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    沈陽弗仕德科技有限公司欄目

    技術支持

    十年CAN總線設備制造與服務商,提供整體解決方案

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    EtherCAN以太網CAN轉換器在風力發電系統中的應用

      風能是非常重要并儲量巨大的能源,安全、清潔、充裕,能提供源源不絕而穩定的能源。目前,利用風力發電已成為風能利用的主要形式,受到世界各國的高度重視,而且發展速度最快。風能產業作為一個新興的有前景的高新技術產業。2020年我國風電總裝機容量要達到3000萬kW的目標,為風能產業的發展提供了很大的空間。據統計,架設5公里電線及以后的電費投資,遠遠大于太陽能風力發電系統的一次性投資,足以讓您一勞永逸。

      風力發電有三種運行方式:一是獨立運行方式,通常是一臺小型風力發電機向一戶或幾戶提供電力,用蓄電池蓄能,以保證無風時用電;二是風力發電與其他發電方式(如柴油機發電)相結合,向一個單位或一個村莊或一個海島供電;三是風力發電并入常規電網運行,向大電網提供電力,常常是一處風電場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發電機,這是風力發電的主要發展方向。而MW級風力發電技術早己開始研發。

      在架構上,風力發電系統中兩個主要部件是風力機和發電機。風力機向著變漿距調節技術發展、發電機向著變速恒頻發電技術發展,這是風力發電技術發展的趨勢,也是當今風力發電的主要技術。

      應該說國內風電設備制造行業的迅猛發展,國內市場可供用戶選擇的風機類型越來越多,隨之而來的是對風機穩定性和性能的關注。風機電控系統的快速、可靠性和穩定性很大程度上決定了一款風機的成功與否,所以它是風力發電應用技術中的核心部件。而電控系統的性能主要取決于所選方案和所采用的零部件。為此,本文主要對風力發電控制系統基本架構與風力發電應用中的電控系統及其新型控制器選擇和應用作分析說明。

      風力發電控制系統基本架構

      2.1 系統構成

      圖1為風力發電控制系統網絡拓撲。從圖1所知,風電機組電控系統是對風電機組自動啟動、停機、平穩并網、雙速切換、自動對風、數據檢測和處理、故障記錄及自動保護等就地控制功能。風電廠由三部分組成:就地控制部分、中央集控部分與通信部分。根據不同風機的應用通信部分分為兩部分:風機與風機間或風機與控制中心的網絡通信部分與風機內部控制通信部分。

      2.2 網絡結構及其系統主要部件與功能

      從圖1可知,風電作為典型的分布式控制系統,采用光纖及工業交換機組成環形網絡結構,要求網絡設備可以在高粉塵、高寒、高熱、強電磁環境中運行,實現寬帶、可靠穩定的傳輸風機的各種參數。

      目前風機內部變頻變槳減速等控制系統均以CAN總線控制居多,而將風機內部數據遠傳到主站或子站往往會使用以太網的傳輸方式,所以如果想在主/子站控制風機內部系統如修改參數或程序配置,就需要使用以太網轉CAN模塊,將TCP/IP協議轉換成CANOPEN協議,用于風機內部控制。

      2.3 關于風電場的監控系統

      由于風電場單機容量小、數量多,為了確保各臺風力機的安全運行,風電場設置有先進的計算機監控系統,該系統一般由地面監控(或稱就地監控-LCS)(可從圖1看出)和中央監控(CMCS遙控)兩部分組成,其中就地監控主機可使用工控機,就地監控包括如下功能:

     ?、?運行人員可以從就地控制盤前計算機屏幕上了解到各臺風力機的運行狀況,如:該風力機處風速、發電機電壓、電流、功率因數、主軸轉速、齒輪箱及軸承溫度等等。

     ?、?可以通過控制盤上的鍵盤,方便地修改風力機的保護定值,如過壓保護整定范圍,頻率保護整定范圍,風速極限值的修改等等。

     ?、?該控制系統能根據自己所檢測到的風速、風向情況自動發出開機尋找風向(即自動偏航)或停機的控制命令,同時還能進行自我診斷風力機是否存在故障、是否需要停機。該系統還能對電網進行檢測,如發現電網電壓、頻率工作不正常則立即停機,待電網恢復正常后自動起動。

     ?、?該控制系統具有先進的記錄功能,能記錄所有發生過的故障或不正常運行狀態,并告訴運行人員發生故障的時間。該系統還能進行產量報告,能記錄該風力機的月發電量,及累計發電量和運行小時數。

      中央控制系統設在控制室內,通過監視器可以了解到整個風場各臺風力機的運行狀況。中央控制系統除主機外,還有一套備用設備,可供主機故障時投入,可隨時向人們提供所需的報告。

      3  風電機組電控系統結構中的控制器應用

      3.1 控制器是整個電控系統的核心

      其主要任務是控制風機根據風能的變化調整輸出,以及風機在運行過程中的各種數據檢測、系統保護、通訊等功能。整個控制系統的輸入輸出點數并不多,一般不多于300點。如對MW級風力發電機組控制系統的特點是點數不多(整個控制系統的輸入輸出點數并不多,一般不多于300點)以及數據計算量大,尤其是遠程監控系統、故障檢測及自復位功能的應用使控制器的數據計算量很大。由于同一時間不同優先級事件的存在,控制器必須按照事件的重要程度執行不同的掃描周期。

      這些特點要求控制器具備高速度、支持多優先級多任務程序結構、支持高級算法等功能。此外,為保證系統各控制器與變頻設備之間通訊的可靠性及實時性,控制器還必須支持現場總線及遠程監控使用的工業以太網通訊。

      3.2 傳統控制器的不足與問題的解決

      迄今為止,控制器解決方案由大量的微控制器和專有的總線系統組成。市場上常見的風力發電機控制器的開發能力已經達到極限。在控制器、廠房生產計劃系統和遠程數據傳輸系統等各種功能單元的狀況下,實現其接口互嵌是非常困難的。另外,傳統的控制器僅僅提供有限的資源,只能夠提供有限的監控和診斷功能。這必將無法滿足風力發電機和生產廠商不斷增長的需求。用戶十分期待擁有更好的分析和診斷設備。尤其在應用于風力電場時,電網公司對靈活的網絡管理和快速的反映時間有著高要求。

      由于工控機提供的開發平臺也是開放性的,它可以輕易地解決不斷增長的、和外設相兼容的接口需求,是當今新型風電機組電控系統的理想選擇。它能實現技術開發的首要目標,即達到提升發動機效能、減少載荷、增加操作便利性,從而減少成本。
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