基于Matlab和西門子IP427的半實(shí)物風(fēng)電運(yùn)行控制仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)分析

邢作霞，肖澤亮，王雅光，劉志武

（沈陽工業(yè)大學(xué)新能源工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110023）

基于Matlab和西門子IP427的半實(shí)物風(fēng)電運(yùn)行控制仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)分析

邢作霞，肖澤亮，王雅光，劉志武

（沈陽工業(yè)大學(xué)新能源工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110023）

本文介紹了采用模擬仿真的方法，開發(fā)半實(shí)物風(fēng)電運(yùn)行控制仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用軟件模擬各種工況下風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況，通過人機(jī)交互界面HMI來監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)為教師和學(xué)生提供一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也方便專業(yè)人士研究風(fēng)電運(yùn)行控制技術(shù)。

風(fēng)電；主控系統(tǒng)；程序設(shè)計(jì)；半實(shí)物仿真

0 引言

隨著變速變槳風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)變得越來越容易實(shí)現(xiàn)，并且顯示出較好的應(yīng)用前景[1-3]。我國(guó)的變速恒頻控制策略主要集中體現(xiàn)在變流器的控制算法上，通過轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及變槳的方式對(duì)風(fēng)電機(jī)組的功率和載荷進(jìn)行整機(jī)綜合控制[4]，但機(jī)組控制技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還有較大差距。設(shè)計(jì)規(guī)劃一套風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)顯得極為重要，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用軟件模擬各種工況下風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況，通過人機(jī)交互界面HMI來監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況。需要測(cè)試的運(yùn)行控制系統(tǒng)（變槳距控制策略）、偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)為實(shí)物形式，液壓站和齒輪箱為狀態(tài)燈形式，通過信息的實(shí)時(shí)交互，可實(shí)現(xiàn)控制算法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的測(cè)試。

1 風(fēng)力發(fā)電主控實(shí)驗(yàn)臺(tái)開發(fā)

全面系統(tǒng)的模擬兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器的狀態(tài)及其控制主要包括[5]：偏航、變槳、液壓站、剎車、齒輪箱潤(rùn)滑、變槳軸承潤(rùn)滑、機(jī)艙溫度及熱交換、航空障礙燈及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、安全鏈等。采用軟件仿真模擬風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)及傳動(dòng)系統(tǒng)特性，并實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的變槳和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)臺(tái)外形如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

（1）通過偏航電路設(shè)計(jì)，可以編程實(shí)現(xiàn)偏航電機(jī)的啟停、互鎖及扭纜極限保護(hù)控制；

（2）通過脈沖計(jì)數(shù)，PLC編程實(shí)現(xiàn)偏航方向判斷及偏航角度計(jì)算；

（3）依據(jù)風(fēng)向模擬輸入信號(hào)，進(jìn)行PLC編程，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組偏航自動(dòng)對(duì)風(fēng)控制，觀察機(jī)組偏航角度變化情況；

（4）編程實(shí)現(xiàn)機(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)過程，液壓站松閘、抱閘剎車動(dòng)作，觀察機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程；

（5）編程實(shí)現(xiàn)齒輪油泵啟、停，根據(jù)油溫，進(jìn)行齒輪油冷卻風(fēng)扇、加熱溫度控制，觀察油溫變化情況；

（6）手動(dòng)模擬安全鏈故障，編程實(shí)現(xiàn)機(jī)組緊急停機(jī)，觀察機(jī)組實(shí)時(shí)狀態(tài)響應(yīng)；

（7）發(fā)電工況下，編程實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組變槳和轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩曲線控制，觀察機(jī)組的穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行情況，功率輸出實(shí)時(shí)變化情況。

2 主控制器及PLC硬件結(jié)構(gòu)的選擇

由于風(fēng)電機(jī)組對(duì)數(shù)據(jù)處理和CPU運(yùn)算速度要求比較高，子系統(tǒng)較多且要處理的任務(wù)復(fù)雜，因此主控制器選用西門子SIMATIC IPC 427C。風(fēng)電機(jī)組主控實(shí)驗(yàn)臺(tái)PLC整機(jī)結(jié)構(gòu)包括以下部分：

（1）以太網(wǎng)交換機(jī)采用的是6GK5005 0BA00－1AB2，5×10/100Mbit/s RJ45端口，LED診斷，24伏直流供電；

（2）遠(yuǎn)程IO站采用的是6ES7151 3AA23－0AB0，通訊接口為PROFINET，24V直流供電；

（3）電源模塊采用的是6ES7138 4CA01－0AA0，用于電子版模塊，24V直流供電；

（4）數(shù)字量輸入采用的是6ES7131 4BF00－0AA0，8位數(shù)字輸入，24V直流供電；

（5）數(shù)字量輸出采用的是6ES7132 4BF00－0AA0，8位數(shù)字輸出，24V直流供電；

（6）模擬量輸入采用的是6ES7134 4FB01－0AB0，8位模擬輸入，24V直流供電；

（7）模擬量輸出采用的是6ES7135 4FB01－0AB0，8位模擬輸出，24V直流供電；

（8）通訊模塊采用的是6ES7138 4DF01－0AB0，RS232、RS422、RS485串行接口，24V直流供電。

3 主控實(shí)驗(yàn)臺(tái)的軟件架構(gòu)

3.1 主控制器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組主控實(shí)驗(yàn)臺(tái)整機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2示。

（1）主控制器(IPC427C)：通過PLC及電路實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組各種狀態(tài)（啟動(dòng)、待機(jī)、停機(jī)、運(yùn)行、緊急停機(jī)等）的切換、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制過程、故障處理過程及發(fā)電運(yùn)行控制；

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)外形照片

圖2 主控實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件構(gòu)成

（2）人機(jī)交互界面（HMI）：HMI界面可實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)圖顯示，故障報(bào)警，數(shù)據(jù)歸檔等功能；

（3）遠(yuǎn)程IO站(IM151－3)：ET200S 作為遠(yuǎn)程IO子站，主要負(fù)責(zé)采集主控系統(tǒng)外圍設(shè)備的信號(hào)的采集。IO模塊的類型也滿足風(fēng)電機(jī)組常見傳感器類型，包括了DI、DO、AI、AO等功能。本主控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)整機(jī)通訊采用基于TCP/IP的PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，最高傳輸速率可達(dá)1000MBit/S，極其方便了系統(tǒng)的擴(kuò)展與調(diào)試。整機(jī)采用西門子最新的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)PROFINET作為控制網(wǎng)絡(luò)；

（4）編程電腦：可在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)學(xué)生編程和后臺(tái)模擬仿真功能，并且可在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能捕獲及機(jī)械傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真，與PLC編制的控制程序進(jìn)行信息交互。3D仿真系統(tǒng)主機(jī)：運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組的3D simulation模型，三維模擬變槳、偏航、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等過程；3D simulation風(fēng)電機(jī)組模型預(yù)留數(shù)據(jù)接口，可實(shí)現(xiàn)與西門子控制器進(jìn)行連接通訊。

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由參數(shù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)庫處理、故障處理、功率調(diào)節(jié)4個(gè)模塊組成。變槳距機(jī)構(gòu)通過改變?nèi)~片槳距角的大小，從而改變?nèi)~片氣動(dòng)特性，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善。發(fā)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，通過改變槳距角獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；風(fēng)速過高時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)以保持一定的輸出功率(額定功率)，同時(shí)減少對(duì)機(jī)組的沖擊；還可以實(shí)現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)[6]。變槳距控制與變速恒頻技術(shù)相結(jié)合，可以提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率和電能質(zhì)量。

（1）自動(dòng)偏航

該過程是以風(fēng)向傳感器輸出為基準(zhǔn)，當(dāng)風(fēng)向改變超過允許誤差范圍時(shí)，控制器發(fā)出自動(dòng)偏航指令；

（2）自動(dòng)解纜

當(dāng)某個(gè)方向達(dá)到10800 deg時(shí)，無論機(jī)組是否運(yùn)行，機(jī)組都將執(zhí)行自動(dòng)解纜；

（3）人工偏航

人工偏航是指在自動(dòng)偏航失敗、人工解纜或者是在需要維修時(shí)，通過人工指令來進(jìn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航措施。

4 人機(jī)交互界面與三維動(dòng)畫模擬

4.1 人機(jī)交互界面

SIMATIC WinCC Flexible 2008人機(jī)界面編程軟件可與西門子主控軟件STEP 7獨(dú)立編程，實(shí)時(shí)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)視及操作，實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的顯示、記錄、曲線、報(bào)警等功能。通過此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確保風(fēng)電機(jī)組模型穩(wěn)定運(yùn)行，在出現(xiàn)風(fēng)速超過切出風(fēng)速、溫度報(bào)警、并網(wǎng)故障等異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)執(zhí)行停機(jī)操作。

4.2 風(fēng)電機(jī)組三維動(dòng)畫實(shí)時(shí)反饋模擬

風(fēng)電機(jī)組的 3D simulation模型，如圖3所示[7]。三維模擬變槳、偏航、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等過程，可以更加直觀的觀察風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀況；3D simulation風(fēng)電機(jī)組模型預(yù)留數(shù)據(jù)接口，可實(shí)現(xiàn)與西門子控制器進(jìn)行連接通訊，將下載好的程序與3D simulation模型連接，驗(yàn)證所編寫的程序是否合理，減小了實(shí)際風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行所帶來的危險(xiǎn)。

5 基于FAST/MATLAB/GH Bladed的半實(shí)物仿真

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用FAST、MATLAB和GH Blade這3種仿真工具的聯(lián)合，使機(jī)械模型、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)具備完整性，還可以有效地實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的 3D simulation模型與西門子控制器進(jìn)行連接通訊，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)學(xué)生編程和后臺(tái)模擬仿真功能并與PLC編制的控制程序進(jìn)行信息交互。

在MATLAB/Similink環(huán)境下設(shè)計(jì)所需要的控制系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行建模與仿真，再通過端口控制器算法實(shí)現(xiàn)PLC環(huán)境下相對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)。然后將建立好的MATLAB/Similink環(huán)境下的控制系統(tǒng)仿真模塊(*.mdl)文件通過PLC中的嵌入式編碼器編碼生成兩種不同的目標(biāo)文件：通過工程集成在SIMATIC Tools環(huán)境下生成SCL Source目標(biāo)文件；通過實(shí)時(shí)集成在WinAC RTX環(huán)境下生成DLL File目標(biāo)文件。

圖3 風(fēng)電機(jī)組的3D simulation模型

圖4 PID控制模塊仿真圖

圖5 風(fēng)電機(jī)組輸出電磁轉(zhuǎn)矩曲線

圖6 風(fēng)電機(jī)組槳距角曲線

最后，通過在兩者不同環(huán)境下對(duì)同一PID控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行仿真，如圖4所示。比較兩者的運(yùn)行結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了建立MATLAB/Similink 環(huán)境和PLC/WinAC RTX環(huán)境下的通訊連接可行性。

GH Bladed主要應(yīng)用于以下目的：風(fēng)電機(jī)組初步設(shè)計(jì)；詳細(xì)設(shè)計(jì)和零部件技術(shù)要求；風(fēng)電機(jī)組驗(yàn)證。通過Bladed軟件仿真的機(jī)組性能曲線如圖5、圖6所示。

6 結(jié)論

本文提出了主控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行選型和配置，搭建風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)。詳細(xì)闡述了該主控實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件架構(gòu)，并給出主控制器的控制程序設(shè)計(jì)流程。采用SIMATIC WinCC Flexible 2008軟件設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控變槳實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。主控器與所編制的3D simulation風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行通訊，可以更加直觀的觀察風(fēng)電機(jī)組變槳、偏航、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀況。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)開放的編程環(huán)境可作為專業(yè)人士研究風(fēng)力發(fā)電主控技術(shù)使用，也可以作為本科生教學(xué)和研究生課題研究使用。

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Analysis of Simulation Platform Design of Semi-physical Wind Power Operation Control Based on Matlab and Siemens IP427

Xing Zuoxia, Xiao Zeliang, Wang Yaguang, Liu Zhiwu
(School of New Energy Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110023,China)

This paper introduces a simulation platform of semi-physical wind power operation control for the training target of new energy professional and technical personnel, which adopts the method of simulation. The platform uses software to simulate wind turbine operation in various conditions and monitors the running status of wind power generator through the man-machine interface HMI.This experimental platform provides a teaching experimental platform for the teachers and the students, and also facilitates the professional to research wind power operation control technology.

wind power; main control system; program design; semi-physical simulation

TM614

A

1674-9219（2014）04-0094-04

邢作霞（1976—），女，副教授，主要從事風(fēng)力發(fā)電教學(xué)及智能控制技術(shù)的研究。