可实现快速响应及同步数据采集的风电场监控网络(2)

［摘要］：风电场的集群控制是保障电网的安全运行、实现风场总功率的优化以及提高风电场整体电能质量的有效手段。Beckhoff的EtherCAT实时风场监控网络在风场网络通信的高速响应方面设立了新标准。基于EtherCAT的风场网络可以测量风电场并网点电流和电压的瞬时值，并且采样速率可达到10KHz。如果风电场并网点出现电压跌落，系统能够在最短的时间内监测电压跌落数据，并且在1ms之内调整网络中的所有风力发电机组给定值。通过 EtherCAT分布式时钟，所有测量值以及控制给定值的同步时间误差＜1μs。另外，通过EtherCAT风场网络可以得到整个风场中所有风机的同步测量数据，具有同步特性的风场大数据的采集为整个风电场的能量控制、监控与预警和风机功率提升等提供更有力的支撑。

［关键词］：风电场控制 同步大数据采集 EtherCAT

 

1.2 现有风电场网络存在的问题

现有风电场网络存在的不足主要有两个：①控制周期慢;②无法协调整个风电场内的风机达到风场级别LVRT功能。

现有的风电场网络是基于以太网的解决方案，通讯采用以太网光纤，风机处使用普通以太网交换机，风场集控系统与各个风机之间采用TCP/IP等非实时的通讯协议。由于交换机的延时和以太网报文的不确定性，使得整个风电场控制网络是“秒级”或者更长的时间，通讯速度和通讯的实时性无法保证。

现有风机的LVRT检测和实现都是在风机本身的变流器部分实现，根据要求新增的风力发电机组都必须具备低电压穿越能力。然而，考虑到风场规模的增大，以及每台风机的不同情况，根据单个风机监测的电压情况作出的反应也许不能产生电网营运商预期的效果。由于风力发电机组与电网并网点之间存在的阻抗，所以它们之间的电压会有差异。也就是说各个风力发电机组对公共并网点电压的变化会做出不同的反应。同样，风力发电机组级馈入的无功电流与电网并网点的最终无功电流也是不一致的。即无法达到国家标准对整个风电场整体的低电压穿越的要求。

1.3 EtherCAT风场控制网络解决方案

永磁直驱风力发电机和双馈异步风力发电机是目前使用最多的风力发电机类型，与传统的恒速恒频风力发电机相比，和功率因数可在+0.95到-0.95之间调整，可以在一定的范围内调整输出的有功和无功功率，其无功调节能力也广泛地应用于风电场的无功调整。充分发挥风力发电机自身的无功支撑能力，并以远端并网点母线电压为控制目标，对维持电网的无功功率平衡和电压稳定有着十分重要的意义。来自德国弗劳恩霍夫风能及能源系统技术研究院的Melanie Hau 和Martin Shan [2]的研究表明，风场监控网络的速度以及风电机组自动控制系统现场总线的速度对风场电压或无功功率控制可实现的动态性产生了显著影响。

而这恰恰就是 EtherCAT 风场控制网络解决方案的优点。迄今为止，风场网络监控都是使用以太网实现的。以太网光缆用于将单独的风力发电机组连接到主计算机。因为 EtherCAT 基于以太网，所以其与以太网的物理层完全兼容。当使用EtherCAT时，也可应用相同的物理层。此外，EtherCAT 还完全实现了线缆冗余。风场中的光缆环网通过风场主机的第二块网卡形成闭环。亮点就在于，与目前使用的支持冗余的交换机相比，使用EtherCAT可以显著提高传输速度并降低成本。

与目前的其它方案不同，EtherCAT 解决方案可以利用EtherCAT使整个风场应对低电压穿越(LVRT)。因此，如果在风电场并网点诊断出有电压跌落，它可以在1 ms的时间内将信号传输给整个风场的所有风力发电机组。且其能够让整个风场对电网中的电压跌落做出协同的反应。这样，解决方案即可实现整个风场在电网并网点的确定的行为。

另外，EtherCAT从站中的分布式时钟能够确保整个网络中的数据采样在时间上保持同步。时基误差小于1μs(微秒)，甚至小于100 纳秒。有了这些数据，电流、电压和频率可以得到相应控制且电网可以得到最优的支持。

2 倍福极速风电场监控网络

倍福极速风电场监控网络方案如下图2所示。

该方案是基于倍福的工业PC、电力测量端子模块、带光纤接口的EtherCAT耦合器和实时的EtherCAT通讯技术、超采样技术、EtherCAT分布式时钟技术。倍福工业PC上运行专用的风电场能量管理平台，具有强大的风电场实时电力监控功能。该平台提供与电网调度接口，集中实时控制风电场并网点的电压、功率等等。保证风电场与接入地区电网相互协调运行，实现高效的风电场运行和管理。EtheCAT光电转换耦合器模块把风电场管理平台与风电场内的风机连接到一起，组成风电场实时电力监控网络，可在风电场网络中实现小于 1 ms 的实时控制任务。专用的电力监测端子模块监控风场电网并网点和单台风机并网侧的电网状况(电压、频率、有功、无功等等)。

图2 风电场实时电力监控网络

2.1 风电场实时电力监控网络方案分为两部分：

a) 单台风力发电机组接入EtherCAT风场网络，如下图3所示

图3单台风力发电机组接入EtherCAT风场网络

该方案采用了倍福嵌入式工业 PC CX5020控制器作为风机的主控制器，主控制程序基于TwinCAT软件，运用倍福自主开发完善、高效、成熟的风电专用功能库，集成先进的控制算法，很好的协调控制风机各部件和子系统的运行。根据当前的风况和风电场能量管理平台的控制指令，控制风机的输出电压、频率和功率等等，保证风机的稳定运行。