風力發(fā)電正在中國蓬勃發(fā)展，即使在金融危機的大形勢下，風力發(fā)電行業(yè)仍然不斷的加大投資。近年，風力發(fā)電仍然保持著強勁的增長勢頭，Vestas、Gemsa、GE以及國內的金風科技等廠商，其訂單交付已經到幾年后。

    國內的風力發(fā)電控制技術起步較晚，目前的控制系統(tǒng)均是由歐洲專用控制方案提供商提供的專用系統(tǒng)，價格高昂且交貨周期較長。開發(fā)自主知識產權的控制系統(tǒng)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，造成企業(yè)陷入激烈的價格競爭；另一方面，尋找合適的平臺開發(fā)自主的風電控制系統(tǒng)將使制造商在未來激烈競爭中占得先機。

    然而，風電控制系統(tǒng)必須滿足風電行業(yè)特殊的需求和苛刻的指標要求，這一切都對風力發(fā)電的控制系統(tǒng)平臺提出了要求，而B&R的控制系統(tǒng)，在軟、硬件上均提供了適應于風力發(fā)電行業(yè)需求的設計。

    1　貝加萊風電方案

    1.1　豐富的能源行業(yè)經驗

    貝加萊在能源行業(yè)擁有豐富的經驗，在不同領域與多家知名公司都保持很好的合作伙伴關系。如與ALSTOM燃氣電廠（單循環(huán)電廠、復合循環(huán)電廠），蒸汽渦輪機，水利發(fā)電廠，自動電壓調節(jié)器，碳捕獲和存儲 (CCS)，地熱發(fā)電廠，與CONVERTEAM水電（調速異步發(fā)電機，勵磁單元變流器以及抽水蓄能啟動變頻器），風電及太陽能發(fā)電的變流器，船舶推進的變流器，與國家電網合作的電網監(jiān)控站，與ANDRITZ水電全程方案，GEJanbacher的熱電聯(lián)產機組，沼氣，天然氣等燃氣發(fā)動機與魯能集團合作的國內第一個生物發(fā)電廠等。

    豐富的能源行業(yè)應用案例使得貝加萊能夠迅速及準確地抓獲風電行業(yè)的需求。

    1.2 　魯邦性的控制系統(tǒng)

    當今，基于全球對清潔能源的重視，各個國家都在建設風場，風機的安裝地點十分廣泛，北半球、南半球、陸地、海洋，只要有合適風資源的場所就可安裝風機，這對風機中的器件提出了很高的要求，作為風機運行的大腦——控制系統(tǒng)來說，同樣不例外：寬溫、抗震、防腐蝕、電磁兼容性好等幾方面成為了最基本的要求。

    貝加萊在風機主控系統(tǒng)中采用的X20系統(tǒng)，在產品設計之初就考慮了這些需求，除了通過標準的CE、C-UL-US、GOST-R等認證外，貝加萊的產品在德國TüV實驗室做了HALT（高加速壽命）測試，測試結果表明，X20系統(tǒng)的操作極限溫度可達到:-70℃～100℃，振動極限可達到55g(RMS)。針對海上風機X20系統(tǒng)也通過了德國船級社認證（German Lloyd），適用于海上環(huán)境，同時X20系統(tǒng)的MTBF時間可達到50萬個小時，所有硬件都經過嚴格的溫度濕度，振動沖擊，EMC及耐久性測試，100%聚焦光學檢測, 100%電路測試，100%功能測試，這些指標從硬件方面都已完全滿足了現(xiàn)場提出的高標準要求，X20系統(tǒng)在各行各業(yè)的實際應用情況也都證明了這一點。

    與此同時，X20系統(tǒng)也可通過其靈活的擴展性降低客戶成本，總線系統(tǒng)上的硬件實時時鐘，1微秒精確定時的智能 I/Os，完整的遠程訪問，WEB調試，維護及診斷功能提高客戶的效率，可大大降低維護成本，全面的兼容性及開放性（標準的軟件接口，完全支持所有的總線）保證投資安全。

    1.3　創(chuàng)新的解決方案

    穩(wěn)健可靠的硬件（主控、先進的安全系統(tǒng)、狀態(tài)檢測、電網檢測、變槳系統(tǒng)）以及架構開放的行業(yè)定制的軟件(主控、變槳扭矩控制算法、組態(tài)包)共同構建成貝加萊風電創(chuàng)新的解決方案。

    包括典型拓撲結構和適用于海上風機的CPU總線及電源冗余拓撲結構。

    風機典型拓撲結構，如圖1所示。
 

圖1 風機典型拓撲結構

    緊湊、模塊化、可擴展的 CPU 及 I/O，支持所有現(xiàn)場總線,支持各類模塊 DI、DO、AI、AO、AT、I/O 連接，光纖，電網監(jiān)控，應變計……符合 GL 2010，滿足安全認證 SIL3/PLe，擁有openSAFETY技術的先進的安全系統(tǒng)，振動傳感器模塊，風輪過速安全模塊等共同組成了貝加萊風電控制硬件方案。

    CPU總線及電源冗余拓撲結構，如圖2所示。
 

圖2 CPU總線及電源冗余拓撲結構

    貝加萊冗余系統(tǒng)是一套硬件冗余系統(tǒng)，由兩個互為熱備的PLC以及I/O站組成。冗余PLC與I/O站之間的連線稱為I/O總線（或者現(xiàn)場總線），采用具有高可靠性和實時性的EthernetPOWERLINK通訊總線進行連接，傳輸速率可達100Mbit/s，拓撲結構可支持星形、樹形、總線型或者環(huán)型，并可根據(jù)需要連接成雙網冗余或者環(huán)網冗余結構。冗余PLC之間采用光纖進行數(shù)據(jù)同步，傳輸速度可達1000Mbit/s。

    在貝加萊硬件冗余系統(tǒng)中，幾乎所有貝加萊產品都可以作為冗余系統(tǒng)的I/O站，這些產品包括X20模塊、X20標準型CPU、X67模塊、HMI以及Safety產品。不僅如此，由第三方開發(fā)的能夠支持POWERLINK通訊協(xié)議的設備也可作為冗余系統(tǒng)的I/O站使用。

    1.4　智能工程

    貝加萊All in one的開發(fā)軟件Automation Studio?保證客戶在項目的整個生命周期都只使用一個工具，包括項目開發(fā)、代碼生成、仿真分析、調試、服務維護及后續(xù)改造。客戶不僅可以通過Automation Studio進行編程，開閉環(huán)控制，安全鏈實現(xiàn)，人機界面，運動控制，遠程診斷及維護，還可以進行項目管理，內嵌的版本控制系統(tǒng)及項目數(shù)據(jù)（電氣圖紙、說明文檔等）管理，可以很好地管理程序及方便工程師接手。此外，靈活的編程方式也可滿足不同客戶的需求，支持IEC61131-3、ANSI C 和 C++各語言無縫集成和融合，并可通過第三方接口如Matlab/Simulink建模后自動生成系統(tǒng)可執(zhí)行的C語言代碼。開發(fā)平臺默認帶有的閉環(huán)控制、濾波、數(shù)據(jù)記錄等標準庫，模塊化設計亦大大縮短了客戶端的開發(fā)周期及代碼復用率。開放標準的通訊平臺（用戶層完整的UDP/IP 和 TCP/IP、OPC、OPC-UA 服務器、SQL 數(shù)據(jù)庫連接客戶端、WEB-服務器，用于交互存儲數(shù)據(jù)的FTP 服務器，連接到Windows 驅動CIFS 客戶端、VNC-技術）及系統(tǒng)默認的遠程維護功能（SDM）提供客戶兼容性及便利。

    1.5　專家知識

    風能利用是一個系統(tǒng)工程，涉及到了氣象學、流體力學、固體力學、電力電子、機械工程、材料工程等多種學科和專業(yè)，貝加萊在2007年進入風電領域之初，就和ISET建立起了合作關系，通過ISET的支持，貝加萊可以很快地對某一風機建立起真實、準確的仿真模型，并且通過MATLAB/Simulink接口，直接導入Automation Studio，在開發(fā)階段就可完成大部分的參數(shù)診定、程序測試等工作，并且通過這個模型可以自動生成變槳、扭矩控制算法。這將大大減少工程設計人員的編程調試時間，降低現(xiàn)場調試費用。

    1.6　軟件平臺

    風機主控軟件包是由貝加萊公司資深算法工程師、軟件工程師組成的研發(fā)小組，歷時2年所完成的一套軟件包，目前已有部分國內外客戶在使用該軟件包，獲得了較好的使用反饋，以下幾點是該軟件包的設計理念：

    （1）基于標準化IEC61131-3語言開發(fā)：結構文本（Structuredtext）。

    （2）軟件結構由一些小部分組成并接口清晰（模塊化結構）:

    便于添加/修改/移除單個部分；

    便于維護；

    便于測試；

    測試過部分代碼的復用；

    適用與多種機型（雙饋、直驅）。

    （3）軟件修改和下載無需重啟。

    （4）集成完整的 I/O 診斷——可以運行時維護。

    （5）高度參數(shù)化——參數(shù)修改不會引起跳變 。

    在深入分析了風機模型的基礎上，我們將風機主控軟件按對

    象劃分為以下幾個程序包：

    Brake　　機械剎車操作（雙饋機組）

    Cabinet　　電控柜相關硬件: 燈, 按鈕, 電控柜風扇…

    Communication　　與組態(tài)終段，風場的通訊

    Cooling　　齒輪箱，發(fā)電機等冷卻水和風扇控制…

    DataLogger　　生成并存儲長期數(shù)據(jù)

    Environment　　振動, 機艙和塔底溫度…

    Gearbox　　溫度檢測, 耐久度…

    Grid　　箱變和電網 (電壓, 電流, 頻率…)

    Hydraulic　　處理液壓系統(tǒng)

    Lubrication　　主軸承，齒輪箱，偏航等輪滑
 
    Pitch　　變槳系統(tǒng)操作

    Power　　變換器及發(fā)電機操作

    Rotor　　風輪速度檢測

    System　　主流程，手動控制，變槳/扭矩控制器

    偏航控制器

    Ups　　UPS 管理

    Weather　　風速風向，室外溫度 …

    Yaw　　偏航操作

    一個風機主控系統(tǒng)項目的開發(fā)會由多人參與，為了更便于團隊化編程以及項目的調試和維護，我們將每個程序包又分解為相同框架結構的幾個部分，利用這樣的模塊化結構，再加上貝加萊產品的定性分時多任務系統(tǒng)以及集成AS開發(fā)平臺，可以快速的完成一套風機系統(tǒng)的主控軟件設計與開發(fā)工作，這一方案的優(yōu)勢在國內外幾個合作項目中都得到了很好的體現(xiàn)。

    1.7　組態(tài)程序包

    主要實現(xiàn)以下幾類功能

    （1）風機整機和各部件的實時數(shù)據(jù)信息：狀態(tài)信息 、溫度信息、轉速信息、電氣信息、環(huán)境信息；

    （2）風機各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息：10分鐘平均數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)；

    （3）風機控制：停機、開機、復位、維護 、參數(shù)設定；有功功率調節(jié)；無功功率調節(jié)。

    基于web技術的開放式單機SCADA系統(tǒng)，除了主控柜上的HMI可以顯示和操作此界面外，任何一臺可以連接到主控PLC的計算機通過IE即可調用出此界面，實現(xiàn)瘦客戶端的SCADA系統(tǒng)，通過最新的IT技術實現(xiàn)了遠程維護和管理功能，其主界面如圖3所示。
 

圖3 主界面圖

     1.8　CMS系統(tǒng)（可選）

     X20系統(tǒng)中還將有一系列是專門針對狀態(tài)檢測模塊，特殊的振動模塊及智能的模塊數(shù)據(jù)處理，用戶可用于檢測機艙，軸及齒輪箱的振動，方便客戶進行更有效的預期維護，減少維護成本。靈活開放的接口可連接任何第三方震動分析軟件進行數(shù)據(jù)詳細解析。

     1.9　安全系統(tǒng)（可選）

     風機的安全鏈設計中可通過安全繼電器回路或者集成式的安全模塊兩種方式來實現(xiàn)，兩種模式均各有特點，但集成式的安全系統(tǒng)無疑是未來的趨勢。

     B&R safety技術是目前運行最高效率的安全系統(tǒng)，并且有完整的產品線如Safetylogic 、Safety I/O、Safety Motion、PowerlinkSafety，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(tǒng)中關鍵的邏輯如強風、惡劣天氣，機組的狀態(tài)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 SafetyI/O輸入到系統(tǒng)中，而Safetylogic控制器作為一個POWERLINKControlled Node來運行，只有在Safety邏輯對應的I/O動作時才引發(fā)一個安全邏輯的執(zhí)行過程（這些過程依據(jù)引發(fā)安全的源設計而不同），Safetylogic是獨立于標準控制單元的。

     貝加萊的方案可采用集成的安全系統(tǒng)，所有安全模塊可安裝在系統(tǒng)的任何一處。同時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(fā)電這樣牽扯到嚴格的機組安全的應用而言，它不僅高效、完整并且開放，易于構建安全邏輯。

    針對GL 2010保護功能的要求，貝加萊除普通安全輸入輸出SDI，SDO模塊外，還提供一系列經過認證的特殊安全模塊，如防止風輪過速的安全技術模塊，可直接連接風速風向儀表的安全模擬量模塊等一系列安全模塊，此外還具備安全功率測量，安全發(fā)電機溫度檢測，安全扭纜檢測，安全變槳角度檢測等功能。1.10　遠程診斷及維護

    （1）遠程維護是系統(tǒng)必需的設計

    對于風力發(fā)電機組而言，遠程監(jiān)控無疑至關重要，因為風力發(fā)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(qū)的地方，只有這些地方才能提供較大的風力資源。如果一套系統(tǒng)能夠提供豐富的遠程維護和監(jiān)控手段，將大大降低風機的調試及維護成本，而貝加萊的方案在這方面為客戶提供了多樣的選擇。

    （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(tǒng)的便捷方案，在B&R系統(tǒng)中，實現(xiàn)遠程方案靈活并且能夠不增加或付出很少的成本即可。

    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，這是以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(jiān)控軟件是可免費獲得的，不僅完全提供現(xiàn)場監(jiān)控級的權限，也能夠提供參數(shù)修改和設置的能力。

    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(xiàn)對遠程主機的數(shù)據(jù)監(jiān)控，包括CPU運行、當前I/O參數(shù)等。此外基于JAVA的單機scada系統(tǒng)也可通過IE來做訪問。

    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。

    SNMP則提供了電子郵件發(fā)送數(shù)據(jù)的可能

    E-mail可以傳送如現(xiàn)場數(shù)據(jù)、報警信息等到監(jiān)控端的電子信箱中。

    GSM支持則使得關鍵數(shù)據(jù)可以通過手機MMS短信形式在最快的時間里發(fā)送到監(jiān)控工程師的手機上，以便及時對現(xiàn)場問題采取措施。

    （3）監(jiān)控范圍

    在B&R的系統(tǒng)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(xiàn)，而且也包含了：

    針對各種參數(shù)的監(jiān)控

    不僅僅是電流、電壓，事實上在風力發(fā)電場的每個參數(shù)，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(jiān)控到。

    面向整場的管理級服務

    通過靈活的軟件平臺，B&R也能為風力發(fā)電場提供整場運行的數(shù)據(jù)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(tǒng)來完成，貝加萊不僅提供了整機控制、監(jiān)控，也提供面向整場的管理級服務。

    2　結語

    有別于市場的風電控制系統(tǒng)供應商，貝加萊公司推出的風電行業(yè)整體解決方案

    具有以下顯著特點：

    （1）自主掌握的風電主控源代碼，Know-how（基于歐洲專業(yè)的風機模型及主控流程算法） ；

    （2）專業(yè)的技術團隊及本地化服務（包括軟件開發(fā)、技術支持及后續(xù)調試） ；

    （3）風電全方案

    主控；

    基于Powerlink的變流器方案；

    變槳算法；

    狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；

    安全系統(tǒng)（滿足GL2010）等；

    （4）靈活的合作模式，積極的合作態(tài)度 ；

    （5）極富競爭力的綜合成本控制 （硬件、軟件、維護、升級、培訓等） ；

    （6）模塊化的軟件結構（WTC Package） ；

    （7）集成的開發(fā)環(huán)境（Automation Studio、All in one、safety）；

    （8）開放、完整的系統(tǒng)架構，豐富的遠程維護手段；

    （9）支持冗余方案（CPU冗余、網絡冗余），硬件模塊已通過GL認證；

    （10）其他行業(yè)的經驗積累。

    摘自《自動化博覽》5月刊