EtherCAT科普系列（12）：EtherCAT技术在风力发电机组主控系统领域应用-电子发烧友网

风力发电的原理是利用风力带动风机叶片旋转，再通过增速装置提升转速驱动发电机发电，将风能转化为机械能源，然后再转变成电力。根据全球风能理事会(GWEC)发布的《2024 全球风能报告》，得益于技术进步和商业模式创新，全球风能行业快速发展。2023年全球新增风电装机容量117GW，同比增长50%。截至2023年底，全球风电累计总装机容量达到1021GW，同比增长13%。GWEC预计2024年全球新增装机量将达到131GW，未来5年CAGR 9.4%。我国具有较为丰富的风能资源，从全球风电市场份额看，我国已经成为世界最大的风电发展国，GWEC数据显示2023年中国新增风电装机容量已达到全球市场的65%。

▲风力发电工作原理示意图

风电机组单机容量的扩大化和系统的变速恒频运行是当前并网风力发电技术发展的两大发展趋势，而风电机组主控制系统是整个风力发电机组控制的核心，是风电机组保持最佳运行状态，安全可靠运行的有力保障。同时控制系统的设计也是风力发电技术的难点，且采用变流器并联运行方案来提高系统功率等级时，控制系统设计的复杂性更是大大增加。传统的控制器架构采用PLC作为主控，数字信号处理器 DSP作为从站，主站与从站之间通过CAN通讯或RS485通讯，传输速率较慢，可靠性较低，难以满足变流器并联系统运行时对数据传输实时性的要求。另外，传统风电变流器控制系统普遍采用微处理器DSP，单片机等完成主控任务，但随着变流器控制系统的复杂程度越来越高，微处理器的任务也越来越重，既要完成一些底层算法，又要实现与上位机的实时通讯，长期运行时可能会降低变流器控制系统的稳定性和可靠性。因此，在工业控制系统中广泛应用的以太网控制技术逐渐在风力发电机组控制系统中得到应用。由德国倍福(BECKHOFF)公司开发的实时工业以太网技术EtherCAT，基于标准以太网技术设计，具备灵活的网络拓扑结构，系统具有配置简单、有效数据率高、全双工数据交换、易于实现等特性。将其应用于风力发电机组控制系统中，就可以解决上述问题，同时还可以简化控制设备，减少控制系统的复杂性，提高控制系统的实时控制能力及操作的安全性。

基于EtherCAT技术的风电机组主控系统

风电机组主控系统的主要任务是采集当前的机组参数，根据风场风况和最佳风能捕获策略，对各子控制单元给出合理的操作指令，完成偏航、变桨距、变流和并网等操作。同时主控系统要建立良好的人机交互界面，能在控制面板上显示和查询风力发电机组的运行状态和参数、显示故障状态、设置风机运行参数等。除此之外，机组控制系统需具有与风电场中上位机进行远程通讯功能，以便中央控制室实时监测风场中各台机组的运行状态和运行数据，从而调整对机组的运行要求。风电机组主控系统主要包括机组主控制器、变流器控制单元、变桨距控制系统、偏航控制系统、液压系统、制动系统、用户界面、通讯接口等几个子控制系统。

▲基于EtherCAT的风电机组主控系统的主要构成单元

借助EtherCAT 技术为基础的风力发电机组控制系统，采用风能捕获的最佳算法，把机组内的所有参数采集好之后，再对不同的控制单元发出相应的操作指令。而在人机交互的界面内，能够将风力参数、运行状态、发电机组在运行期间出现故障的具体地点等内容提供给操作人员。不仅如此,对于此控制系统来说，还需要具备远程控制中央控制室计算机的功能，进而使得风力发电机组的运行情况、数据及其问题能够得到中央控制室实时的检测。带有MAC接口的PC机作为机组主控制系统的主站，通过编程对从站及其运行方式进行配置，运行风电机组监控软件，并周期性地通过以太网络发送带有从站控制器命令的数据帧，实现对变流器、桨距和偏航等系统的控制，从而实现风电机组的启停、变流、并网、数据采集和变桨距等控制要求。同时各从站控制器在控制周期内能将数据插入相应报文反馈到主站的 PC机。由于EtherCAT技术良好的网络性能和数据传输能力，使得系统能够有效及时地对机组状况进行实时监控，并能对风力突变情况下的机组桨距、变流装置进行实时控制，跟踪最大风能，提高系统的效率。

基于EtherCAT的风电机组从站的系统实现

EtherCAT技术的实现包括主站实现和从站实现。EtherCAT主站不需要专用的通讯器，只需使用带有以太网 MAC设备即可，如采用带有以MAC接口的普通工控 PC机。PC机除了带有与EtherCAT从站进行主从控制的以太网卡外，还应当具风力发电场中央监控系统通信的接口。风力发电机组控制系统中，从站包括变流器控制、变桨距控制、偏航控制、制动刹车控制等系统的控制器及与这些控制设备进行以太网连接的EtherCAT从站控制器，用来主站和从站之间的通讯及控制功能。

▲基于EtherCAT的风电机组从站的系统架构

EtherCAT从站控制器用于实现EtherCAT协议的实现以及数据帧的处理工作，是整个风电机组从站实现EtherCAT通信的核心。EtherCAT从站控制器有3种主要接口，通过 RJ45 与主站或者是其他从站相连，构成不同的拓扑结构，也是通过网线进行数据传输的硬件接口；通过EEPROM存储从站设备文件信息，主站从中读取从站信息，识别并设置从站；通过 PDI(物理数据接口)与微处理器进行数据交换。

▲典型EtherCAT风电机组子从站结构图

码灵半导体EtherCAT风电机组从站解决方案

码灵半导体推出的CF110x系列EtherCAT从站控制器芯片，为实现风电机组EtherCAT从站提供了一种经济高效且紧凑的解决方案。产品获得德国倍福公司（Beckhoff）官方正式授权，已通过ETG官方的一致性测试认证，符合EtherCAT通信协议标准。内置8个现场总线内存管理单元（FMMU）、8个同步管理器（SM），产品支持三个数据接口（PDI）-数字I/O，SPI和8/16 位uC接口，内置64位分布式时钟（DC），可实现EtherCAT从站的高精度同步（<< 1μs）。可选择性集成32位ARM Cortex-M3内核微控制器（MCU）或2个电流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干扰能力强、信号完整性高和稳定性好的优点。多种封装形式可选，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封装。

▲ 码灵半导体CF110x系列芯片结构框图

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图

CF110x系列持CoE，FoE，VoE等多种EtherCAT应用层协议，可广泛应用于风力发电机组控制系统的变流器控制、变桨距控制、偏航控制、制动刹车控制等场景，有利于简化控制设备，减少控制系统的复杂性，提高风力发电机组控制系统的稳定性和可靠性。码灵半导体CF110x系列提供完善的开发生态，客户可快速上手，缩短开发周期，快速实现产品开发上市。CF110x系列提供完备的应用开发生态包括开发评估板与开发工具软件等软硬件开发工具，技术文档资料齐全，包含产品简介、数据手册、用户手册、开发板设计源文件(含原理图/PCB/BOM)、硬件设计指南、SDK、产品测试报告等。