TwinCAT PLC全功率風力發電機組試驗系統的研究

井延偉 張慶祝 張 磊

(國電聯合動力技術有限公司1，河北 保定 071051;河北工業大學控制科學與工程學院2，天津 300130)

0 引言

由于風力發電場大多在偏遠地區，氣候條件比較惡劣[1]，因此對風電機組的質量要求會比較高，這也是各個風電機組制造廠商關注的重點之一。風電機組的控制技術包括變槳、變流和并網等多個控制技術[2－5]，對這些環節進行質量檢測是十分必要的。

文章通過搭建以1.5 MW風電機組為基礎的試驗平臺，利用TwinCAT PLC軟件(除變槳距控制系統)對機組各個環節進行測試，檢驗風力發電機組是否達到出廠質量標準。本文提出的1.5 MW風電機組試驗系統達到了滿意的效果。

1 試驗平臺的搭建

1.1 試驗平臺的測試原理和組成

試驗平臺的主要設備有：一套拖動系統、一臺交流異步電動機、一臺交直交變頻器、一臺變壓器和一臺減速器。圖1所示為一套風力發電機組試驗平臺電氣傳動裝置。

圖1 試驗臺電路原理圖Fig.1 Principle of the circuit of test bench

圖1中：Pmech為齒輪箱從風輪葉片中轉化的機械功率;Ps為發電機的定子輸出功率，直接并入電網;Pr為轉子輸出功率，通過變頻器功率單元并入電網。定子和轉子的輸出功率相加，為風力發電機的實際輸出功率。

雙饋異步發電機的數學模型定子繞組的電壓方程為[6]：

三相轉子繞組電壓方程為：

式中：uk1、uk2為定子、轉子相電壓瞬時值;ik1、ik2為定子、轉子相電流瞬時值;ψk1、ψk2為定子、轉子各相繞組磁鏈;R1、R2為定子、轉子繞組等效電阻。其中，k=a、b、c。

網側變流器數學模型如式(3)所示[7]。

式中：Lg為網側濾波電感;Rg為網側濾波電阻;Sk為單極性二值邏輯開關函數(k=a、b、c);ek為逆變反電動勢(k=a、b、c);udc為直流母線電壓。

電機饋電方式為定子繞組接電網，轉子繞組由變頻器提供頻率、相位、幅值，實現恒頻輸出，還可以通過改變勵磁電流的幅值和相位實現發電機有功、無功功率的獨立調節。這種變速恒頻控制方案是在轉子電路中實現的。由于流過轉子電路的功率是由交流勵磁發電機的轉速運行范圍所決定，轉差功率僅為額定功率的一部分，所以變頻器的成本和控制難度大大降低[8]。

基于以上特點，發電機可以使風電機組在比較寬的風輪轉子轉速變化范圍內運轉，以獲取更多的電能。在高風速下，雙饋發電機和變槳距系統將風電機組的輸出功率保持在額定功率[9];在低風速條件下，通過控制雙饋發電機的轉速調節和獨立變槳系統的槳距角調節，實現風力發電機組的變速恒頻運行。兩者的控制策略相結合，可使風電機組的輸出功率達到最大。

在風電機組并入電網之后，調整原動機可以使發電機在任意速度下運行，并同時調節風電機組變頻器的轉矩給定和功率因數給定，實現任意發電量和功率因數的設置[10]。通過這種方式不僅可以模擬出風電機組在全功率和全工況運行的情形，而且還能夠對風力發電機組的全部技術參數進行試驗認證。需要說明的是，本方案采用了交流690 V公共電網接入方法，使變壓器的容量大大降低。這樣做的優點是減少了投資成本，并且對公共電網的諧波污染很低，同時能夠滿足IEC 61800-3的要求。

1.2 試驗平臺控制系統

1.5 MW風電機組主控系統采用DCS分布式控制系統設計理念。由塔筒柜和機艙柜組成的主控系統分別放置在塔筒底部和機艙中，每個部分都各司其職又相互通信，共同構成了風電機組指揮各個執行機構的大腦。將主控制器功能分解細化后分別規定其功能，有利于系統的高效、實時、穩定、可靠控制，同時也便于系統的調試和維護。風力發電控制系統的電氣原理如圖2所示。其中，INU為逆變單元，ISU為供電單元。

圖2 變槳雙饋風力發電機電氣原理圖Fig.2 Electrical principle of pitch doubly-fed wind turbine

風電機組的功能通過幾臺安裝在機艙內的微處理器構成的控制單元監控。風力機的基本制動方法是全順槳制動。高速軸的制動是在緊急狀態下系統啟動安裝在齒輪箱高速主軸上的緊急碟式制動器進行制動。在風力機全工況的過程中，調節控制系統可以使葉片轉動角度在0°～90°變化。偏航系統是由回轉支撐軸承、彈簧阻尼裝置和四臺電機驅動的齒輪傳動機構組成的，偏航控制系統根據安裝在機艙頂部的風向儀提供的風向信息控制偏航系統轉向。

1.3 試驗平臺測試軟件

試驗測試的軟件采用德國倍福電氣有限公司(BECKHOFF)推出的TwinCAT(the Windows control and automation technology)軟件。該軟件遵循IEC 61131-3標準，支持指令表(IL)、結構文本(ST)、梯形圖(LD)、功能塊圖(FBD)、順序流程圖(SFC)和連續功能塊圖(CFC)編程語言。

TwinCAT軟件可以運行在安裝有Windows NT/2000或Windows CE的工業PC上，能夠將I/O接口嵌入到實時過程控制器中。軟件還嵌入了IEC 61131-3軟件或者是工作于Window NT/2000操作系統平臺下的NC軟件。程序和運行系統可以在相同或者獨立的工業PC上運行，例如可視化程序或辦公軟件，都可通過 Microsoft的接口訪問TwinCAT數據或執行命令。其特點可以歸納為：功能強大、編程方便、系統開放和開發周期短，極大地提高了工作效率。

2 試驗平臺測試

2.1 試驗前期準備

由于試驗設備都是大功率器件，試驗開始前的安全檢查十分必要，這樣可以避免不必要的經濟損失和人員傷亡情況的發生。將設備電源切斷，檢查設備接線以及監控附屬設備安裝與接線。各供電電源根據試驗需要依次供電，各監控電腦開啟。

2.2 靜態單體設備檢測

如果塔底柜的柜體在每次試驗中都需要更換，則相應塔底柜內的PLC也應隨之更換，因為每臺塔底柜內PLC的NETID地址不一致。因此，試驗開始前都需要將塔底柜和中控室柜內PLC的配置文件和程序作一定的修改，以檢查和重新下載塔底柜PLC配置文件程序并檢測通信。確認PC已經與嵌入式PC形成網絡互連或直連后，打開TwinCAT軟件的system manager下載配置文件，打開TwinCAT PLC control源文件，點擊project下拉菜單中的rebuild all，點擊online下拉菜單中的login完成軟件下裝，再次檢查通信設備，確認無誤后進行試驗平臺測試。

2.3 試驗平臺測試

試驗開始前可以根據自己的需要將某些參數鎖定，有選擇地查看某些參數的變化，并設定為實時變化。鎖定參數的目的是無論切換到哪個界面，這些參數都是優先顯示的，如需要實時觀測變流器的狀態，可以進行相應的設置，在顯示窗口中就會實時顯示變流器的狀態。設備調試完成后即可逐個進行所需試驗。文章以發電機試驗為例，當發電機加速到1 100 r/min時，可進行同步試驗。同步試驗在中控室風電機組變流器監控電腦的ABB軟件Drive window中進行。同步試驗數據記錄器波形如圖3所示。其中，曲線1為定子磁通Ф實際值與定子磁通額定值的百分比;曲線2為定子磁通Ф轉換到XY坐標軸的假定值與定子磁通額定值的百分比;曲線3為轉子U相電流測量值與轉子側變流器額定電流的百分比;曲線4為轉子U相和W相電流測量值轉換成XY軸表示(計算的轉子電流假定值)與轉子側變流器額定電流的百分比。

圖3 變流器同步波形Fig.3 Synchronous waveform of the converter

當發電機轉速達到1 100 r/min之后，Drive window的控制權關閉，在同步正常的情況下，在組態軟件風電變流器畫面中按下“并網”按鈕，使變流器并網，觀察Drive window軟件監控電腦顯示的波形、機艙設備及傳動鏈的狀態。加載試驗在中控室操作員站的組態軟件中進行，試驗步驟如下。

① 加載操作，“轉矩給定”對話框中輸入0～80%的值，每次按10%逐步增加，當轉矩給定到額定值的50%時，在“無功給定”對話框中輸入5%的值繼續增加“轉矩給定”，給定值達到80%時，在“無功給定”對話框中輸入10%的值。加載到80%后運行時間約為30～60 min。

②減載操作，在風電變流器操作界面中，與加載相反，減載的步驟為“無功給定”的值輸入由10%改為5%輸入的“轉矩給定”值，從80%按10%遞減，當減到50%時，再將“無功給定”的值改為0，然后繼續將“轉矩給定”值減到0。

③風電變流器脫網，變流器脫網之后可以開始減速。在施行減速控制中要注意避免一次性將轉速降到0，防止電機轉速波動太大，造成發電機的損傷。減速過程應基本保持先按每次減速300～500 r/min，再按每次減速100 r/min，直到速度為0 r/min。

通過加載和減載試驗，可以模擬出風機的各種故障運行狀態。在試驗過程中，需要觀察Drive window軟件中實際轉矩值是否跟隨給定值變化，同時還需要監測波形波動及機艙設備和傳動鏈有無異常現象，即整機在各種故障狀態下風力發電機、變流器基本保護功能。在整個試驗過程中模擬全功率和全工況運行情形依據的標準為IEC 61400-12：1998《風力發電機組功率性能測試》、IEC 61400-1：1999《風力發電機組安全要求》、IEC 61400-21：2001《風力發電機組電品質特性測試與評估》。

試驗證明1.5 MW風電機組試驗平臺能夠滿足以上標準，并且對公共電網的諧波污染很低，同時滿足了IEC 61800-3的要求，達到了現行1.5 MW的風電機組進行滿功率出廠試驗的要求。

3 結束語

以1.5 MW風力發電機組并網型全功率試驗平臺為基礎，進行了并網試驗，達到了預期的效果。本方案同樣可以應用在2 MW或2.5 MW等風電機組開發試驗中。通過對風力發電機、齒輪箱、變流器、控制系統進行聯調試驗(除塔架、葉片、輪轂外)，完成對發電機組設計、制造、裝配質量的檢驗，同時在性能試驗中能夠考核整機安全和保護性能，及時發現問題解決問題，以保障被測機組達到出廠質量標準。

本試驗除檢測葉片外風力發電機整機性能外，還可以進行齒輪箱、控制系統的設計工作，對風力發電機組的設計和發展具有重要意義。

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