（已结贴）工控自由擂台第二期：新能源之风电环境下的自动化产品应用 点击：953 | 回复：19
本期话题：新能源之风电环境下的自动化产品应用
随着一系列由石化能源的利用引起的全球环境问题不断加剧，以绿色、低碳、节能环保为关键词的新能源产业迅猛发展，在短短几年内太阳能光伏发电、风力发电产业从电力新贵发展成为绿电主力军。这其中，风电已成为行业的先进生产力，资源无尽、成本低廉。然而，由于风电行业具有特殊的环境特点，对其使用的自动化产品也提出了更高的要求。
网友可将关于风电环境下自动化产品应用感受、建议、需求甚至方案、案例，跟帖到本帖，也可重新开贴，将链接跟帖到此贴后。我们将每期评出话题意见领袖，给予一定奖励。
每期话题，将与新推出的工控周刊同步推出，敬请期待。
每期活动时长，1-2周。
本期话题：风电环境下的自动化产品应用
风力发电介绍：
把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）
风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同） 由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。
铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。
发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。小型风力发电机系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风电是新能源，发展前景还是很广阔的，以前了解过一些相关方面的信息，做风电控制的厂家一般都跟高科技企业沾边。
一、风力发电机组主控系统：
风力发电机组主控系统构建于VxWorks实时操作系统,安全可靠。主控柜选材优良、工艺精湛、检测严谨。除提供风机正常运行所需的操作维护、安全保护、状态监视、参数修改、功率调节、数据记录、远程通讯等功能。采用高性能PLC,可靠性>99.96%；高品质元器件,综合损坏率<3‰；
性能介绍
1.使用先进的控制算法实现最优恒功率控制，提高机组的运行效率和发电量；
2. 采用最佳叶尖速比控制实现风能的最大捕获
3.对电网、风况和机组的运行状况等进行监测和记录并为风场管理提供原始数据；
4.根据不同的等级的报警事件执行不同的停机策略，降低风机损耗；
5.对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，支持故障记录、查询和下载；
6.自带WEB服务器，可以通过TCP/IP直接访问；
7.接受风场无功补偿要求，实现转速、有功功率和无功功率的调节，达到无功补偿；
8. 采用先进的控制模式和降容控制,支持低电压穿越；
9.支持多种工业通讯标准及互联网技术，可以实现远程监控。
系统设计
控制系统能在高温、高寒、风沙、盐腐蚀、高湿度等恶劣条件下正常工作；
完备的接地保护：工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地、屏蔽接地；
完善的控制系统雷电保护措施和抗干扰设计
最低可操作温度：-30℃；最高可操作温度：+70℃；
防盐雾等级：0.1mg/cm2；防护等级：IP54
偏航系统实现软启，软停更好地保护了偏航系统相关机械部件。
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二、风力发电机变桨距系统
风力发电机变桨距系统包括变桨距控制器，变桨距伺服电机与伺服驱动器、备用电源系统、传感器等。
风力发电机变桨距系统采用三套变桨电机伺服控制系统, 分别对每个桨叶的桨角进行控制，桨距角的变化速度一般不超过10°/s，桨叶控制范围0°~90°，每个桨叶分别采用一个带转角反馈的伺服电机进行单独调节，电机转角反馈采用光电编码器，安装在电动机轴上，采集电机转动角度，由伺服驱动系统实现转速速度闭环控制和变桨控制器实现的转角位置闭环控制。
产品特性
采用高性能的风电变桨距专用伺服器和变桨电机，简单可靠，使系统运行稳定、快速、准确。
采用风电专用控制器，处理速度快，模块化设计，抗干扰性强，能适应各种恶劣环境，保证系统正常运行。
采用优化的变桨距控制算法，实现智能控制，实时调整桨叶角度。
基于Vxworks操作系统的PLC程序设计，可兼容Profi-Bus、CanOpen、DeviceNet、工业以太网等多种标准通讯协议。
软硬件多重隔离保护技术，多重并独立的保护策略，增强系统安全性。
最优化的控制算法，能实时根据当前风况给出最佳的桨距角，使风机始终保持在额定功率下稳定高效的运行。
采用直流电机调速技术，速度快，力矩大，结构简单，备用电源能够直接驱动，变桨速度更快，风机保护更安全。
结构设计合理，多级分区防雷保护稳定性高，满足防震，旋转运行的要求。
紧急情况下，失效保护系统能确保风机安全顺桨。
封闭式柜体设计，适应恶劣气候条件。温度：-40℃到+70℃防盐雾。
三、风力发电机超级电容变桨距系统
以超级电容作为后备电源，采用交流伺服驱动器，配备交流永磁同步电机进行变桨，3只桨叶实现独立控制和保护。
1. 采用六柜结构，结构简单，易于维护；
2. 采用永磁同步交流伺服电机，机械特性好；
3. 系统具备低电压穿越功能；
4. 采用超级电容作为后备电源，具有完善的监视及保护；
5. 采用独立的高效充电器对超级电容进行充电，预留通过驱动器充电的功能；
6. 采用CANOPEN总线与主控进行通讯，符合行业对变桨系统响应的要求；
7. 拥有安全链、看门狗、超速保护、限位控制等多项安全保护功能
8. 多项控制及驱动冗余电源设计，最大限度保证系统可靠收桨
产品特性
1. 主控与变桨，变桨柜之间采用CANOPEN通讯。
2. 每支桨叶驱动器可独立控制和保护。
3. 每支桨叶采用独立通道监视来自桨叶和电机的角度信号
4. 采用冗余桨叶限位开关设计，分别控制驱动器使能，反馈风暴位置。
5. 采用硬件安全保护回路，在出现严重故障时进行统一收桨。
6. 采用CAN总线保证系统响应速度，符合最新国17条规定。
7. 后备电源状态通过RS485实时上传，可在主控或中控室方便的进行查看
系统设计
1. 设计寿命：大于20年
2. 运行温度：-30℃～+50℃（变化率＜0.5℃/min）
3. 存储温度：-40℃～+55℃（变化率＜1℃/min）
4. 运行相对湿度：＜90%，无凝露；
5. 存储相对湿度：5～95%，有凝露
6. 海拔高度：0～3000米
7. 柜体防护等级：IP54
8. 防腐等级：C3
9. 振动：满足IEC60068-2标准
10. 防雷保护：雷击保护基于LPZ 2标准
四、风电场SCADA监控系统
为满足风机数据采集、风电场状态监控、远程控制和数据报表分析提供了整体解决方案，由风电场网络解决方案和风电场监控系统两部分组成。
风电场网络采用单冗余环网设计方案和双冗余环网设计方案，保证了监控系统对于风场的数据采集。
风电场监控系统基于分布式系统架构和面向对象设计，采用专业级数据库存储风电场实时数据和统计数据，支持多种通讯规约，跨平台语言客户端开发，具有良好的可扩展性和跨平台性。
性能介绍
1. 分布式体系结构，模块化设计，根据实际需求灵活搭建系统；
2. 采用冗余和集群相结合的方案，保证数据安全性和系统可靠性；
3. 支持风电场状态实时监控；
4. 支持报表模板查询，可根据需求灵活配置；
5. 支持功率曲线、风玫瑰图统计和查询；
6. 支持历史报警统计和查询；
7. 支持数据上传，支持通过标准modbus、OPC接口访问风电场数据；
8. 支持可选有功功率智能分配模块，实现风电场有功功率智能控制。
功能特点
冗余环网设计；
模块化、标准化硬件选型；
分布式系统体系设计；
冗余和集群技术结合；
支持结构扩展和功能升级；
支持新功能定制；
外部通讯隔离设计；
支持各种通讯协议；
支持通讯协议开发。
五、PPM风电场能量控制系统
风电场能量控制系统主要用于采用本司风机主控系统的风电场，实现对风电场整体有功功率和无功功率输出控制功能，目前支持有功功率智能分配和功率因数批量设置功能。
风电场能量控制系统可以直接通过内部通讯协议与本司SCADA产品无缝连接，获取风机信息和实现对风机能量控制功能。
功率因数控制模式
功率因数控制模式分为手控模式和远控模式：
手控模式：此模式通过人工方式设置单个机组功率因数或批量设置机组功率因数设定值；
远控模式：用于与第三方AVC系统整合，PPM系统将机组功率因数控制通过外部接口提供给第三方AVC系统，自身不做任何控制。
有功功率控制模式
有功控制模式分为手控模式、自控模式和远控模式。
手控模式：在AGC状态退出和远控状态退出的情形下即为手控模式，此模式通过人工方式设置单个机组有功功率或批量设置机组有功功率设定值。
自控模式：在AGC状态投入和远控状态退出的情形下即为自控模式，此模式人工输入有功控制的设定输出功率，通过内部控制算法控制整体功率输出，可通过参数功率偏移和功率分配周期调整。
远控模式：在AGC状态投入和远控状态投入的情形下即为远控模式，此模式将网调计划功率作为有功控制的设定输出功率，通过内部控制算法控制整体功率输出，可通过参数功率偏移和功率分配周期调整。
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六、CMS状态监控系统
状态监控系统利用振动传感器对风机传动链上的主轴、齿轮箱、发电机前后轴承的振动特性进行采样，结合风机运行参数（电功率及测量风速）对风机各个运行部件进行监视。通过三级数据网络实现分布式传输及分布式分析，监测风机各部件的故障隐患的发展趋势并预警。同时找出故障的根本原因，提前加以解决防患于未然，减少设备停机时间，降低风机的维修成本。
可靠性
采样系统采用以DSP为核心的现场采集单元，具有环境适应性强，系统简单及稳定可靠的特点。
样本传输采用成熟的以太网络，减少了传感器的信号衰减，保证了信号采集质量。
采集单元采用全密封封装，可以最大程度地适应现场恶劣的工作环境并降低采样线路衰减。
实用性
现场采样与分析系统分离，提高了系统的可维护性并最大程度地提高了采样率及端口通讯利用率。
现场分析系统具备图形显示功能，可以及时对故障进行分析处理。
现场分析系统通过硬件线路及网络通讯协议与风机控制系统进行通讯，保证了通讯效率及通讯质量。
具备独立知识产权，对系统维护、升级以及与其他系统的接入提供了有力保障。
经济性
现场采集与分析分离，前端采集采用成本相对较低的DSP核心部件，降低了单位端口成本。
单机分析系统与风机塔基控制屏共用，增加了系统使用效率，最大程度减小了设备投入。
信号传输系统采用与控制系统通用的网络通讯系统，降低了网络部署及维护成本。
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七：传感器
1，振动分析仪
2，风机暂态电压错误监视器
3，CMS前端数据采集器
4，超速保护开关
5，加速度变送器
6，三轴加速度变送器
7，超声波风速风向仪
8，超级电容健康监视仪
以上信息，搜集于国内某专业做风电控制的厂商网站。
具体实际应用，暂时还没有接触到风电控制方面的工程，记得去某公司面试时，说的现场条件，多为沙漠地区，风大，还要爬到风机上面去装、查传感器，有恐高倾向的偶当场被吓着了。
1.控制器
控制器主要应用于风力发电机组的变桨控制以及风力发电机组的主控。目前有三种主流的控制方案：基于PC的控制方案、专用控制器以及基于PLC的控制方案。
基于PC控制方案的代表厂商是Beckhoff，其嵌入式PC+TwinCAT的控制方案，在一些800KW以下机组以及大多数800KW~2MW机组中有广泛应用，Beckhoff近年来不断在中国风电行业加强投入，战略重点从远程I/O向PC控制平台逐渐转移，与各大风电设备生产厂商加强合作，进一步扩大了其市场份额，2008年其市场规模达到2.2亿元。
专用控制器的代表厂商是Mita以及Bachman。专用控制器是风力发电机组控制器的传统解决方案，也是国外风电机组供应商所采用的主流方案。由于最初中国风电大功率机组在起步阶段多引进国外技术以及控制方案，因此目前市场上采用专用控制器的厂家为数不少。2012年Mita和Bachman市场规模分别为1.7亿元和1.4亿元。
提供PLC解决方案的代表厂商是西门子。2012年西门子控制器在风力发电市场规模是0.7亿元，其PLC解决方案在国内800KW以下机组中有广泛应用，这归功于其在最初阶段和国内有实力的风力发电行业系统集成商如金风科技和中科院电工所等公司的紧密合作。目前国内有很多风电机组供应商和研究机构也在加快PLC在1.5MW及以上大功率风力发电机的应用研究。
2.机械传动
机械传动在风力发电机组中属于关键部件之一，其市场规模随着风电行业的迅速发展，也迅速扩大。
西门子收购国际机械传动巨头Flender后，也成为了全球风电行业增速齿轮机的顶级供应商，具有垄断地位，12年的市场规模达6.4亿元。在中国风电行业，虽然面临者诸多供应商的竞争，依然具有明显领先优势。其在天津建有本地化工厂，并不断扩大产能，保证了中国客户的交货期。
机械传动产品第二集团的供应商包括南高齿（4.7亿元）、重齿（4.3亿元）、杭齿（2.5亿元）等传统的国内齿轮箱生产企业。这些企业近几年不断在风电行业加强投入，积极研发适用于大功率风力发电机组的增速机，并与国内和国际的风电设备生产厂商建立了良好的合作关系，因此在风电行业取得了优异的成绩。一些国际著名风电设备厂商例如Vestas，都逐渐批量采购南高齿、重齿生产的产品。
第三梯队是以二重（1.9亿元）为代表的企业。虽然其起步较晚，但由于看重风电行业在国内发展的良好势头，依然积极投入研发和生产力量，开发合适的增速齿轮箱产品。目前此类厂商的产品也开始在国内风力发电机组上应用。
3.变频器
中国的风电市场近两年发展非常迅速，变流器作为风力发电机组的核心部件，其市场前景广阔。
ABB做为中国传动市场的领头羊，其变流器在风电领域也处于领先地位。ABB集团非常重视其业务在风电行业的发展， ABB中国公司召集了包括电机、传动、低压自动化等方面全球领域的专家，成立了专门的服务团队，以服务中国风电市场不断发展的需求，提供完整的解决方案。ABB传动公司目前主要有两类产品应用于风力发电系统，一类是应用于双馈发电机系统的变频产品ACS800－67，一类是应用于永磁同步电机且无齿轮箱（直驱系统）的变频产品ACS800－77，2012年ABB（2.46亿元）把ACS800－67和ACS800－77的生产线搬到中国，以满足中国风电市场的快速发展的需求。艾默生变频器2008年在国风电市场规模也达到了2.12亿元。
另外，在变流器的生产厂商中，除了国外一流供应商，近几年国内也有表现出众的企业，例如阳光电源（1.8亿元）和北京科诺（0.4亿元），依靠其强大的科研队伍，快速研发出合适的变流器产品，取得了一定市场份额。
4.伺服产品
伺服产品主要由于风力发电机组的变桨控制系统。由于风电机组的工作环境比较恶劣，对伺服产品环境适应性能要求非常高，而且此部分算法复杂，因此目前此类产品还是依靠国外进口，国内鲜见有厂家供应此类产品。路斯特绿能（2012年市场规模1.5亿元）是这个环节供应商的市场垄断者。其专用于变桨控制的伺服系统PitchMaster具有多种领先功能：
高动态响应性能的伺服系统保证了快速、准确的叶片角度调节和定位
便捷的服务与调试工具，基于风电行业开发的软件“ Drive Manager”
模块化及防沙尘、盐蚀和振动设计保证系统长期,稳定,工作。
由硬件直接控制的紧急停车确保安全符合eon 规则的设计, 确保电网瞬间供电故障时系统正常工作。
目前路斯特绿能在国内与风电机组生产商开展广泛的合作，已经和金风、东汽、明阳电气等著名厂商合作开发1.5MW风电机组变桨控制系统。
风电产品在前几年因为新能源应用吵得很热闹，国内也有很多风电基地，因为本人不是从事风电行业，在网络研讨会上听过几次关于风电产品的介绍，比如介绍风电产品的编码器的，因为是户外安装，所以编码器的要求较严格，在国内使用的大多是国外一些注明品牌的编码器产品，还有特别注明一下，GE公司在风电行业的产品也很丰富，GE公司可以提供风电行业的整套设备，对于一体化服务很好，作为新能源，风电应该大力开发，因为依赖“风”这种自然资源，所以风电选址也很重要，要保证风电的稳定性，投资要作为预先的准备，不要盲目的投资，这些我们对于光伏产业就有深刻的教训，产能过剩，竞争激烈导致很多企业倒下。
风电行业编码器产品介绍——
关于编码器在风电行业应用，也有很多论文，这些都不做一一介绍，要介绍整个风电行业的产品线，有很多，还有很多需要学习的地方，希望更多的接触到风电行业产品，也希望中国的风电行业发展迅速，更多的使用新能源取代传统的不环保能源发电。
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