概述
隨(sui)著(zhe)近(jin)年(nian)來(lai)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)裝(zhuang)機(ji)容(rong)量(liang)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)升(sheng)，風(feng)力(li)發(fa)電(dian)占(zhan)所(suo)在(zai)電(dian)網(wang)的(de)比(bi)例(li)也(ye)隨(sui)之(zhi)持(chi)續(xu)增(zeng)加(jia)。眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)，風(feng)能(neng)具(ju)有(you)高(gao)度(du)的(de)隨(sui)機(ji)波(bo)動(dong)性(xing)與(yu)間(jian)歇(xie)性(xing)，所(suo)以(yi)大(da)規(gui)模(mo)的(de)風(feng)電(dian)接(jie)入(ru)會(hui)對(dui)電(dian)力(li)供(gong)需(xu)平衡、電力係統的安全以及電能質量帶來諸多嚴峻的挑戰。2011年初發生在甘肅酒泉等地的多起脫網事故也說明了製定風電並網規範的緊迫性。因此,國家電網提出了風電場接入電網的技術規定，由此產生了電網友好型風機和風電場的概念：
1、 風機具有有功無功調節和低電壓穿越能力，確保電網發生波動時風機不解列；
2、 風電場擁有風功率預測係統，能夠完成風電場48小時內的短期功率預測和15分鍾至4小時的超短期功率預測；
3、 集中優化配置有功功率和無功功率控製係統，實現風機的遠程調節控製。
jiyuyishangjidian，bushaozhengjizhizaoshangtichulezhinengfengdianchangdegainian，tongguofengdianchangwangluonenggouyuanchengjizhongjiankongfengjihefengdianchangdeyunxing，bingnengshishideduigonglvjinxingkongzhi。zhexiexuyaoyougaoxingnengdefengjikongzhiqi、相應的電力測量設備和快速的現場總線。德國倍福自動化有限公司基於PC的控製技術，具有良好的開放性和靈活性，倍福係列產品包括工業PC、I/O、現場總線組件和 TwinCAT 自動化軟件，高性能的PC和功能齊全的端子模塊可為廣大風電客戶提供全麵、優質的風力發電機和風電場電力監控解決方案。
風電場的電力監控實時網絡：
該方案是基於倍福係列產品的風力發電機組和風電場的調度實時網絡方案，如下圖1。
圖1 風電場電力監控實時網絡
該方案是基於倍福的工業PC、電力測量端子模塊、帶光纖接口的 EtherCAT 耦合器和實時的 EtherCAT 技術。倍福工業PC上運行專用的能量管理平台，具有強大的風電場電力監控功能。該平台提供與電網調度接口，集中實時控製風電場的電壓、功率等等。保證風電場與接入地區電網相互協調運行，實現高效的風電場運行和管理。EtheCAT 光電轉換耦合器模塊把能量管理平台與風電場內的風機連接到一起，組成風電場電力監控實時網絡，可在風電場網絡中實現小於 1 ms 的實時控製任務。專用的電力測量端子模塊配合特有的低電壓穿越控製模塊監控風場電網公共接入點和單台風機並網側的電網狀況（電壓、頻率、有功、無功等等）。
風電場電力監控實時網絡方案分為兩部分：
1 單台風力發電機組的電力監控，如下圖2
圖2單台風力發電機組的電力監控
該方案采用了倍福嵌入式工業 PC CX5020控製器作為單台風機的主控製器，主控製程序基於TwinCAT軟件，運用倍福自主開發完善、高效、成(cheng)熟(shu)的(de)風(feng)電(dian)專(zhuan)用(yong)功(gong)能(neng)庫(ku)，集(ji)成(cheng)先(xian)進(jin)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)，很(hen)好(hao)的(de)協(xie)調(tiao)控(kong)製(zhi)風(feng)機(ji)各(ge)部(bu)件(jian)和(he)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)行(xing)。根(gen)據(ju)當(dang)前(qian)的(de)風(feng)況(kuang)和(he)風(feng)電(dian)場(chang)能(neng)量(liang)管(guan)理(li)平(ping)台(tai)的(de)控(kong)製(zhi)指(zhi)令(ling)，控(kong)製(zhi)風(feng)機(ji)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)、頻率和功率等等，保證風機的穩定運行。
控製器自帶的以太網接口可連接到交換機模塊 EL6601，可以通過 ADS、OPC、Modbus TCP 等通訊協議與風電場的 SCADA 係統進行數據交換。通過 EtherCAT 網橋模塊 EL6692 和擴展模塊 EK1110 接入風電場實時控製網絡，與能量管理平台進行通訊，滿足對整個風電場的實時控製的需要。EK1501 作為單台風機與風電場 EtherCAT 實時網絡的接入點。
EL3413 模塊可直接監測單台風機並網側的 690 V AC電壓、電流、頻率、有功、無功、發電量，以及21次以內的諧波等等。風機主控係統通過采集的電力數據監測風機運行狀況、相關的數據可通過風場網絡傳送到風電場中控室的能量管理平台和 SCADA 係統。
2 風電場公共接入點電力監測，如下圖3
圖3 風電場公共接入點電力監測
具有XFC超采樣技術的電力測量模塊 EL3773 對風電場電網公共接入點進行監控。倍福工業 PC 上運行的能量管理平台通過 EtherCAT 耦合器接入到風電場實時網絡，采集 公共接入點處和每台風機並網側的電網狀況，通過平台裏專用的控製程序統一調控整個風電場的電壓、頻率、有功出力和無功等。
通訊架構：
1、 風場實時網絡為環網方式，使用單模光纖通過 EtherCAT 總線和相應的耦合器 EK1501 把風場的風機連接成通訊環網。風場中的每台風機的主控製器CX5020可通過以太網交換機模塊 EL6601 與 接入風場網絡，並使用 EtherCAT 網橋模塊 EL6692 實現與能量管理平台的實時通訊。
2、 EtherCAT采用開放的實時以太網通訊協議，是一種高速以太網現場總線，由德國倍福自動化有限公司研發。EtherCAT 為係統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，分布於100個節點的1000個開關量刷新時間僅為30µs，同時，它還明顯降低了現場總線成本。EtherCAT 的特點還包括分布式時鍾，可選線纜冗餘和功能性安全協議(SIL3)。采用 XFC （極速控製）技術後，利用時間戳可獲得小於100 ns的時間分辨率。
關鍵設備：
1、 CX5020
CX50x0係列是符合標準 DIN 導軌安裝方式、無風扇、寬溫型的嵌入式控製器，CX50x0采用 Intel Atom 低功耗處理器，CPU 主頻可達1.6 G。帶有兩個獨立的千兆以太網端口和四個 USB 2.0 接口，可以通過 DVI 接口與倍福控製麵板或標準 DVI 顯示器相連。根據需要，也可添加一個串口（RS232/RS422/RS485）或具有主站或從站功能的現場總線接口。位於蓋板後麵並可從外部拆裝的可互換的 CF 卡作為引導和存儲介質。CX5000 係列還內置了一個 1 秒鍾 UPS，可確保在 CF 卡上安全備份持久性應用數據。
2、 EK1501 /EK1521
帶光纖接口的EhterCAT 耦合器和接口模塊；具有EtherCAT 的光電轉換和耦合功能。使用帶單模的光纖接口的耦合器和接口模塊，可以實現EhterCAT光纖線纜冗餘係統，最遠的距離可達20千米。
3、 EL3413
專為風電設計，用於單台風力發電機的電力監測，不需要電壓互感器可直接接入 690 V AC。檢測電流信號的通道是相互隔離的，可以與各種通用的電流互感器進行連接。該電力測量模塊能對電壓、電流、頻率、有功，無功，功因、發電量，上至21次諧波等等相關指標的進行監測。
4、 EL3773
超采樣電力測量模塊 EL3773 采用倍福 XFC 技術，6個通道可同時以100µs的精度進行采樣
，基於采樣所得的電流電壓，客戶可以計算出真有效值及實現複雜的自定義算法。支持分布式時鍾。
5、 EL6692 /EL6601
EL6692用於不同主站的EtherCAT 網段之間的數據交換，同時它還可以同步各個網段的分布式時鍾。
EL6601 為以太網交換機模塊，用於將以太網設備與 EtherCAT 端子模塊網絡進行分布式連接，交換機端子模塊可安裝在 EtherCAT 網段中的任意位置，無需進行任何配置。
倍福風電功能庫為風機主控開發帶來極大的便利
jihebeifuduonianfengdianzhukongxitongkaifadejingyan，weigaoxiaochengshudefengdiangongnengku。beifufengdiangongnengkuyimokuaihuadexingshizucheng，qieyuandaimawanquankaifang，bangzhujishurenyuanshenrulijiefengjidekongzhi。shiyongzhexiegongnengkunenggouxianzhusuoduanzhukongzhichengxudekaifashijian，yekeduixianyouchengxudezhukongzhijiagou、控製代碼和邏輯進行優化。其主要軟件模塊有：
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1 |
Library Wind Auxiliaries （風電輔助庫） |
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2 |
Library Statuscodes / Statuscode Generator（狀態碼庫和生成工具） |
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3 |
Trace Logger（狀態記錄文件） |
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4 |
Mean-Value Logger（均值記錄） |
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5 |
PowerCurve Logger（功率曲線記錄） |
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6 |
Simulation（風機模擬庫） |
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7 |
I/O-Generator（I/O 生成工具） |
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8 |
Parameter Generator（參數生成工具） |
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9 |
Remote Comand Generator（遠程命令生成工具）
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倍福TwinCAT3軟件
倍福公司早在1986年就創立了基於PC控製技術的自動化全球標準，在軟件方麵，以TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology）自動化組件作為控製係統的核心軟件，TwinCAT 軟件將任意一個基於PC的係統變成一個多PLC、NC、CNC 或機器人的實時控製係統。TwinCAT 3 是倍福在TwinCAT 2軟件基礎上更深入的係統性研究開發的成果，以下列舉了TwinCAT 3的一些特點，圖4為TwinCAT3係統圖：
· 編程和配置隻需要一個軟件
· 集成 Visual Studio
· 選擇編程語言更加靈活
· 支持麵向對象的 IEC61131-3
· 使用 C/C++作為實時應用編程工具
· 支持 Matlab/Simulink
· 支持多核和 64 位係統
· 可將 TwinCAT 2 的方案直接移植到 TwinCAT 3
公司簡介：
德國倍福自動化有限公司總部位於德國威爾市。公司在世界各地設有分支機構，加上全球的合作夥伴，目前公司業務已遍及 60 多個國家。
倍福始終以基於 PC 的自動化新技術作為公司的發展理念，所生產的工業電腦、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT控製軟件構成了一套完整的、相互兼容的控製係統，可為各個工控領域提供開放式自動化係統和完整的解決方案。近 30 年來，倍福公司的組件和係統解決方案在世界各地得到了廣泛的應用。
自 2001 年 3 月德國倍福成立北京代表處以來，公司在中國的業務迅速發展，先後成立了上海代表處和廣州代表處，並在寧波、武漢、成都、青島設立了聯絡處。2007 年 8 月上海代表處經轉製後正式成立倍福中國公司，並將倍福中國區總部遷至上海。隨著各種具有良好性價比的新產品、新技術不斷進入中國市場，其勇於打破傳統控製模式，傾力推廣 PC 控製新技術的理念已被越來越多的中國用戶所接受。
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