ABB控制自動(dòng)化產(chǎn)品在MW級(jí)風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)中應(yīng)用

隨著我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備市場(chǎng)逐年擴(kuò)大。在國家發(fā)改委制定的《風(fēng)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(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到400萬kW；到2015年底，全國風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1000萬kW；到2020年底，全國風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2000萬kW。

　　國家電力監(jiān)管委員會(huì)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(huì)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(xiàng)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(chǎng)空間促使國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)異?；钴S。已有40多家企業(yè)明確表示將涉足風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造。

　　1. 概述

　　ABB作為全球工控產(chǎn)品重要的供應(yīng)商之一，可以為各行業(yè)提供種類齊全的控制自動(dòng)化產(chǎn)品。與全球主要風(fēng)機(jī)制造商多年的合作經(jīng)驗(yàn)，使ABB可以提供風(fēng)機(jī)功率回路和控制回路的全套產(chǎn)品，形成了ABB獨(dú)有的、經(jīng)過優(yōu)化的專為風(fēng)電行業(yè)設(shè)計(jì)的控制自動(dòng)化產(chǎn)品。下面就ABB控制自動(dòng)化產(chǎn)品在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)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(luò)

　　控制器是整個(gè)電控系統(tǒng)的核心，其主要任務(wù)是控制風(fēng)機(jī)根據(jù)風(fēng)能的變化調(diào)整輸出，以及風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的各種數(shù)據(jù)檢測(cè)、系統(tǒng)保護(hù)、通訊等功能。MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

　　點(diǎn)數(shù)不多：

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

　　數(shù)據(jù)計(jì)算量大：

　　MW級(jí)風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)的雙饋調(diào)速系統(tǒng)及電動(dòng)變槳系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算精度高；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、故障檢測(cè)及自復(fù)位功能的應(yīng)用使控制器的數(shù)據(jù)計(jì)算量很大。由于同一時(shí)間不同優(yōu)先級(jí)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(diǎn)要求控制器具備高速度、支持多優(yōu)先級(jí)多任務(wù)程序結(jié)構(gòu)、支持高級(jí)算法等功能。此外，為保證系統(tǒng)各控制器與變頻設(shè)備之間通訊的可靠性及實(shí)時(shí)性，控制器還必須支持現(xiàn)場(chǎng)總線及遠(yuǎn)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(fù)雜控制功能的應(yīng)用，運(yùn)算速度可達(dá)0.07

　　ms/kB指令，支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程,編程界面簡(jiǎn)潔友好,并且實(shí)現(xiàn)分布式擴(kuò)展簡(jiǎn)單快捷，有多達(dá)5個(gè)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(kuò)展數(shù)量多達(dá)1040點(diǎn)開關(guān)量/232點(diǎn)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(jí)風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖2 ABB AC310系列PLC組成的風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)控制器網(wǎng)絡(luò)

　　使用2臺(tái)KT98分別作為機(jī)艙控制器和變槳控制器，1臺(tái)KT97作為主控制器。這3個(gè)控制器的主要功能為：

　　機(jī)艙控制器：負(fù)責(zé)處理各傳感器（含風(fēng)速風(fēng)向儀）、輸入輸出點(diǎn)的信號(hào)采集、雙饋?zhàn)冾l器給定計(jì)算、以及同雙饋?zhàn)冾l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(hào)采集、負(fù)責(zé)進(jìn)行變槳系統(tǒng)計(jì)算，生成變槳變頻器給定，負(fù)責(zé)與變槳變頻器及機(jī)艙控制器、主控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。

　　主控制器：負(fù)責(zé)同機(jī)艙控制器、變槳控制器之間進(jìn)行以太網(wǎng)通訊；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通訊、以及塔筒底部的信號(hào)采集。

　　3個(gè)控制器之間采用以太網(wǎng)通訊，保證了通訊速率。控制器與變頻器之間采用CAN總線通訊，速率可達(dá)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(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

　　3. 用ABB AF系列接觸器解決并網(wǎng)穩(wěn)定性問題

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能通過接觸器并入電網(wǎng)。由于風(fēng)能的大小、方向變化的多樣性及不確定性，造成風(fēng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)頻繁，加之風(fēng)電場(chǎng)多建在電網(wǎng)相對(duì)較弱的邊遠(yuǎn)地區(qū)，在這種情況下，極易出現(xiàn)風(fēng)機(jī)誤并網(wǎng)、誤解列給電控系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)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(dāng)系統(tǒng)線路出現(xiàn)誤動(dòng)作時(shí)，接觸器也將出現(xiàn)誤動(dòng)作，風(fēng)機(jī)被誤并網(wǎng)。ABB的AF接觸器（AF400 – AF2050）可以使用輸入信號(hào)（如：來自PLC）控制接觸器開閉，而線圈動(dòng)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(shí)滿足：線圈通電和輸入信號(hào)。

　　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(diǎn)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(dāng)A1與A2之間加以要求的電壓，同時(shí)，PLC信號(hào)接通的情況下才能閉合。這樣并網(wǎng)條件增加到2個(gè)，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(yīng)風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)條件的獨(dú)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(duì)于風(fēng)電場(chǎng)所處的弱電網(wǎng)是至關(guān)重要的。

　　4. 用ABB機(jī)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(jí)電容組）將葉片旋轉(zhuǎn)到順槳位置，以保證風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)停電狀態(tài)下，吸收最小風(fēng)能，保證設(shè)備安全。同時(shí)備用電源還必須支撐整個(gè)控制系統(tǒng)的傳感器和控制器直流回路運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間，以記錄必要的數(shù)據(jù)。帶備用電源的變槳系統(tǒng)的簡(jiǎn)單示意圖如圖5：

　　正常工作時(shí)，由交流電源給變槳系統(tǒng)供電，即K1閉合，此時(shí)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(dòng)切入，維持變槳系統(tǒng)工作。此時(shí)，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(gè)風(fēng)機(jī)將完全“停電”，即使備用電源電量充足，也無法自動(dòng)切入，風(fēng)機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)失去聯(lián)系，葉片停留在工作位置，風(fēng)機(jī)空載。如果此時(shí)出現(xiàn)大風(fēng)，風(fēng)機(jī)極有可能因?yàn)榭蛰d超速而損壞。

　　為保證風(fēng)機(jī)備用電源系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作，可以給接觸器K2加裝機(jī)械鎖。接觸器K2閉合后，機(jī)械鎖將其鎖定。接觸器不會(huì)因?yàn)榫€圈掉電而斷開，而當(dāng)需要將接觸器K2斷開時(shí)，可經(jīng)由變槳控制器給出脈沖信號(hào)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(jī)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(jī)械鎖

5. 用種類齊全的ABB控制自動(dòng)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(hù)，BB GS260系列剩余電流動(dòng)作斷路器可作為插座線路保護(hù)。因風(fēng)電安裝場(chǎng)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(shí)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(fēng)扇進(jìn)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(dá)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(dòng)化產(chǎn)品中找到合適的產(chǎn)品，這里不做詳細(xì)論述。

　　6. ABB低壓產(chǎn)品在國內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用情況

　　目前，ABB公司開發(fā)的AF系列接觸器、機(jī)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(yīng)用于內(nèi)蒙古、山東、吉林、江蘇、黑龍江等地風(fēng)電場(chǎng)，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，應(yīng)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(yù)。