基于以太網的風力發電控制系統的研究

吉慶昌，張繼芳，劉暐

(河北水利電力學院，河北滄州061001)

基于以太網的風力發電控制系統的研究

吉慶昌，張繼芳，劉暐

(河北水利電力學院，河北滄州061001)

風能的能量密度低、波動性大、不能直接儲存等特點，使得風力發電的控制系統成為保證其在惡劣環境下也能安全可靠運行的關鍵。在分析風力發電控制系統基本工作原理的基礎上，設計了以PLC控制邏輯系統為主體的，以以太網為通信系統的風力發電控制系統，并進行了初步的可行性驗證。結果證明，該系統運行穩定、可靠性強。

風力發電；可編程邏輯控制器；數字信號處理；控制系統

風能是一種清潔、實用、經濟和環境友好的可再生能源，與其它可再生能源一樣，風能也是一種具有重要戰略地位的、可持續性強的能源形式，具有重大的應用潛力。

風能具有能量密度低、波動性大、不能儲存的特點[1]，而且大多數風力發電系統都是運行在自然環境較為惡劣且無人值守的條件下，這對于風力發電系統運行的可靠性和穩定性提出了更高的要求。

風力發電機組控制系統是風能利用的核心機構，是整個風力發電機組運行的“大腦”，一個良好的風力發電控制系統可以有效地保障整個機組的可靠運行。

1 系統結構

風能的利用是一個涉入多種學科的綜合應用體系，在這個體系中空氣動力學、氣象學、地理學、結構力學、機械與電氣工程、材料科學都占據著重要的地位，而一個完善的風力發電控制系統就更是這些學科的綜合體現。

風力發電控制系統的核心控制對象是風輪機，而風輪機一般都是工作在環境不可控的露天自然風場當中，環境因素復雜多變，整個系統的運行會受到風輪機尾流、塔影、垂直風速變化、偏航、葉片、槳距調節方式、運行方式(孤立還是并網)等多種因素的影響。這就造成了控制系統必須具有一定的復雜性，才可以達到可靠性和安全性的基本要求。

可編程邏輯控制器(PLC)采用一類可編程的存儲器對相應的機械或生產過程進行控制。其內部有豐富的存儲程序，可以有效地執行各種邏輯運行，實現各種結構的控制體系，并提供定時、計數與算術操作等功能[2]。所以選用PLC作為主控制器實現對風力發電機組的控制可以達到相應的控制要求。

風力發電機組控制系統的主要結構如圖1所示。主要有數據采集系統、DSP底層數據處理中心、通信系統、PLC系統、控制系統和上位機監控系統。

圖1 系統結構

數據采集系統完成風力發電系統各部分的數據采集工作，主要有風力機組的轉速、發電機的電壓、直流側電感的電壓和電流、網側的交流電壓、直流母線電壓等。這些數據傳送至DSP中進行計算。在本設計的實驗中，選用的DSP是TI公司的TMS320F2812，該芯片是32位定點數字訊號處理器，其主頻可達150 MHz，采用哈佛總線結構，具有統一的存儲模式，最大可以支持96個外部中斷，主要使用在嵌入式控制應用中，可以很好地完成風力控制器中所需要的采樣及控制等功能。DSP計算后的數據可為PLC控制提供相應的數據基礎。這些數據送入PLC后，依據PLC內設定的判斷條件進行系統控制，控制命令由PLC下達給DSP后，再轉發給控制系統，從而實現變槳距、偏航、并網等功能模塊的控制。

通信系統由工業以太網來擔當。工業以太網是繼集散控制系統和現場總線控制技術之后的一種應用性非常好的通信技術。它繼承了以太網的優點，同時又具備了工業控制的必要條件，具有便于安裝、傳輸速度較高、低能耗高兼容性的優點。因此，成為工業自動化控制方面的主要通信方式。在本設計中，以太網的使用下從底層的數據采集開始，上至監控中心的數據接收與發送，中間承擔數據采集模塊與數據處理PLC之間數據溝通，因此，通信系統的數據傳輸可以滿足系統數據傳輸準確、可靠性好的基本要求。

上位機監控系統是整個系統的顯示和控制中心，主要完成設備控制信息和生產數據的處理工作。這些數據經過程序的分析，生成各種形式的設備運行數據文件，可以顯示各生產區域的動態畫面及圖形，對相應區域的設備狀況、物流狀態進行實時監控和動態的模擬顯示，并且對于故障進行及時報警。

控制系統是實現系統控制的執行機構，由各種執行器，如繼電器、空氣開關、電磁開關等組成。在風力發電控制系統中，控制系統主要分為三個重要的部分，分別是變槳距系統、偏航系統和并網控制。

2 風力發電控制系統的基本工作原理

風力發電機組有4種工作狀態：運行狀態、待機狀態、停機狀態和緊急停機狀態。這四種狀態的運行過程由PLC進行控制。本研究選用A—B公司CompactLogix L35E型PLC作為機組控制過程的主控制器，并采用A—B公司的RSLOGIX5000進行控制程序的編寫，具體流程如圖2所示。

圖2 風機控制工作原理

在圖2中，可以看到，系統首先進行初始化，并對系統的參數進行檢查，主要是系統的硬件運行參數、電網運行參數等，查看各部分是否有運行異常，如果有，則報警，如果運行參數正常，則進行風向及風速的測試工作，并依據風向風速來決定具體的運行狀態。

當風向及風速在切入風速與切出風速之間時，系統進入運行狀態，偏航系統對風，變槳距系統根據風速調節槳距角，系統進入發電狀態，整流器、逆變器工作，并網接觸器投入使用，機組向電網饋送電；當風速低于切入風速時，整個系統由運行狀態進入待機狀態，風力發電機空轉，偏航系統對風，變槳距系統調節槳距角至15°，整流器停止工作，并網接觸器投入，逆變器工作；當逆變器母線電壓小于設定值時，逆變器停止工作，風力發電機空轉，槳距角調至90°，整流器不工作，并網接觸器斷開；當系統出現故障時，制動電阻投入使用，葉片順槳，整流器、逆變器不工作，并網接觸器斷開。

3 以太網通信設計

風力發電控制系統的通信采用兩種方式相結合，局部采用CAN現場總線結構，整體采用工業以太網的方式。在風機和關鍵設備處，利用CAN總線傳輸采集數據和控制命令，并提供CAN接口與工業以太環網相連。工業以太環網采用三層結構：設備層、控制層和信息層。設備層處于整個通信的最低層，利用核心網絡交換機來實現CAN總線與工業以太網的數據傳遞。同時交換機設定3個1 000 M工業以太環網接口和10個100 M工業以太環網接口。其中2個1 000 M以太網接口用于構建千兆以太網，另一個備用；10個100 M的接口用以接駁各種型號的傳感器及控制設備的局部CAN接口；第二層為控制層，是工業以太網的數據處理中心，由100 M以太網將數據傳送至DSP及PLC中進行現場數據的處理；最上一層為信息層，主要是利用TCP/IP協議，將從控制層傳來的信息傳送至上位機監控系統。如果在此過程中涉及遠程監控，則需要加入網關，將以太網中傳輸的數據利用因特網進行傳輸。

4 結論

本文提出了基于以太網的風力發電控制系統，采用的以太網是工業以太網，具有工作穩定性強、數據傳輸速率快的優點。整個系統采用分層結構，將DSP和PLC分布于以太網的控制層，使系統具有了良好的現場計算與控制能力，同時也有利于系統的擴展。

[1]孫春順.風力發電系統運行與控制方法研究[D].長沙：湖南大學，2008：36-39.

[2]金利祥，張德華.基于PLC的風力發電機組控制系統研究[J].機電工程，2012(2)：189-190.

Study on wind power control system based on Ethernet

JI Qing-chang,ZHANG Ji-fang,LIU Wei
(Hebei University of Water Resources and Electric Engineering,Cangzhou Hebei 061001,China)

The characteristics of low energy density,volatility,not directly storage makes the wind power control system become the key which guarantees the safe and reliable operation in the bad environment.Based on the analysis of the working principle of wind power control system,the wind power control system was designed with the PLC control logic system as the main body and Ethernet as communication system.The preliminary feasibility validation was carried on.The results prove that this system runs stably and reliably.

wind power;PLC;DSP;control system

TM 614

A

1002-087 X(2016)08-1711-02

2016-02-15

吉慶昌(1982—)，男，河北省人，碩士，講師，主要研究方向為自動控制技術、大學生就業。