風力發電的原理是利用風力帶動風機葉片旋轉，再通過增速裝置提升轉速驅動發電機發電，將風能轉化為機械能源，然后再轉變成電力。根據全球風能理事會(GWEC)發布的《2024 全球風能報告》，得益于技術進步和商業模式創新，全球風能行業快速發展。2023年全球新增風電裝機容量117GW，同比增長50%。截至2023年底，全球風電累計總裝機容量達到1021GW，同比增長13%。GWEC預計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能資源，從全球風電市場份額看，我國已經成為世界最大的風電發展國，GWEC數據顯示2023年中國新增風電裝機容量已達到全球市場的65%。

▲風力發電工作原理示意圖

風電機組單機容量的擴大化和系統的變速恒頻運行是當前并網風力發電技術發展的兩大發展趨勢，而風電機組主控制系統是整個風力發電機組控制的核心，是風電機組保持最佳運行狀態，安全可靠運行的有力保障。同時控制系統的設計也是風力發電技術的難點，且采用變流器并聯運行方案來提高系統功率等級時，控制系統設計的復雜性更是大大增加。傳統的控制器架構采用PLC作為主控，數字信號處理器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系統運行時對數據傳輸實時性的要求。另外，傳統風電變流器控制系統普遍采用微處理器DSP，單片機等完成主控任務，但隨著變流器控制系統的復雜程度越來越高，微處理器的任務也越來越重，既要完成一些底層算法，又要實現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的穩定性和可靠性。因此，在工業控制系統中廣泛應用的以太網控制技術逐漸在風力發電機組控制系統中得到應用。由德國倍福(BECKHOFF)公司開發的實時工業以太網技術EtherCAT，基于標準以太網技術設計，具備靈活的網絡拓撲結構，系統具有配置簡單、有效數據率高、全雙工數據交換、易于實現等特性。將其應用于風力發電機組控制系統中，就可以解決上述問題，同時還可以簡化控制設備，減少控制系統的復雜性，提高控制系統的實時控制能力及操作的安全性。

基于EtherCAT技術的風電機組主控系統

風電機組主控系統的主要任務是采集當前的機組參數，根據風場風況和最佳風能捕獲策略，對各子控制單元給出合理的操作指令，完成偏航、變槳距、變流和并網等操作。同時主控系統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力發電機組的運行狀態和參數、顯示故障狀態、設置風機運行參數等。除此之外，機組控制系統需具有與風電場中上位機進行遠程通訊功能，以便中央控制室實時監測風場中各臺機組的運行狀態和運行數據，從而調整對機組的運行要求。風電機組主控系統主要包括機組主控制器、變流器控制單元、變槳距控制系統、偏航控制系統、液壓系統、制動系統、用戶界面、通訊接口等幾個子控制系統。

▲基于EtherCAT的風電機組主控系統的主要構成單元

借助EtherCAT 技術為基礎的風力發電機組控制系統，采用風能捕獲的最佳算法，把機組內的所有參數采集好之后，再對不同的控制單元發出相應的操作指令。而在人機交互的界面內，能夠將風力參數、運行狀態、發電機組在運行期間出現故障的具體地點等內容提供給操作人員。不僅如此,對于此控制系統來說，還需要具備遠程控制中央控制室計算機的功能，進而使得風力發電機組的運行情況、數據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的主站，通過編程對從站及其運行方式進行配置，運行風電機組監控軟件，并周期性地通過以太網絡發送帶有從站控制器命令的數據幀，實現對變流器、槳距和偏航等系統的控制，從而實現風電機組的啟停、變流、并網、數據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能將數據插入相應報文反饋到主站的 PC機。由于EtherCAT技術良好的網絡性能和數據傳輸能力，使得系統能夠有效及時地對機組狀況進行實時監控，并能對風力突變情況下的機組槳距、變流裝置進行實時控制，跟蹤最大風能，提高系統的效率。

基于EtherCAT的風電機組從站的系統實現

EtherCAT技術的實現包括主站實現和從站實現。EtherCAT主站不需要專用的通訊器，只需使用帶有以太網 MAC設備即可，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卡外，還應當具風力發電場中央監控系統通信的接口。風力發電機組控制系統中，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的控制器及與這些控制設備進行以太網連接的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的風電機組從站的系統架構

EtherCAT從站控制器用于實現EtherCAT協議的實現以及數據幀的處理工作，是整個風電機組從站實現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，構成不同的拓撲結構，也是通過網線進行數據傳輸的硬件接口；通過EEPROM存儲從站設備文件信息，主站從中讀取從站信息，識別并設置從站；通過 PDI(物理數據接口)與微處理器進行數據交換。

▲典型EtherCAT風電機組子從站結構圖

碼靈半導體EtherCAT風電機組從站解決方案

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

▲ 碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖

CF110x系列持CoE，FoE，VoE等多種EtherCAT應用層協議，可廣泛應用于風力發電機組控制系統的變流器控制、變槳距控制、偏航控制、制動剎車控制等場景，有利于簡化控制設備，減少控制系統的復雜性，提高風力發電機組控制系統的穩定性和可靠性。碼靈半導體CF110x系列提供完善的開發生態，客戶可快速上手，縮短開發周期，快速實現產品開發上市。CF110x系列提供完備的應用開發生態包括開發評估板與開發工具軟件等軟硬件開發工具，技術文檔資料齊全，包含產品簡介、數據手冊、用戶手冊、開發板設計源文件(含原理圖/PCB/BOM)、硬件設計指南、SDK、產品測試報告等。

▲CF1103A型號開發評估板

▲CF1103B型號開發評估板

▲CF1106A型號開發評估板

▲CF1106B型號開發評估板