兆瓦级风电变流器控制系统的设计

杨军亮 李 春 毛琼一

上海电气输配电集团技术中心 上海 200042

1 设计背景

随着新能源技术的不断提高,新能源利用效率越来越高,控制系统越来越智能化。在过去的30多年中,风力发电装机容量持续增长,风力发电机额定容量由50 kW提高至7.5 MW。基于风电变流器控制系统发展现状,陆地兆瓦级风电变流器主要采用印制电路板控制器,这一控制系统响应速度快、成本低,能够满足陆地风力发电机的控制需求。但是,印制电路板控制器需要从底层硬件开始设计,开发难度大、周期长。海上环境较为恶劣,若将印制电路板控制器应用于海上兆瓦级风电变流器,则印制电路板的底层元器件会成为不稳定因素。海上风电变流器控制系统稳定性和安全性的要求高于陆上风电变流器控制系统,加之海上风力发电机维护成本较高,应尽量减少出海次数,控制系统设计为冗余系统。笔者采用可编程序控制器设计兆瓦级风电变流器控制系统。可编程序控制器适应环境能力强,具有较高的可靠性,自有的通信协议既可以满足变流器控制的实时性要求,又能够方便快捷地实现冗余功能。另外,可编程序控制器系统可扩展性强,能快速适应不同机型配置。

2 控制系统概况

笔者设计的兆瓦级风电变流器控制系统采用倍福CX2030系列可编程序控制器,配置数字量输入输出模块和模拟量输入模块。可编程序控制器与数据采集板之间采用以太网控制自动化技术通信,具备数据处理、逻辑判断、故障诊断、历史数据记录等功能。可编程序控制器与主控可采用过程现场总线或控制器局域网通信方式。可编程序控制器通过以太网口与人机界面连接,进行数据交互。可编程序控制器接收数据采集板上传的电网侧和电机侧电压、电流、温度等信息,通过内部控制算法下发脉冲宽度调制波形对绝缘栅双极晶体管进行控制,从而达到控制风电变流器的目的。

3 硬件设计

兆瓦级风电变流器控制系统硬件模块如图1所示。CX2030系列可编程序控制器使用1.5 GHz双核中央处理器,标准随机存取存储器内存为2 GByte,具有两个独立的以太网接口、四个通用串行总线接口、一个数字视频接口,丰富的接口和强大的内核完全能够满足风电变流器的控制要求。采用以太网控制自动化技术通信,大大提高了控制系统的实时性和可靠性。以太网控制自动化技术具有性能优异、拓扑结构灵活、组态简单等特点。当资料帧通过以太网控制自动化技术通信节点时,节点会复制资料,再传送至下一个节点,同时识别对应此节点的资料,进行处理。若节点需要送出资料,则会在传送至下一个节点的资料中插入要送出的资料。每个节点接收及传送资料的时间短于1μs,一般而言,只用一个帧就可以实现所有网络上的节点传送及接收资料。采用以太网和互连网技术后,以太网控制自动化技术通信可以在30μs内处理1 000个分布式输入输出口信息,能够实现最佳纵向集成。

图1 兆瓦级风电变流器控制系统硬件模块

兆瓦级风电变流器控制系统硬件框图如图2所示,采用双数据采集板模式,每个数据采集板对应实现1.5 MW功率控制。数据采集板对网侧功率单元驱动、机侧功率单元驱动、斩波单元驱动、电网电压、电网电流、电容电流、直流母线电压、机侧电压、机侧电流、斩波电流、绝缘栅双极晶体管温度等模拟量和数字量数据进行采集处理,然后将模拟量和数字量数据上传至可编程序控制器。可编程序控制器通过输入输出口控制各预充电断路器分合闸,进行风电变流器预充电操作。所有条件具备后,可编程序控制器通过数据采集板下发脉冲宽度调制波,控制绝缘栅双极晶体管。

图2 兆瓦级风电变流器控制系统硬件框图

4 软件设计

兆瓦级风电变流器控制系统软件功能包括主流程控制、脉冲宽度调制输出、数据采集与处理、故障判断与记录、输入输出控制、人机界面等。

4.1 主流程控制

主流程控制包括自动运行模式、手动运行模式、调试模式、仿真模式。

(1) 自动运行模式。采用自动运行模式,风电变流器完全自主控制运行,从启动到预充电再到并网。风电变流器接收到主控的转矩或功率指令后,控制风电变流器有功和无功输出。

(2) 手动运行模式。风电变流器在车间或者刚装机调试时,采用手动运行模式进行控制,此时可以通过软件或人机界面按钮直接对断路器进行分合闸操作,对绝缘栅双极晶体管进行控制。采用手动运行模式进行并网操作的步骤为:① 开启手动运行模式;② 复位;③ 等待系统进入后备模式;④ 合断路器,预充电;⑤ 整流;⑥ 逆变。

(3) 调试模式。调试模式一般应用于出厂检测,通过按钮和人机界面操作对风电变流器内部线路及输入输出反馈进行测试,确保风电变流器在出厂时线路不存在问题,保证风电变流器产品的合格率。

4.2 数据采集与处理

输入输出模块及模拟量采集模块采集数据之后,通过外部总线上传至可编程序控制器。数据采集板实时采集电网电压、电网电流、绝缘栅双极晶体管温度等信息,通过以太网控制自动化技术通信上传至可编程序控制器。可编程序控制器根据相关参数进行计算,在网侧进行直流母线电压控制,并对机侧母线电压进行控制。数据处理指对所采集的数据进行滤波、平均等计算,用于控制和故障诊断。

4.3 故障判断与记录

数据采集板在采集数据的同时,对各个采集点的通信和反馈点进行检测,包括风扇、断路器、接触器等的状态信息。数据采集板还可以设定最大最小限值,对电压、电流、温度等模拟量信息进行监控。当超出限值时,对应的故障上传给至可编程序控制器,可编程序控制器使用故障处理模块将故障记录并显示在人机界面上。故障发生时,激活故障记录标志位,记录故障前和故障后10 s的数据,并生成缓冲文件,用于分析故障和查找问题。

4.4 输入输出控制

对可编程序控制器的输入输出点进行控制,其中,数字量输入包括网侧断路器分合闸、预充电接触器反馈、放电接触器反馈、网侧断路器故障、主控急停、不间断电源报警、不间断电源电池模式、不间断电源电池放电、开关电源保护开关故障、供电开关故障、机侧避雷保护故障、网侧电抗器风扇接触器反馈、直流电容器风扇接触器反馈、机侧电抗器风扇接触器反馈、控制柜风扇接触器反馈、熔断器故障反馈、变压器一次侧保护开关故障、变压器二次侧开关故障、电抗器风扇保护开关故障、电容器风扇保护开关故障、控制柜风扇保护开关故障、加热器保护开关故障、电压测量开关故障、预充电开关故障,数字量输出包括网侧断路器分合闸、预充电、直流电压放电、网侧电抗器风扇、直流电容器风扇、机侧电抗器、控制柜风扇,模拟量输入包括直流电容器环境温度、滤波电容器环境温度、控制柜环境温度、冷却水温度、冷却水流量。数字量输入模块和模拟量输入模块将数据通过外部总线上传至可编程序控制器,可编程序控制器再通过外部总线将指令下发。

4.5 人机界面

人机界面作为终端显示设备,直观反映风电变流器的各种状态。人机界面如图3所示。在人机界面配置窗口,可以配置所有需要用到的组件,包括用户管理、数据类型、变量映射、多语言等。通过人机界面中的开关键,可以启动机侧电抗器冷却风扇、网侧电抗器冷却风扇等。通过人机界面中的按钮,可以控制网侧断路器、预充电断路器等。人机界面程序与可编程序控制器程序在同一个控制工程中,人机界面软件可以直接查找并连接可编程序控制器程序中的变量,极大便利了人机界面的开发,省略了可编程序控制器与人机界面之间的通信环节,提高了人机界面的数据刷新频率。

图3 人机界面

5 结束语

海上风力发电机对周围环境影响小,对风能利用率较高,对风电变流器控制系统的要求也较高。对此,笔者基于可编程序控制器设计了兆瓦级风电变流器控制系统,主要应用于海上风力发电机,具有较高的稳定性和可靠性。