O動作時才引發一個安全邏輯的執行過程（這些過程依據引發安全的源而設計為不同），Safetylogic是獨立于標準控制單元的

　　4.3.2風力發電安全邏輯設計

　　通常，有多個安全系統過程可用，每一個安全系統過程制定激活哪一個安全回路，有多個傳感器開關：葉輪轉速、電機轉速、掉電后電機功率、機艙振動，制定不同安全傳感器的的級別和不同安全邏輯生效下的不通設備失效動作的時間延遲，Safetylogic系統將引導緊急停機，例如失效下安全的變槳動作、電機切出、應用軸剎車以及斷開偏航驅動、機組脫網動作，最大限度的保證機組的安全，并且這些安全相關的數據將被存儲到緊急停車過程中，后備電源將納入安全邏輯中來以便為停機過程提供控制器電源保障。

　　B&R Automation Studio工具包支持PLCopen的Safety庫應用，支持20種開放的PLCopenSafety功能塊，對于風力發電這樣牽扯到嚴格的機組安全的應用而言，它不僅高效、完整的并且開放，易于構建安全邏輯。

　　即使對于惡劣的環境，B&R也有IP67等級的Safety模塊可供使用。

　　4.4. PLCopen Hydraulic庫支持液壓控制

　　在風力發電中，液壓變槳方案由于其輸出功率大等特點而被大量應用，而剎車制動、偏航系統的液壓也采用了液壓系統來進行。

　　通過在齒輪箱輸出端與發電機之間安裝液壓系統、限壓系統、壓力補償、恒流恒速以及制動系統，在槳葉轉數隨風速變化時，不會導致發電機組的輸出電壓和頻率的不穩定，有利于并網運行。

　　目前750kW機組通常采用葉尖剎車系統和高速軸機械閥剎車系統，采用失效-安全保護模式來運行。

　　B&R Automation Studio支持液壓庫，AsHydCon V1在2006年已經發布開始使用，可提供液壓定位、補償和PID調節算法功能塊，支持PLCopen的Hydraulic庫使得B&R Automation Studio可以為風力發電設計液壓控制的系統。

　　4.5.遠程診斷和維護

　　4.5.1遠程維護是必需的設計

　　對于風力發電機組而言，遠程監控無疑至關重要，因為，風力發電機組的安裝往往是在海邊、山谷風口、沙漠隔壁這樣的遠離市區的地方，因為，只有這些地方才能提供較大的風力資源。

　　4.5.2多種遠程維護方案

　　遠程診斷與維護提供了維護風電場設備和系統的便捷方案，在B&R系統中，實現遠程方案靈活并且能夠不增加或很少的成本即可。

　　4.5.2.1基于VNC Server的遠程維護

　　在B&R的HMI和Controller中，VNC Server和Web Server只需配置即可，這是一個軟件功能塊形式存在的，無需增加任何成本，并且，VNC Server的監控軟件是免費的可獲得的，不僅提供完全現場監控級的權限，也能夠提供參數修改和設置的能力。

　　4.5.2.2 Web Server則提供了基于Internet遠程訪問的能力

　　通過Windows自帶的IE瀏覽器即可實現對遠程主機的數據監控，包括CPU運行、當前I/O參數等。

　　4.5.2.3 FTP Server提供了遠程的程序傳輸能力

　　通過FTP Server程序的修改可以由本地PC完成后經由Internet遠程下載到控制器中。

　　4.5.2.4 SNMP則提供了電子郵件發送數據的可能

　　E-mail可以傳送如現場數據、報警信息等到監控端的電子信箱中。

　　4.5.2.5GSM支持則使得關鍵數據可以通過手機MMS短信形式在最快的時間里發送到監控工程師的手機上，以便及時的對現場問題采取措施。

　　4.5.3監控范圍

　　在B&R的系統中，遠程維護不僅僅代表在軟硬件意義上可以有靈活的實現，而且也包含了：

　　4.5.3.1針對各種參數的監控

　　不僅僅是電流、電壓，事實上在風力發電場的每個參數，一個傳感器的輸入、I/O模塊、CPU、甚至軟件中的中間變量都可以被遠程監控到。

　　4.5.3.2運行分析

　　通過靈活的軟件平臺，B&R也能為風力發電場提供整場運行的數據分析基礎，包括設備維護、根源分析等管理級任務，這個可以由B&R APROL DCS系統來完成，貝加萊提供了不僅僅是整機控制、監控、也提供面向整場的管理級服務。