基于S7-1200 的風力發電控制系統研究

李 鳴 徐錦州 李浩然 王淑芳

北京聯合大學機電學院

變槳距變速風力發電機組控制系統需要處理大量的邏輯關系和模擬量、數字量的采集。而且因為系統位于海上，無人現場值守。本項目完成變速變槳距風力發電機組的開機、自動運行及關機的控制，在自動運行的過程中，需要實現偏航、解纜、變槳及監測的控制功能。其安全運行性能為最高要求。其控制過程分為開機控制、自動運行、停機控制三部分。結果表明控制系統設計的有效性。

引言

日益加劇的全球氣候變化和不可再生資源的減少，迫切需要我們國家大力發展可再生能源，降低碳排放量，保護生態環境，緩解能源危機。而風力發電是重要的可再生能源之一，一般而言，海上風場季節變化比較明顯，冬季風向偏北風為主，風度變化劇烈，風速在1～30m/s 變化，平均風速為10～15m/s；夏季則以偏南風為主，風速穩定，在5～28m/s 之間變化，平均風速為10～14m/s。風力發電機要能夠正常發電，在4m/s 時可啟動風機等待，到風速為12m/s 時發電機轉速達1500rpm，可以并網發電。而當風速達到25m/s 時會對發電機組安全性造成威脅，應停機等待風速下降。風力發電控制系統是其中重要的組成部分，不僅保證風機的正常運行，而且要從風中捕獲盡可能多的能量轉化為電能，平穩地送入電網。

風力發電控制系統功能要求

本課題中所控制的風機位于海上風電場中，海面風力在6 級左右，平均風速12m/s，風向隨機變化，要求全自動控制和遠程監控。

全自動控制包括自動啟動、自動運行及自動停機，主程序需要根據各種工作狀態的特征進行判斷狀態的轉換。自動啟動要求檢測到風速大于啟動風速時可啟動風機，按照開機步驟實現風機全自動啟動，包括自動偏航和調槳距并網。自動運行要求設計控制策略使風機組在運行狀態、暫停狀態、停機狀態、緊急停機狀態之間進行切換，調節電磁轉矩和槳距保證功率維持在300KW 左右，發電機轉速維持在1550r/min。同時要求隨著風向改變自動進行偏航調節。自動停機要求風速超過25m/s 或偏航角超過1080°時自動報警，并按照停機步驟實現停機。

其中，自動偏航的主要功能是風力發電機組的風輪始終處于迎風狀態，充分利用風能，提高風力發電效率；另一方面提供必要的風輪保護，保證風力發電機組安全運行。它需要完成自動對風、解纜控制2 種功能。因此，需要設計啟動偏航迎風、運行偏航迎風、解纜等算法。

自動調槳距需要設計功率控制算法。根據發電機定子電壓、電流、功率、功率因數等參數進行功率判斷及槳距角控制。風機停止時槳距角在90°；風機啟動時調節槳距角到0°；當風機工作在額定功率狀態時，若功率超過額定功率則槳距角向迎風面積減小的方向轉動一個角度，即增大槳距角。反之亦然；停機時自動調節槳距角到90°。

自動電磁轉矩調節要求當風速低于額定風速時，通過控制發電機轉速實行最大風能追蹤，以獲得最大的能量。

遠程監控要求通過監測電力參數、風力參數、機組狀態參數以及各種反饋信號在出現異常狀況時進行停機操作，需要采集各種傳感器信號以及反饋信號并通過上位監控軟件顯示和判斷和報警，其中需要用到大量的模擬量采集。

風力發電控制系統總體控制如圖1 所示。

圖1 變槳距變速風力發電機系統結構圖

風力發電控制系統總體方案設計

經系統分析，風力發電機控制系統需要46 點數字量輸入，5 點數字量輸出，11 模擬量輸入，5 個模擬量輸出。部分輸入輸出分析表如表1 所示。

表1 部分輸入輸出分析

由于系統在海上無人值守，需要自動運行，穩定性要求較強，而PLC 設計緊湊、成本低廉且功能強大，是控制小型應用的完美解決方案，而風機控制系統的I/O 點數不多、功能要求高，且需要考慮經濟成本等因素，因此本方案選擇S7-1200PLC 作為控制系統核心，上位監控采用WINCC，編程軟件使用博圖軟件，通信方式采用以太網連接。

硬件選型和組態

由風力發電控制系統總體方案設計可知選擇S7-1200PLC 作為風機控制系統的控制器。進而從擴展模塊數量、性能及所使用電源等角度考慮，具體選擇CPU 1214C 作為控制器，其序列號為6ES7 214-1BG31-0XB0。

軟件設計

根據前期分析，將控制系統主要完成功能：自動啟動、自動運行及自動停機。按照項目要求可將其分解為自動啟動子模塊、自動運行子模塊、自動停止子模塊以及運行監測子模塊。主程序流程圖如圖3 所示。

圖2 部分地址位示意圖

圖3 主程序流程圖

其中，自動運行是重點內容，其包含運行狀態、暫停狀態、停機狀態、急停狀態以及狀態之間的轉換。而運行狀態中槳距調節和轉速調節是設計的難點。在進行槳距調節和轉速調節中，采用了宏觀調控與精準調節兩種形式相結合，宏觀調控實現將轉速與功率升高或降落至規定范圍內，主要途徑由實驗手段測試，例如：風速在18m/s 上下浮動的時候，槳距角為10°左右，電磁轉矩為1765，功率維持在310KW 左右，發電機轉速維持在1500r/min；而精準調節則使用PID 控制，在不同風速內使功率穩定在某一細小區間，在此調節P、I 參數即可滿足需求參數。

偏航控制是風力發電機組的重點，包括開機偏航和運行中風向改變偏航。當風向角與偏航角之差（用θ 表示）在允許值θ1 的范圍（-5°＜θ1＜5°）內，則不需要進行偏航控制；否則需要判斷是否進行偏航控制，如何執行偏航控制。由于偏航角可以是正負1800°度范圍內的值，風向角與偏航角之差存在超過半圈的情況，這種情況下，必須先將風向角與偏航角之差轉換成正負半圈之內的差值，然后判斷是否需要偏航，偏航時風輪到底往哪個方向轉才能消耗最小的能量。自動偏航控制流程圖如圖4 所示。

實驗結果及分析

圖4 自動偏航控制流程圖

圖5

圖6

為了更準確地觀察風機運行情況，保證在系統運行中風力發電機的穩定性，在系統運行時可打開上位監控畫面，觀察當前的發電機轉速趨勢、功率趨勢、風速趨勢、電磁轉矩趨勢、槳矩角趨勢。

由上圖5、6 可觀察到，經過調節，風速在18m/s、21m/s 上下浮動的時候，槳距角為10°左右，電磁轉矩為1765，功率維持在310KW 左右，發電機轉速維持在1500r/min.在不同風度的不同結果，通過調節，功率都維持在了310KW 左右，發電機轉速維持在1500r/min.，此處不一一展示。

總結

本項目提出了一種300KW 變槳距恒速風力發電機組的控制器設計方案，該設計方案適用于150-800KW的中型海上風力發電機組控制。控制方案充分考慮了中型風力發電機組的特性，在保證安全運行前提下，該控制方案采用S7-1200PLC 作為控制器，上位監控采用WINCC，重點設計了偏航、槳距和轉速控制，采用模糊控制和PID 穩態調節，最終實現了不同風速內功率穩定在300KW 左右。本項目提出的控制方案在海上中型風力發電機組推廣使用將會產生顯著的經濟和社會效益。