ABB控制自動(dòng)化產(chǎn)品在MW級風(fēng)機電控系統中應用

隨著(zhù)我國能源發(fā)展戰略的實(shí)施，國內風(fēng)電設備市場(chǎng)逐年擴大。在國家發(fā)改委制定的《風(fēng)力發(fā)電中長(cháng)期發(fā)展規劃》中明確指出，到2010年底，全國風(fēng)電總裝機規模達到400萬(wàn)kW；到2015年底，全國風(fēng)電總裝機規模達到1000萬(wàn)kW；到2020年底，全國風(fēng)電總裝機規模達到2000萬(wàn)kW。

　　國家電力監管委員會(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管辦法》，賦予國家電監會(huì )監管電網(wǎng)企業(yè)全額收購其電網(wǎng)覆蓋范圍內可再生能源并網(wǎng)發(fā)電項目的權力。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(lèi)齊全的控制自動(dòng)化產(chǎn)品。與全球主要風(fēng)機制造商多年的合作經(jīng)驗，使ABB可以提供風(fēng)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(guò)優(yōu)化的專(zhuān)為風(fēng)電行業(yè)設計的控制自動(dòng)化產(chǎn)品。下面就ABB控制自動(dòng)化產(chǎn)品在風(fēng)力發(fā)電機組控制系統中的應用進(jìn)行介紹。

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

　　控制器是整個(gè)電控系統的核心，其主要任務(wù)是控制風(fēng)機根據風(fēng)能的變化調整輸出，以及風(fēng)機在運行過(guò)程中的各種數據檢測、系統保護、通訊等功能。MW級風(fēng)力發(fā)電機組控制系統的特點(diǎn)是：

　　點(diǎn)數不多：

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

　　數據計算量大：

　　MW級風(fēng)機電控系統的雙饋調速系統及電動(dòng)變槳系統數學(xué)模型結構復雜、計算精度高；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(shí)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)先級多任務(wù)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(shí)時(shí)性，控制器還必須支持現場(chǎng)總線(xiàn)及遠程監控使用的工業(yè)以太網(wǎng)通訊。ABB公司的緊湊型控制系統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(jiǎn)潔友好,并且實(shí)現分布式擴展簡(jiǎn)單快捷，有多達5個(gè)集成的通訊接口（Modbus、TCP/IP、Profibus、DeviceNet、CanOpen）用于開(kāi)放的通訊方式，I/O擴展數量多達1040點(diǎn)開(kāi)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）構成的MW級風(fēng)機電控系統控制器拓撲結構圖。圖2 ABB AC310系列PLC組成的風(fēng)機電控系統控制器網(wǎng)絡(luò )

　　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(gè)控制器的主要功能為：

　　機艙控制器：負責處理各傳感器（含風(fēng)速風(fēng)向儀）、輸入輸出點(diǎn)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、主控制器之間的數據通訊。

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

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

　　3個(gè)控制器之間采用以太網(wǎng)通訊，保證了通訊速率?？刂破髋c變頻器之間采用CAN總線(xiàn)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。這樣構成的控制結構具有分工明確、實(shí)時(shí)性強、穩定可靠的特點(diǎn)。

　　3. 用ABB AF系列接觸器解決并網(wǎng)穩定性問(wèn)題

　　風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)出的電能通過(guò)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)機負載波動(dòng)頻繁，加之風(fēng)電場(chǎng)多建在電網(wǎng)相對較弱的邊遠地區，在這種情況下，極易出現風(fēng)機誤并網(wǎng)、誤解列給電控系統及機械結構帶來(lái)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(guò)線(xiàn)圈控制開(kāi)合，這樣當系統線(xiàn)路出現誤動(dòng)作時(shí)，接觸器也將出現誤動(dòng)作，風(fēng)機被誤并網(wǎng)。ABB的AF接觸器（AF400 – AF2050）可以使用輸入信號（如：來(lái)自PLC）控制接觸器開(kāi)閉，而線(xiàn)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(mǎn)足：線(xiàn)圈通電和輸入信號。

　　普通接觸器（如圖3），在A(yíng)1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(xiàn)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(shí)，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(gè)，可提高抗誤并網(wǎng)能力。

圖4 AF系列（AF400 - AF1650）接觸器接線(xiàn)圖

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

　　4. 用ABB機械鎖WB75A解決變槳系統備用電源穩定性問(wèn)題

　　在電網(wǎng)突然掉電的情況下，變槳系統使用備用電源（電池組或超級電容組）將葉片旋轉到順槳位置，以保證風(fēng)機在電網(wǎng)停電狀態(tài)下，吸收最小風(fēng)能，保證設備安全。同時(shí)備用電源還必須支撐整個(gè)控制系統的傳感器和控制器直流回路運轉一定時(shí)間，以記錄必要的數據。帶備用電源的變槳系統的簡(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(kāi)，備用電源自動(dòng)切入，維持變槳系統工作。此時(shí)，如果系統由于干擾或其他原因造成接觸器K2意外打開(kāi)，整個(gè)風(fēng)機將完全“停電”，即使備用電源電量充足，也無(wú)法自動(dòng)切入，風(fēng)機與遠程監控系統失去聯(lián)系，葉片停留在工作位置，風(fēng)機空載。如果此時(shí)出現大風(fēng)，風(fēng)機極有可能因為空載超速而損壞。

　　為保證風(fēng)機備用電源系統安全穩定工作，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(huì )因為線(xiàn)圈掉電而斷開(kāi)，而當需要將接觸器K2斷開(kāi)時(shí)，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(kāi)。這樣就保證了變槳系統安全穩定的工作。

　　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(kāi)。

圖6 機械鎖

5. 用種類(lèi)齊全的ABB控制自動(dòng)化產(chǎn)品構成控制系統的輔助回路

　　ABB低壓產(chǎn)品種類(lèi)齊全，可根據需要，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(xiàn)路保護，BB GS260系列剩余電流動(dòng)作斷路器可作為插座線(xiàn)路保護。因風(fēng)電安裝場(chǎng)合氣候條件惡劣，變槳控制柜內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(lèi)型的加熱器；而板式加熱器面積大，可通過(guò)自身面積散熱達到理想效果，控制柜內溫差小。ABB的板式加熱器，就適合用于密閉的變槳控制柜內。

　　其他諸如傳感器、按鈕開(kāi)關(guān)、插座、急停按鈕等，都可在A(yíng)BB控制自動(dòng)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)品在國內風(fēng)電場(chǎng)的應用情況

　　目前，ABB公司開(kāi)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)品已在國內廣泛應用于內蒙古、山東、吉林、江蘇、黑龍江等地風(fēng)電場(chǎng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際應用檢驗，應用效果很好，其產(chǎn)品穩定的質(zhì)量、突出的性能表現更是得到了用戶(hù)的贊譽(yù)。