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EtherCAN以太网CAN转换器在风力发电系统中的应用     下载

风能是非常重要并储量巨大的能源,安全、清洁、充裕,能提供源源不绝而稳定的能源。目前,利用风力发电已成为风能利用的主要形式,受到世界各国的高度重视,而且发展速度最快。风能产业作为一个新兴的有前景的高新技术产业。2020年我国风电总装机容量要达到3000万kW的目标,为风能产业的发展提供了很大的空间。据统计,架设5公里电线及以后的电费投资,远远大于太阳能风力发电系统的一次性投资,足以让您一劳永逸。

风力发电有三种运行方式:一是独立运行方式,通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力,用蓄电池蓄能,以保证无风时用电;二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合,向一个单位或一个村庄或一个海岛供电;三是风力发电并入常规电网运行,向大电网提供电力,常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向。而MW级风力发电技术早己开始研发。

在架构上,风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变浆距调节技术发展、发电机向着变速恒频发电技术发展,这是风力发电技术发展的趋势,也是当今风力发电的主要技术。

应该说国内风电设备制造行业的迅猛发展,国内市场可供用户选择的风机类型越来越多,随之而来的是对风机稳定性和性能的关注。风机电控系统的快速、可靠性和稳定性很大程度上决定了一款风机的成功与否,所以它是风力发电应用技术中的核心部件。而电控系统的性能主要取决于所选方案和所采用的零部件。为此,本文主要对风力发电控制系统基本架构与风力发电应用中的电控系统及其新型控制器选择和应用作分析说明。

风力发电控制系统基本架构

2.1 系统构成

图1为风力发电控制系统网络拓扑。从图1所知,风电机组电控系统是对风电机组自动启动、停机、平稳并网、双速切换、自动对风、数据检测和处理、故障记录及自动保护等就地控制功能。风电厂由三部分组成:就地控制部分、中央集控部分与通信部分。根据不同风机的应用通信部分分为两部分:风机与风机间或风机与控制中心的网络通信部分与风机内部控制通信部分。

2.2 网络结构及其系统主要部件与功能

从图1可知,风电作为典型的分布式控制系统,采用光纤及工业交换机组成环形网络结构,要求网络设备可以在高粉尘、高寒、高热、强电磁环境中运行,实现宽带、可靠稳定的传输风机的各种参数。

目前风机内部变频变桨减速等控制系统均以CAN总线控制居多,而将风机内部数据远传到主站或子站往往会使用以太网的传输方式,所以如果想在主/子站控制风机内部系统如修改参数或程序配置,就需要使用以太网转CAN模块,将TCP/IP协议转换成CANOPEN协议,用于风机内部控制。

2.3 关于风电场的监控系统

由于风电场单机容量小、数量多,为了确保各台风力机的安全运行,风电场设置有先进的计算机监控系统,该系统一般由地面监控(或称就地监控-LCS)(可从图1看出)和中央监控(CMCS遥控)两部分组成,其中就地监控主机可使用工控机,就地监控包括如下功能:

⑴ 运行人员可以从就地控制盘前计算机屏幕上了解到各台风力机的运行状况,如:该风力机处风速、发电机电压、电流、功率因数、主轴转速、齿轮箱及轴承温度等等。

⑵ 可以通过控制盘上的键盘,方便地修改风力机的保护定值,如过压保护整定范围,频率保护整定范围,风速极限值的修改等等。

⑶ 该控制系统能根据自己所检测到的风速、风向情况自动发出开机寻找风向(即自动偏航)或停机的控制命令,同时还能进行自我诊断风力机是否存在故障、是否需要停机。该系统还能对电网进行检测,如发现电网电压、频率工作不正常则立即停机,待电网恢复正常后自动起动。

⑷ 该控制系统具有先进的记录功能,能记录所有发生过的故障或不正常运行状态,并告诉运行人员发生故障的时间。该系统还能进行产量报告,能记录该风力机的月发电量,及累计发电量和运行小时数。

中央控制系统设在控制室内,通过监视器可以了解到整个风场各台风力机的运行状况。中央控制系统除主机外,还有一套备用设备,可供主机故障时投入,可随时向人们提供所需的报告。

3  风电机组电控系统结构中的控制器应用

3.1 控制器是整个电控系统的核心

其主要任务是控制风机根据风能的变化调整输出,以及风机在运行过程中的各种数据检测、系统保护、通讯等功能。整个控制系统的输入输出点数并不多,一般不多于300点。如对MW级风力发电机组控制系统的特点是点数不多(整个控制系统的输入输出点数并不多,一般不多于300点)以及数据计算量大,尤其是远程监控系统、故障检测及自复位功能的应用使控制器的数据计算量很大。由于同一时间不同优先级事件的存在,控制器必须按照事件的重要程度执行不同的扫描周期。

这些特点要求控制器具备高速度、支持多优先级多任务程序结构、支持高级算法等功能。此外,为保证系统各控制器与变频设备之间通讯的可靠性及实时性,控制器还必须支持现场总线及远程监控使用的工业以太网通讯。

3.2 传统控制器的不足与问题的解决

迄今为止,控制器解决方案由大量的微控制器和专有的总线系统组成。市场上常见的风力发电机控制器的开发能力已经达到极限。在控制器、厂房生产计划系统和远程数据传输系统等各种功能单元的状况下,实现其接口互嵌是非常困难的。另外,传统的控制器仅仅提供有限的资源,只能够提供有限的监控和诊断功能。这必将无法满足风力发电机和生产厂商不断增长的需求。用户十分期待拥有更好的分析和诊断设备。尤其在应用于风力电场时,电网公司对灵活的网络管理和快速的反映时间有着高要求。

由于工控机提供的开发平台也是开放性的,它可以轻易地解决不断增长的、和外设相兼容的接口需求,是当今新型风电机组电控系统的理想选择。它能实现技术开发的首要目标,即达到提升发动机效能、减少载荷、增加操作便利性,从而减少成本。

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