基于PLC的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

劉朝杰， 李小孟， 陶學(xué)恒， 劉勇， 張書策

（1.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧大連116013；2.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧大連116034）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電行業(yè)高速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也不斷提高。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展過程中，控制技術(shù)始終起著主導(dǎo)作用，并且隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，其重要性更加突出［1］。最近幾年，進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型，其主要特點是在變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)上采用了轉(zhuǎn)速可以在大范圍變化的雙饋式異步發(fā)電機(jī)及相應(yīng)的電力電子技術(shù)，通過對最佳葉尖速比的跟蹤，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在所有的風(fēng)速下均可獲得最佳的功率輸出［2］。

本文基于雙饋式異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型，以西門子PLC為控制核心，結(jié)合組態(tài)上位機(jī)完成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

圖1 雙饋異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體結(jié)構(gòu)

雙饋式異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由葉輪、增速箱、雙饋異步發(fā)電機(jī)、變槳系統(tǒng)、偏航裝置、冷卻系統(tǒng)、并網(wǎng)電路以及控制系統(tǒng)等部分組成。葉輪是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部件，風(fēng)以一定的速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。葉輪通過增速齒輪箱帶動發(fā)電機(jī)。偏航裝置和變槳系統(tǒng)分別實現(xiàn)發(fā)電過程中的對風(fēng)和槳距角調(diào)節(jié)功能［3］。

2 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實現(xiàn)安全可靠運(yùn)行以及獲得高發(fā)電率的關(guān)鍵，實現(xiàn)如偏航、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸、制動系統(tǒng)和變流系統(tǒng)等各大部件在不同工況條件下的協(xié)調(diào)控制以及在故障情況下的報警和保護(hù)。

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，控制系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)、PC上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變距系統(tǒng)、并網(wǎng)控制器、變流系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集接口及其它功能執(zhí)行器。PLC作為控制系統(tǒng)的核心，與其它各部分聯(lián)系密切，共同來實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制任務(wù)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)較復(fù)雜，以西門子S7-1200PLC為控制核心，并采用上位機(jī)作為人機(jī)界面來實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測、命令及數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計等功能。整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)有13點數(shù)字量輸入、30點模擬量輸入，4點模擬量輸出和7點模擬量輸出。PLC選用S7-1200系列的CPU1214C模塊,該CPU模塊有14點數(shù)字量輸入、10點數(shù)字量輸出和2點模擬量輸入，因此還需要擴(kuò)展模擬量模塊。根據(jù)系統(tǒng)的模擬量點數(shù)，PLC外擴(kuò)4塊SM12318*AI模塊和1塊SM12324*AQ模塊。控制系統(tǒng)的PLC外部接線如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)PLC外部接線圖

上位機(jī)作為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和操作人員交換信息的設(shè)備，是不可或缺的。PLC和上位機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。上位機(jī)通過WinCC組態(tài)，因為WinCC中沒有S7-1200的驅(qū)動，所以兩者的連接只能用OPC的方式通訊，S7-1200作為Sever端，設(shè)置IP，上位機(jī)作為Client端，通過SIMTIC NET 建立 PC Station 來與 S7-1200 通訊［4］。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 基本控制策略

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點是：在額定風(fēng)速之下，在最大升力槳距角位置，調(diào)用發(fā)電機(jī)、葉輪轉(zhuǎn)速，保持最佳葉尖速比，達(dá)到最大風(fēng)能捕獲效率；在額定風(fēng)速之上，配合變槳機(jī)構(gòu)，最大恒功率輸出［5］。

在不同的風(fēng)速段、不同的工作條件下，采用不同的控制方法調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，可使機(jī)組工作曲線表現(xiàn)出預(yù)期的工作特性，在安全條件下獲得高發(fā)電率。圖4為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理想運(yùn)行狀態(tài)曲線圖。隨著風(fēng)速的變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在不同的區(qū)域，各有不同的控制任務(wù)、不同的控制方法。

圖4 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)曲線

圖4中OA段為風(fēng)機(jī)啟動階段，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行啟動并網(wǎng)控制，發(fā)電機(jī)無功率輸出；AB段為Cp恒定區(qū)，機(jī)組隨著風(fēng)速作變速運(yùn)行以追蹤最大風(fēng)能；BC段為轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，隨著風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速保持恒定，功率將增大；CD段為功率恒定區(qū)，隨著風(fēng)速增大，控制轉(zhuǎn)速迅速下降以保持恒定的功率輸出。其幾個運(yùn)行區(qū)域的Cp值變化情況如表1所示［6］。

表1 運(yùn)行過程的Cp值變化情況

4.1.1 啟動控制

房丙午 男，1974年生于安徽樅陽.現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生，副教授.主要研究方向軟件工程、軟件系統(tǒng)安全性分析.

風(fēng)機(jī)的全自動啟動是風(fēng)電機(jī)組發(fā)電能并網(wǎng)發(fā)電的前期保證。當(dāng)風(fēng)速大于額定切入風(fēng)速4 m/s時，風(fēng)電機(jī)組允許進(jìn)行啟動。測得風(fēng)速大于切入速度后，風(fēng)電機(jī)組首先進(jìn)行偏航控制，確保風(fēng)機(jī)正對風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)向角和偏航角之差不超過5°時，風(fēng)機(jī)將槳距從90°調(diào)整為0°附近，使槳葉迎風(fēng)。在變槳過程中，應(yīng)始終使槳葉的提升力大于0，從而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不斷變大，以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速附近。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在達(dá)到1000 r/min時考慮并網(wǎng)。

但需注意，在槳距角變化時應(yīng)依據(jù)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，如果槳距角變化過快，會導(dǎo)致槳葉受到的阻力>升力，則風(fēng)機(jī)無法正常啟動。在變槳過程中，應(yīng)始終使槳葉的提升力大于0。本系統(tǒng)采用的設(shè)計方法是：變槳系統(tǒng)先將槳距角快速轉(zhuǎn)到30°，當(dāng)轉(zhuǎn)速從0轉(zhuǎn)到500 r/min時，再將槳距角給定值線性地減小到0°。這樣轉(zhuǎn)子不僅具有高啟動力矩，還能在風(fēng)速快速增大時實現(xiàn)快速啟動。

4.1.2 轉(zhuǎn)速控制

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后運(yùn)行在額定風(fēng)速以下時，通過轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，來追蹤最佳CP曲線。由風(fēng)力機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型知：

當(dāng)風(fēng)輪運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速時，

式中，TR為葉輪轉(zhuǎn)矩，PS為風(fēng)力機(jī)的有功功率，Ωopt為風(fēng)輪最佳轉(zhuǎn)速。

另外，風(fēng)力機(jī)的有功功率還滿足

式中：ρ為空氣密度；v為風(fēng)速，且 v=ωr/λ；S 為氣流掃掠面積；CP為風(fēng)能利用系數(shù)。

由上兩式及 ωopt=N·Ωopt，T=TR/N，得

式中，T 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，R 為葉輪半徑，CP（MAX）為最優(yōu)功率系數(shù)，S為最優(yōu)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，CP為最優(yōu)的葉尖速比，N為齒輪箱變速比，k為最優(yōu)模態(tài)增益。

由式（3）知，為使風(fēng)機(jī)沿最佳效率曲線運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)距應(yīng)按照轉(zhuǎn)速的二次方來進(jìn)行設(shè)置［7］。

在追尋最大功率曲線時，本系統(tǒng)采用的方法是：事先根據(jù)葉片特性等計算出最優(yōu)的葉尖速比λopt和最優(yōu)功率系數(shù)CP（MAX），將它們作為固定值設(shè)置在控制器中，于是由測量到的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速即可得知獲得最大功率下的理想發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制采用PI基本控制方式。

4.1.3 槳距控制

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距控制主要包括兩部分：一是風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動時，使風(fēng)機(jī)的槳距角從90°調(diào)到0°；二是在風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過主動變槳來保持額定功率，即使風(fēng)速再大，發(fā)電機(jī)的有功功率也能保持恒定。

當(dāng)功率大于額定功率時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就會主動變槳控制，即通過葉片和輪轂之間的軸承轉(zhuǎn)動葉片來減小迎角，由此減小翼型的升力，從而達(dá)到減小作用在風(fēng)輪葉片上的扭矩和功率的目的。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳葉槳距角是根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的反饋信號來控制的。主動變槳控制也采用PI控制，但其PI控制器的KP是隨槳距角β變化的，其形式為

式中，Ti為積分時間常數(shù)；增益G為槳距角β的非線性函數(shù)。在控制實行時，采用查表法。

4.2 控制系統(tǒng)的P L C程序設(shè)計

PLC 的程序設(shè)計采用TIA Portal V11編程軟件，通過以太網(wǎng)接口向PLC中下載程序。程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計方式，除主程序塊OB1外，還有用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、偏航控制、解纜等功能的多塊FC、FB功能塊。轉(zhuǎn)速控制和槳距控制均采用PID控制方式，因此程序還設(shè)有定時循環(huán)中斷OB。系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示。

5 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

圖5 PLC工作控制程序流程圖

上位機(jī)利用SIMATIC WinCC軟件進(jìn)行組態(tài)，其監(jiān)控界面如圖6所示。通過上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，操作人員不僅可以監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)力參數(shù)、電力參數(shù)、并網(wǎng)狀態(tài)等，還可以向PLC傳輸控制命令，如啟動、緊急停車、解纜等命令。另外，通過組態(tài)上位機(jī)還可以實時記錄系統(tǒng)的發(fā)電量等數(shù)據(jù)，供操作人員查詢［8］。

圖6 上位機(jī)監(jiān)測界面

6 結(jié)語

本文在對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理和控制機(jī)理進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于PLC和上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)運(yùn)用合理的轉(zhuǎn)速控制、槳距控制策略以及PID控制等控制算法，實現(xiàn)了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，且發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率高。此控制系統(tǒng)的設(shè)計對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制技術(shù)的研究具有一定的參考意義。

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