MW级风机独立安全链中基于FPGA的超速保护设计与实现.doc

MW级风机独立安全链中基于 FPGA的超速保护设计与实现 徐兴康 朱蕴 李新育 上海电气自动化设计研究所有限公司 摘要：采用FPGA设计并实现了MW级风机独立安全链中纯硬件的超速保护系统。该设计是基于Altera公司的 ACEX 1K芯片。该设计已成功应用于MW级风机主控系统中。 关键词：风机 FPGA 超速 FPGA Based Design and Implement of Overspeed Protection in MW Wind Turbine′s Independent Safety Chain Xu Xingkang Zhu Yun Li Xinyu Abstract：FPGA design and implementation of pure hardware speeding over protection system in Megawatt wind turbine’s independent safety chain. The design is based on Alteras ACEX 1K chip. The design has been successfully applied on Megawatt fan main control system. Keywords：wind turbine FPGA overspeed 1 引言 在当今能源和环境问题日益受到关注的情况下，利用风能进行发电日益受到人们的重视。随着科学技术的不断发展，风力发电技术尤其是风电控制技术在世界范围内得到了飞快的发展，风力发电逐步走上了功率大、重量轻、造价低、可靠性高的商业化发展道路。 我国地域辽阔、风力资源丰富，充分利用风能发电对解决我国日趋严重的能源问题和环境问题十分重要。近年来，我国风力发电已具备一定规模，到2001年底，已有27座稍具规模的风电场，风力发电总装机量达399.9 MW。 作为风力资源较为丰富的国家，利用风能发电已具备一定规模。但是，风力发电控制技术主要是引进国外技术。目前，国内已有许多单位开始着手自行开发和研究风电控制技术。公布的发明专利有一百多条。由于体制原因，理论算法研究优先于实际开发，纸上谈兵的较多，实际应用的较少，产业化的更少。 然而实际上，风能是一种低密度能源，具有不稳定性和随机性的特点。控制技术是风机安全高效运行的关键。在MW级风机控制运行中安全策略优先级要高于控制策略的优先级。因此独立可靠的安全链系统是每个MW级风机主控系统所必需的，而在独立安全链的每个环节中均采用最简单可靠的硬件来实现。 任何一台大功率风机的控制系统，首先考虑的风机的失效安全保护，这是风机控制系统设计的关键。有些安全环节因其本身是开关量信号比较容易实现纯硬件链路，但还有一些安全环节本身是需要精确的模拟量或数字量信号，难以用简单的纯硬件链路实现安全链控制。超速保护就是其中一个重要的安全环节。 上海电气自动化设计研究所有限公司研发的MW级大功率风机的控制系统中，独立安全链是完全自主研发的拥有自主知识产权的产品。本篇论文正是阐述了其中的一个重要安全环节超速保护的设计与实现 随着现场可编程门阵列技术（FPGA）的飞速发展，利用FPGA芯片实现精确的纯硬件超速保护已成为可能。本文正是应用ALTERA公司的ACEX 1K系列芯片的强大功能，来实现超速保护安全控制。 2 风机安全链的特点 风机的安全系统是失效-安全控制模式，由于独立安全链的存在，不会导致任何叶片向小的桨距角方向变距或导致风机的加速度旋转。风机的安全链是一个硬线电路，所有为触发紧急停机1或紧急停机2的触点都是串联的。安全环中的触点有： 1）紧急停机按钮1+2在机舱中； 2）紧急停机按钮3在塔底； 3）风轮超速保护开关； 4）振动开关； 5）变桨距系统的一个触点； 6）风机控制器的一个触点（触发此触点的错误被列在错误列表中）； 7）辅助触点，电路断流器/变频器； 8）解缆3圈（机械触发）。 如果安全链被打断，则一个自锁继电器被释放，此继电器可以被人工复位，也可以在电网故障后恢复时通过脉冲继电器复位。但风机安全链不能远程复位。 如果风轮超速保护开关的安全环节失效，则可能导致风机飞车，造成无可挽回的经济损失。而风轮速度是独立安全链系统中唯一需要精确测量的参数，为确保这个环节的可靠有效和必要的灵敏度，纯硬件的智能超速保护产品是非常重要的。由于不能使用依赖于软件运行的智能控制器，只有现场可编程阵列芯片（FPGA） 3 FPGA芯片的特点 FPGA近年来在国内发展得非常快,它以编程方便灵活、处理速度快、低功耗可靠性高等优点(FPGA)得到了广泛的应用。 ALTERA公司的ACEX 1K系列芯片EP1K30TC144-3具有强大功能，其处理数据的速度能