BECKHOFF可編程自動控制器PAC在風電變流器中的應用

摘要：本文著重論述了德國BECKHOFF新一代嵌入是PC的新特點，以及在九洲PowerWinVert-A型風電變流器中的應用。
關鍵字：嵌入式系統 可編程自動控制器 現場總線 變流器

Abstract:Some new charactteristic of a new generation embedded PC of Germany Beckhoff was introduced ,application in jiuzhou PowerWinVert-A windpower converter
Key words: Embedded operating system ,PAC ,Fieldbus ,Converter

1.引言

　　在建立控制系統時， 系統集成商毫無例外地總是希望能使用比較少的設備來實現更多的功能。他們需要控制系統不僅能處理數字I/O和運動，而且還可以集成用于自動化監控和測試的視覺功能和模塊化儀器。此外，控制系統還必須能實時地處理控制算法和分析任務并把數據傳送回企業。您是否能同時擁有PC的功能和PLC（可編程控制器）的可靠性嗎？

倍福公司設計可編程自動控制器（PAC）,就是這樣一個的平臺,他是一種新類型的控制器，該控制器結合了PC的處理器、RAM和軟件的優勢，以及PLC固有的可靠性、堅固性和分布特性. 正逐漸占領自動化領域。

基于以上特點,在我們設計的PowerWinVert-A風電變流器中選擇了倍福的PAC做為信號采集，控制與遠程通訊的平臺。

　　九洲公司的PowerWinVert-A型風電變流器采用了獨特的輸入切分技術、優化的PWM多重化疊加技術、可靠的無焊接IGBT技術、高效的橋式逆變技術、先進的光纖傳送技術、完善的過流過壓保護技術、連續波形變換技術以及遠程通訊控制技術等，匯集了國際同類產品優點，是完全按照中國國情及風電機組、電網輸配電等要求而開發的新一代風電變換產品。

2. PAC硬件簡介
2.1系統構成

一個完整的PAC系統包括以下幾種模塊組成（但不是每種都必須有）：
基本CPU模塊。
系統接口模塊。
電源和IO接口模塊。
現場總線模塊。
數字量和模擬量采集模塊，
UPS模塊。

2.2CPU模塊

存儲器選配:64 M字節閃存+128 M字節 RAM 。
DVI/USB 選配:選帶或不帶 DVI/USB 接口模塊 。
操作系統選配:Windows CE.NET。
Windows XP 嵌入式 （要求 CF 卡） 。
TwinCAT 實時PLC選配:
不帶 TwinCAT。
TwinCAT CE PLC或TwinCAT PLC （取決于操作系統）。
TwinCAT CE NC或TwinCAT NC （取決于操作系統）。

2.3接口模塊

顯示器和觸摸屏接口:
DVI:視頻信號通過標準的 DVI 連接 到顯示器上。USB:可連接觸摸屏或鼠標,鍵盤, 掃描儀,打印機, CD-ROM 讀寫器
高速度232接口：最大傳輸速率115K
音頻信號接口：主要提供音頻輸入輸出接口。
視頻信號接口：主要提供視頻輸入輸出接口。

3．九洲PowerWinVert-A型風電變流器主電路工作原理

　　我們選用的是不可控整流+升壓斬波+SPWM逆變的電路結構

3.1主電路結構說明

　　發電機使用的是永磁同步發電機，采用六相不可控整流橋對其進行12脈沖整流，在輸出端并上電容進行穩壓，減小直流脈動。考慮到電流波形畸變和發電機內感的存在，在發電機輸出端并上無功補償電容，提高發電機的功率因數和利用效率。在中間直流環節，采用升壓斬波電路。在逆變環節，采用兩個SPWM逆變橋通過濾波電抗并聯的形式，以減小每個IGBT通過的電流大小，還能在一定的控制方法配合下防止連個逆變器輸出電流不等從而防止環流問題出現。另外，為了防止直流母線電壓過高損壞器件，加入了直流母線鉗位電路；為了電路開始運行對電容充電電流過大，加入了電容的預充電支路，同時該支路還保證發電機沒工作時的直流母線側上也有電壓，能對電網進行無功率補償。

3.2工作原理

　　隨著風速的變化，風輪的轉速也在變化，因此發電機發出的交流電的電壓和頻率是不斷變化的，該變壓變頻的交流點經過AC-DC變換后變為了幅度不斷變化的直流電，然后經過升壓斬波穩壓后轉化為電壓幅值穩定而電流大小隨風速度不斷變化的直流電，再經過SPWM逆變器，變成了與電網相位頻率相同，輸出電壓隨風速不斷變化且略高于電網電壓的三相交流電，最后經過濾波電抗器并網，輸出電壓高與電網部分降在濾波電抗器上，從而完成了直驅并網型風力發電機變流電路將變頻變壓交流電轉化為能并網的交流電的任務。

4倍福PAC在變流器中的應用

　　整個系統可以實現對變流器運行的全方位監控，其中以太網門接口用于連接風場集中控制站，交換機2可以實現與其他變流器的信息互聯。觸摸屏用于本地變流器狀態信息的查看和設置，主控器通過Prifibus總線與變流器PLC，機艙PLC，低壓PLC的連接，具體負責現場各點的模擬量與數字量的采集和控制。

作為現場總線的主站，負責系統的整體控制，主要由以下幾部分組成
CX1020-0111：CPU模塊，帶以太網接口和USB/DVI 接口。
CX1020-0002：電源模塊。
CX1500-M310:現場總線主站

　　作為現場總線的從站，負責變流器功率控制電路模擬量和開關量的采集和控制，主要有以部分組成：
BK3150：現場總線耦合器。
KL9210：電源模塊。
KL1104：數字量輸入模塊。
KL2134:數字量輸出模塊。
KL6904：數字量輸出模塊，安全端子。
KL1904：數字量輸入模塊，安全端子。
KL3404：模擬量輸入模塊。
KL4032：模擬量輸出模塊。
KL9010：總線末端模塊。

　　作為現場總線的從站，負責變流器低壓電器部分（空氣開關，斷路器等）模擬量和開關量的采集和控制，在數字量與模擬量模塊的數量上與變流器PLC有所區別。

5.小結

　　BACKHOFF PAC系統已經在本公司研發的PowerWinVert-A型風電變流器中成功應用，并取得了良好的效果。隨著自動化技術的發展，倍福的PAC一定會得到更加廣泛的應用。

參考文獻
[1]陽憲惠，現場總線及其應用，清華大學出版社， 1996，6
[2]Beckhoff New Automation Technology 2006