風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)力帶動風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速裝置提升轉(zhuǎn)速驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能源，然后再轉(zhuǎn)變成電力。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(GWEC)發(fā)布的《2024 全球風(fēng)能報告》，得益于技術(shù)進步和商業(yè)模式創(chuàng)新，全球風(fēng)能行業(yè)快速發(fā)展。2023年全球新增風(fēng)電裝機容量117GW，同比增長50%。截至2023年底，全球風(fēng)電累計總裝機容量達到1021GW，同比增長13%。GWEC預(yù)計2024年全球新增裝機量將達到131GW，未來5年CAGR 9.4%。我國具有較為豐富的風(fēng)能資源，從全球風(fēng)電市場份額看，我國已經(jīng)成為世界最大的風(fēng)電發(fā)展國，GWEC數(shù)據(jù)顯示2023年中國新增風(fēng)電裝機容量已達到全球市場的65%。

▲風(fēng)力發(fā)電工作原理示意圖

風(fēng)電機組單機容量的擴大化和系統(tǒng)的變速恒頻運行是當(dāng)前并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的兩大發(fā)展趨勢，而風(fēng)電機組主控制系統(tǒng)是整個風(fēng)力發(fā)電機組控制的核心，是風(fēng)電機組保持最佳運行狀態(tài)，安全可靠運行的有力保障。同時控制系統(tǒng)的設(shè)計也是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的難點，且采用變流器并聯(lián)運行方案來提高系統(tǒng)功率等級時，控制系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性更是大大增加。傳統(tǒng)的控制器架構(gòu)采用PLC作為主控，數(shù)字信號處理器DSP作為從站，主站與從站之間通過CAN通訊或RS485通訊，傳輸速率較慢，可靠性較低，難以滿足變流器并聯(lián)系統(tǒng)運行時對數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求。另外，傳統(tǒng)風(fēng)電變流器控制系統(tǒng)普遍采用微處理器DSP，單片機等完成主控任務(wù)，但隨著變流器控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，微處理器的任務(wù)也越來越重，既要完成一些底層算法，又要實現(xiàn)與上位機的實時通訊，長期運行時可能會降低變流器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)控制技術(shù)逐漸在風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。由德國倍福(BECKHOFF)公司開發(fā)的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)EtherCAT，基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)設(shè)計，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有配置簡單、有效數(shù)據(jù)率高、全雙工數(shù)據(jù)交換、易于實現(xiàn)等特性。將其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中，就可以解決上述問題，同時還可以簡化控制設(shè)備，減少控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高控制系統(tǒng)的實時控制能力及操作的安全性。

基于EtherCAT技術(shù)的風(fēng)電機組主控系統(tǒng)

風(fēng)電機組主控系統(tǒng)的主要任務(wù)是采集當(dāng)前的機組參數(shù)，根據(jù)風(fēng)場風(fēng)況和最佳風(fēng)能捕獲策略，對各子控制單元給出合理的操作指令，完成偏航、變槳距、變流和并網(wǎng)等操作。同時主控系統(tǒng)要建立良好的人機交互界面，能在控制面板上顯示和查詢風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)和參數(shù)、顯示故障狀態(tài)、設(shè)置風(fēng)機運行參數(shù)等。除此之外，機組控制系統(tǒng)需具有與風(fēng)電場中上位機進行遠(yuǎn)程通訊功能，以便中央控制室實時監(jiān)測風(fēng)場中各臺機組的運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，從而調(diào)整對機組的運行要求。風(fēng)電機組主控系統(tǒng)主要包括機組主控制器、變流器控制單元、變槳距控制系統(tǒng)、偏航控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、用戶界面、通訊接口等幾個子控制系統(tǒng)。

▲基于EtherCAT的風(fēng)電機組主控系統(tǒng)的主要構(gòu)成單元

借助EtherCAT 技術(shù)為基礎(chǔ)的風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)，采用風(fēng)能捕獲的最佳算法，把機組內(nèi)的所有參數(shù)采集好之后，再對不同的控制單元發(fā)出相應(yīng)的操作指令。而在人機交互的界面內(nèi)，能夠?qū)L(fēng)力參數(shù)、運行狀態(tài)、發(fā)電機組在運行期間出現(xiàn)故障的具體地點等內(nèi)容提供給操作人員。不僅如此,對于此控制系統(tǒng)來說，還需要具備遠(yuǎn)程控制中央控制室計算機的功能，進而使得風(fēng)力發(fā)電機組的運行情況、數(shù)據(jù)及其問題能夠得到中央控制室實時的檢測。帶有MAC接口的PC機作為機組主控制系統(tǒng)的主站，通過編程對從站及其運行方式進行配置，運行風(fēng)電機組監(jiān)控軟件，并周期性地通過以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送帶有從站控制器命令的數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)對變流器、槳距和偏航等系統(tǒng)的控制，從而實現(xiàn)風(fēng)電機組的啟停、變流、并網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集和變槳距等控制要求。同時各從站控制器在控制周期內(nèi)能將數(shù)據(jù)插入相應(yīng)報文反饋到主站的 PC機。由于EtherCAT技術(shù)良好的網(wǎng)絡(luò)性能和數(shù)據(jù)傳輸能力，使得系統(tǒng)能夠有效及時地對機組狀況進行實時監(jiān)控，并能對風(fēng)力突變情況下的機組槳距、變流裝置進行實時控制，跟蹤最大風(fēng)能，提高系統(tǒng)的效率。

基于EtherCAT的風(fēng)電機組從站的系統(tǒng)實現(xiàn)

EtherCAT技術(shù)的實現(xiàn)包括主站實現(xiàn)和從站實現(xiàn)。EtherCAT主站不需要專用的通訊器，只需使用帶有以太網(wǎng) MAC設(shè)備即可，如采用帶有以MAC接口的普通工控 PC機。PC機除了帶有與EtherCAT從站進行主從控制的以太網(wǎng)卡外，還應(yīng)當(dāng)具風(fēng)力發(fā)電場中央監(jiān)控系統(tǒng)通信的接口。風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中，從站包括變流器控制、變槳距控制、偏航控制、制動剎車控制等系統(tǒng)的控制器及與這些控制設(shè)備進行以太網(wǎng)連接的EtherCAT從站控制器，用來主站和從站之間的通訊及控制功能。

▲基于EtherCAT的風(fēng)電機組從站的系統(tǒng)架構(gòu)

EtherCAT從站控制器用于實現(xiàn)EtherCAT協(xié)議的實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)幀的處理工作，是整個風(fēng)電機組從站實現(xiàn)EtherCAT通信的核心。EtherCAT從站控制器有3種主要接口，通過 RJ45 與主站或者是其他從站相連，構(gòu)成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也是通過網(wǎng)線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布涌冢煌ㄟ^EEPROM存儲從站設(shè)備文件信息，主站從中讀取從站信息，識別并設(shè)置從站；通過 PDI(物理數(shù)據(jù)接口)與微處理器進行數(shù)據(jù)交換。

▲典型EtherCAT風(fēng)電機組子從站結(jié)構(gòu)圖

碼靈半導(dǎo)體EtherCAT風(fēng)電機組從站解決方案

碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片，為實現(xiàn)風(fēng)電機組EtherCAT從站提供了一種經(jīng)濟高效且緊湊的解決方案。產(chǎn)品獲得德國倍福公司（Beckhoff）官方正式授權(quán)，已通過ETG官方的一致性測試認(rèn)證，符合EtherCAT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)置8個現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元（FMMU）、8個同步管理器（SM），產(chǎn)品支持三個數(shù)據(jù)接口（PDI）-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口，內(nèi)置64位分布式時鐘（DC），可實現(xiàn)EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）。可選擇性集成32位ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器（MCU）或2個電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強、信號完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點。多種封裝形式可選，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封裝。

▲ 碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實物圖

CF110x系列持CoE，F(xiàn)oE，VoE等多種EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議，可廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的變流器控制、變槳距控制、偏航控制、制動剎車控制等場景，有利于簡化控制設(shè)備，減少控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。碼靈半導(dǎo)體CF110x系列提供完善的開發(fā)生態(tài)，客戶可快速上手，縮短開發(fā)周期，快速實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)上市。CF110x系列提供完備的應(yīng)用開發(fā)生態(tài)包括開發(fā)評估板與開發(fā)工具軟件等軟硬件開發(fā)工具，技術(shù)文檔資料齊全，包含產(chǎn)品簡介、數(shù)據(jù)手冊、用戶手冊、開發(fā)板設(shè)計源文件(含原理圖/PCB/BOM)、硬件設(shè)計指南、SDK、產(chǎn)品測試報告等。

▲CF1103A型號開發(fā)評估板

▲CF1103B型號開發(fā)評估板

▲CF1106A型號開發(fā)評估板

▲CF1106B型號開發(fā)評估板