ABB控制自動化產(chǎn)品在MW級風機電控系統(tǒng)中應用

隨著我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的實施，國內(nèi)風電設備市場逐年擴大。在國家發(fā)改委制定的《風力發(fā)電中長期發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，到2010年底，全國風電總裝機規(guī)模達到400萬kW；到2015年底，全國風電總裝機規(guī)模達到1000萬kW；到2020年底，全國風電總裝機規(guī)模達到2000萬kW。

　　國家電力監(jiān)管委員會2007年7月17日公布《電網(wǎng)企業(yè)全額收購可再生能源電量監(jiān)管辦法》，賦予國家電監(jiān)會監(jiān)管電網(wǎng)企業(yè)全額收購其電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可再生能源并網(wǎng)發(fā)電項目的權(quán)力。于2007年9月1日起施行。

　　國家政策的支持、巨大的市場空間促使國內(nèi)風電產(chǎn)業(yè)異?；钴S。已有40多家企業(yè)明確表示將涉足風力發(fā)電設備制造。

　　1. 概述

　　ABB作為全球工控產(chǎn)品重要的供應商之一，可以為各行業(yè)提供種類齊全的控制自動化產(chǎn)品。與全球主要風機制造商多年的合作經(jīng)驗，使ABB可以提供風機功率回路和控制回路的全套產(chǎn)品，形成了ABB獨有的、經(jīng)過優(yōu)化的專為風電行業(yè)設計的控制自動化產(chǎn)品。下面就ABB控制自動化產(chǎn)品在風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中的應用進行介紹。

　　2. 用ABB AC31 90系列可編程控制器（PLC）構(gòu)成高性能的控制器網(wǎng)絡

　　控制器是整個電控系統(tǒng)的核心，其主要任務是控制風機根據(jù)風能的變化調(diào)整輸出，以及風機在運行過程中的各種數(shù)據(jù)檢測、系統(tǒng)保護、通訊等功能。MW級風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的特點是：

　　點數(shù)不多：

　　整個控制系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)并不多，一般不多于300點。

　　數(shù)據(jù)計算量大：

　　MW級風機電控系統(tǒng)的雙饋調(diào)速系統(tǒng)及電動變槳系統(tǒng)數(shù)學模型結(jié)構(gòu)復雜、計算精度高；遠程監(jiān)控系統(tǒng)、故障檢測及自復位功能的應用使控制器的數(shù)據(jù)計算量很大。由于同一時間不同優(yōu)先級事件的存在，控制器必須按照事件的重要程度執(zhí)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(yōu)先級多任務程序結(jié)構(gòu)、支持高級算法等功能。此外，為保證系統(tǒng)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(xiàn)場總線及遠程監(jiān)控使用的工業(yè)以太網(wǎng)通訊。ABB公司的緊湊型控制系統(tǒng)AC31

　　90系列PLC可用于復雜控制功能的應用，運算速度可達0.07

　　ms/kB指令，支持IEC61131-3標準的編程,編程界面簡潔友好,并且實現(xiàn)分布式擴展簡單快捷，有多達5個集成的通訊接口（Modbus、TCP/IP、Profibus、DeviceNet、CanOpen）用于開放的通訊方式，I/O擴展數(shù)量多達1040點開關(guān)量/232點模擬量。

圖1 AC1131編程界面

　　圖2是用ABB AC3190系列的KT98和KT97可編程控制器（PLC）構(gòu)成的MW級風機電控系統(tǒng)控制器拓撲結(jié)構(gòu)圖。圖2 ABB AC310系列PLC組成的風機電控系統(tǒng)控制器網(wǎng)絡

　　使用2臺KT98分別作為機艙控制器和變槳控制器，1臺KT97作為主控制器。這3個控制器的主要功能為：

　　機艙控制器：負責處理各傳感器（含風速風向儀）、輸入輸出點的信號采集、雙饋變頻器給定計算、以及同雙饋變頻器、變槳控制器、主控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。

　　變槳控制器：處理變槳系統(tǒng)信號采集、負責進行變槳系統(tǒng)計算，生成變槳變頻器給定，負責與變槳變頻器及機艙控制器、主控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。

　　主控制器：負責同機艙控制器、變槳控制器之間進行以太網(wǎng)通訊；遠程監(jiān)控系統(tǒng)通訊、以及塔筒底部的信號采集。

　　3個控制器之間采用以太網(wǎng)通訊，保證了通訊速率?？刂破髋c變頻器之間采用CAN總線通訊，速率可達1Mbyte/s。保證速率的前提下，通訊可靠性也得到了提高。這樣構(gòu)成的控制結(jié)構(gòu)具有分工明確、實時性強、穩(wěn)定可靠的特點。

　　3. 用ABB AF系列接觸器解決并網(wǎng)穩(wěn)定性問題

　　風力發(fā)電機所發(fā)出的電能通過接觸器并入電網(wǎng)。由于風能的大小、方向變化的多樣性及不確定性，造成風機負載波動頻繁，加之風電場多建在電網(wǎng)相對較弱的邊遠地區(qū)，在這種情況下，極易出現(xiàn)風機誤并網(wǎng)、誤解列給電控系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)帶來嚴重的損害。因此，必須選用可靠的并網(wǎng)接觸器將所發(fā)電能并入電網(wǎng)。

　　一般接觸器通過線圈控制開合，這樣當系統(tǒng)線路出現(xiàn)誤動作時，接觸器也將出現(xiàn)誤動作，風機被誤并網(wǎng)。ABB的AF接觸器（AF400 – AF2050）可以使用輸入信號（如：來自PLC）控制接觸器開閉，而線圈動作所需的能量由另外的電路供給（230VAC或24VDC）。要使接觸器閉合必須同時滿足：線圈通電和輸入信號。

　　普通接觸器（如圖3），在A1和A2之間加以要求的電壓之后，觸點即閉合，抗誤并網(wǎng)能力差。

圖3 普通接觸器接線圖

　　ABB AF系列（AF400 – AF2050）接觸器，只有在當A1與A2之間加以要求的電壓，同時，PLC信號接通的情況下才能閉合。這樣并網(wǎng)條件增加到2個，可提高抗誤并網(wǎng)能力。

圖4 AF系列（AF400 - AF1650）接觸器接線圖

　　另外，ABB AF系列（AF400 – AF2050）接觸器還具備適應風電場電網(wǎng)條件的獨有性能：可在線圈線路故障后20ms內(nèi)維持閉合，線圈操作電壓可以低至額定電壓的25%。這些性能，對于風電場所處的弱電網(wǎng)是至關(guān)重要的。

　　4. 用ABB機械鎖WB75A解決變槳系統(tǒng)備用電源穩(wěn)定性問題

　　在電網(wǎng)突然掉電的情況下，變槳系統(tǒng)使用備用電源（電池組或超級電容組）將葉片旋轉(zhuǎn)到順槳位置，以保證風機在電網(wǎng)停電狀態(tài)下，吸收最小風能，保證設備安全。同時備用電源還必須支撐整個控制系統(tǒng)的傳感器和控制器直流回路運轉(zhuǎn)一定時間，以記錄必要的數(shù)據(jù)。帶備用電源的變槳系統(tǒng)的簡單示意圖如圖5：

　　正常工作時，由交流電源給變槳系統(tǒng)供電，即K1閉合，此時備用電源接觸器K2也處于閉合狀態(tài)。電網(wǎng)掉電（電網(wǎng)故障）發(fā)生后，接觸器K1斷開，備用電源自動切入，維持變槳系統(tǒng)工作。此時，如果系統(tǒng)由于干擾或其他原因造成接觸器K2意外打開，整個風機將完全“停電”，即使備用電源電量充足，也無法自動切入，風機與遠程監(jiān)控系統(tǒng)失去聯(lián)系，葉片停留在工作位置，風機空載。如果此時出現(xiàn)大風，風機極有可能因為空載超速而損壞。

　　為保證風機備用電源系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作，可以給接觸器K2加裝機械鎖。接觸器K2閉合后，機械鎖將其鎖定。接觸器不會因為線圈掉電而斷開，而當需要將接觸器K2斷開時，可經(jīng)由變槳控制器給出脈沖信號至圖中E1，將接觸器斷開。這樣就保證了變槳系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作。

　　機械鎖WB75A（如圖6）是Across the line系列接觸器的可選附件，可以安裝在接觸器的上表面，防止接觸器意外斷開。

圖6 機械鎖

5. 用種類齊全的ABB控制自動化產(chǎn)品構(gòu)成控制系統(tǒng)的輔助回路

　　ABB低壓產(chǎn)品種類齊全，可根據(jù)需要，選用合適的產(chǎn)品。ABB S260系列微型斷路器可作為各支路的線路保護，BB GS260系列剩余電流動作斷路器可作為插座線路保護。因風電安裝場合氣候條件惡劣，變槳控制柜內(nèi)需要安裝加熱元件防止溫度變化時可能產(chǎn)生凝露。由于變槳控制柜空間密閉，不適合安裝由風扇進行散熱類型的加熱器；而板式加熱器面積大，可通過自身面積散熱達到理想效果，控制柜內(nèi)溫差小。ABB的板式加熱器，就適合用于密閉的變槳控制柜內(nèi)。

　　其他諸如傳感器、按鈕開關(guān)、插座、急停按鈕等，都可在ABB控制自動化產(chǎn)品中找到合適的產(chǎn)品，這里不做詳細論述。

　　6. ABB低壓產(chǎn)品在國內(nèi)風電場的應用情況

　　目前，ABB公司開發(fā)的AF系列接觸器、機械鎖及可編程控制器、空氣斷路器等低壓產(chǎn)品已在國內(nèi)廣泛應用于內(nèi)蒙古、山東、吉林、江蘇、黑龍江等地風電場，經(jīng)過實際應用檢驗，應用效果很好，其產(chǎn)品穩(wěn)定的質(zhì)量、突出的性能表現(xiàn)更是得到了用戶的贊譽。