基于西門子PLC的風電機組主控冗余系統的概述與研究

韋永清

（西門子（中國）有限公司，上海 200082）

1 被控系統要求

1.1 風機主流程

1.2 偏航系統

根據風機狀態和風向進行機艙對風角度的調整，追蹤最大風能。同時，根據電纜纏繞進行扭纜保護和自動潤滑系統控制等。

1.3 變槳監控系統

根據主控算法進行變槳角度的調節命令發送和狀態監測，同時根據變槳反饋的狀態信息進行風機保護。

1.4 控制算法

基于轉速及轉矩進行控制策略實現，控制風機運行在穩定的主軸轉速下，同時盡量提高整機發電量。

1.5 變流器監控系統

根據主控算法進行變流器轉矩的調節，同時根據反饋的狀態信息進行變流器監控。

1.6 控制系統診斷

根據控制系統硬件及通信運行狀態進行控制系統診斷，診斷模塊運行狀態和通信狀態。

1.7 輔助系統監控

針對輔助系統進行監控，如液壓站、潤滑系統、配電系統以及風速風向儀等傳感器系統。

2 風機控制系統整體架構

風機控制系統主要由嵌入式控制器IPC427E、Software Controller軟PLC控制器、IO從站ET200SP、CANopen網關模塊、以太網交換機和Pro fi net網絡構成。IPC427E作為控制系統核心，運行風機控制系統程序，通過Pro fi net RT實時以太網連接IO從站。IO從站分布在塔底和機艙兩個部分。IO從站可配置不同類型的輸入輸出模塊，實現不同傳感器及執行器的接入。因為塔底和機艙之間距離較遠，所以通過以太網交換機實現光纖和以太網的交換，從而連接風機塔上和塔下兩部分。因為風電行業很多設備基于CANopen通信總線，因此通過配置西門子CANopen網關，實現與第三方智能設備之間的通信。同時，可以通過配置Pro fi bus網關，實現Pro fi bus總線連接其他設備。整體硬件結構如圖1所示。

在實施規模經營以后，合作社按照對每個地塊竹林按照社員入社登記的采伐做工，測算出每50 kg平均采伐做工成本，再將竹林采伐作業承包給安徽采伐隊，每50 kg竹材采伐成本低于測算平均采伐成本2元左右，集約經營降低了成本。合作社與孝豐拉絲廠簽訂長期竹材供應協議，平均每50 kg大毛竹高于市場價格1.5元左右，小毛竹銷售價格高于當地收購價5元/50 kg，正6寸、正7寸毛竹高于市場價格16元/50 kg銷售到德清縣三腳河市場，規模銷售增加了收益。

圖1 硬件結構

3 冗余系統介紹

3.1 控制器冗余

控制器包括2個IPC427E控制器。它們具有相同的軟硬件結構，同時運行相同的主控系統程序。其中，一個作為工作控制器，另一個作為備用控制器。當一個控制器被設置為工作狀態時，另一個控制器必須為備用狀態。工作狀態和備用狀態可以互相切換。

3.2 通信冗余

通信設備部分包括4個交換機：2個放置于風機塔底，連接塔底部分的Pro fi net設備和2個PC-Base控制器，2個交換機之間采用網線連接；2個光纖交換機放置于風機機艙，用于連接機艙內的Pro fi net設備，2個交換機之間采用網線連接。機艙交換機與塔底交換機之間采用光纖連接，構成通信冗余系統。當一條光纖回路故障或某個交換機故障時，機艙與塔底的通信仍可通過另一回路實現。交換機均為支持環網通信的交換機。

3.3 冗余系統的切換

工作控制器和備份控制器之間的數據同步通過通信完成。同步的數據包括過程映象輸入、字節寄存器以及風機運行的過程數據。工作控制器在每個運行周期（20 ms）內實時將主控系統程序的運行過程數據傳送給備用控制器，以保證備用控制器和工作控制器之間數據的一致性。當工作控制器發生故障時，備份控制器自動切換為工作控制器，從而實現對風機的控制。圖2為冗余系統數據切換原理。

圖2 冗余系統數據切換原理

4 控制系統軟件開發和V型設計模式

目前，大多數風力發電機生產廠家還處于傳統的制造業模式中，缺少數字化設計理念，產品的仿真環節與設計環節不統一。很多廠家缺少系統建模及仿真，或者系統的建模和仿真不能給后期的系統設計提供數據依據，不能構成閉環過程。此控制系統軟件架構的意義在于為風電OEM客戶提供一套完整的數字化主控系統開發的解決方案，加快客戶新機型的研發速度，降低樣機調試的故障率，節省樣機開發成本。

現階段，行業內很多企業已經開始從L型產品研發設計生產模型轉變為V型設計模式。V型設計模型最重要的兩個環節是軟件在環和硬件在環。這兩個環節可以大大縮短產品研發周期，增強產品出廠前的可靠性。對應到風電行業最重要的控制問題，是如何快速開發控制算法并應用于系統測試環節，同時完成控制策略在真實硬件環節中的測試。本套控制系統可根據客戶以往的開發模式進行V型設計轉變，通過硬件及軟件架構為軟件在環和硬件在環提供支撐。

V型設計模式涉及的各個環節的定義如下。

（1）系統定義階段.通過確定項目開發規范，完成軟件、硬件設計的開發文檔，明確控制系統要求，定義硬件功能和柜體結構等。

（2）設計、仿真階段。通過開發軟件對系統進行設計，設計完成后對控制系統進行建模，重點是對控制對象和控制邏輯進行設計開發，通過在設計階段的軟件建模幫助設計人員早期處理系統設計缺陷。

（3）快速原型階段，又稱為軟件在環。通過控制系統的PLC SIM Advance軟件，加載設計階段完成的軟件部分，將無法在軟件仿真階段驗證的算法等在此階段的硬件仿真平臺下進行執行和測試，同時配合軟件環境中的仿真傳感器和執行器等。此階段由研發工程師進行相關測試，可以幫助研發設計人員處理系統指標和誤差等問題。

（4）代碼生成和軟件測試階段。系統經過軟件在環測試后，整套控制系統的軟件開發平臺可以將所有的項目代碼進行發布操作，將程序下載到控制系統的真實CPU中，并對代碼執行情況進行完整的執行性情況測試和分析。此階段通常在客戶實驗室中進行。

（5）硬件在環階段。此階段系統需要連接所有的PLC硬件模塊、外部傳感器和IO。CPU通過一套完整的硬件在環仿真器，測試控制系統的軟件和硬件在各種工況下的運行情況，以檢驗其功能是否滿足設計需求。此階段通常在客戶實驗室中進行。

（6）系統標定和功能測試階段。上一階段測試后，再度完善系統的軟件、硬件結構功能，將修正和改善后的控制器連接在真實硬件上。此階段通常為風機的廠內調試，通過廠內測試進一步完善設計，出廠前整改發現的問題。

（7）現場測試階段。此階段完成風機的調試，并持續進行優化。根據現場將數據反饋給前端設計，為后續機型的設計和同類機型的優化積累寶貴數據基礎和經驗。

5 系統開發工具

開發好的風機模型和風機控制算法在Matlab Simulink中進行仿真，然后通過Simulink的Code Generator功能生成代碼，通過西門子工程環境TIA Portal的ODK組件進行代碼移植和導入，從而實現代碼的自動生成。其中，涉及到的開發工具有：（1）模型及控制算法搭建的Matlab-Simulink；（2）Matlab代碼的自動生成Code Generator；（3）PLC代碼的封裝，即ODK1500s & Target 1500s；（4）PLC代碼的高級語言設計，如Visual Studio、Eclipse；（5）PLC項目的設計，如TIA Portal。

6 主控程序框架

基于TIA Portal開發的風電庫，可滿足80%以上的風機設備控制要求。基于西門子提供的包含源代碼的風能庫，調用標準化的程序接口和變量管理，可以大大降低開發難度和工作量。OEM客戶可以在此基礎上根據特殊需求增加FB功能塊，結合WindLib，以滿足風機的全部控制要求。主控程序中集成文件操作、歸檔數據讀取和故障錄波等風機控制系統的專用功能，同時集成常見的電力系統通信規約，如IEC61400、IEC61850、OPC、Modbus、Profibus以 及 Profinet 232/485等，集成了基本的HMI操作界面。

7 控制算法

西門子提供的控制算法是基于ECN的控制策略，有別于傳統的控制算法。ECN控制算法除了關注轉速轉矩控制外，不僅輸出一種最大功率的結果，而是可以配置為降低風機的疲勞載荷、降低風機塔筒及主要部件的運行風險和降低停機時間等多個角度、多目標的控制算法。通過對算法參數調教，可以完成不同重點的控制指標。相比其他控制算法，ECN控制算法在以下環節具有突出特點。

7.1 Gain Scheduling

針對變槳系統的非線性特性，設計Gain Scheduling環節，根據葉片推力系數及槳葉角度的線性度，調節閉環過程中的PI控制參數，從而增加在不同風速情況下的響應速度，避免超速和轉速波動等情況。通過計算的比值進行線性度調節。

7.2 Power Curve

轉矩控制+功率限制是目前控制算法中比較常見的方法。轉矩控制經歷了最早的查表法，現在主流的是PI閉環控制。ECN算法在保留經典的控制方法之外，加入了“thrust”代表載荷的參數，在保持相對多發電量輸出的基礎上，限制載荷上限，降低風機運行疲勞，保證風機運行安全。本系統算法在充分對比不同運行曲線的情況下，選擇thrust、torque+power limited曲線輸出，主要特點是載荷尖峰被削平，發電功率較優。

7.3 LQR控制閉環

基于LQR（線性二次型調節器）原則搭建轉速控制閉環計算控制參數，從而實現最優化控制。

針對3P/6P/9P干擾設計LTI（線性非時變）濾波器。有別于普通濾波器，LTI濾波器可針對變基準頻率的變轉速場合，適合應用于風機的主軸轉速一直改變的控制。

8 軟件在環與硬件在環

8.1 軟件在環

軟件在環設計的意義在于快速仿真測試控制算法，避免在現場真正運行時發生嚴重錯誤而影響系統安全。風機的軟件在環需要搭建風機的模型和風機的運行算法，并在一個平臺中進行連接測試。西門子控制系統的控制算法軟件包不僅包含風機的運行算法，還包含風機的基本模型和風速模型，可在Simulink平臺中進行仿真模擬。同時，基于西門子的控制器可以將控制算法利用自動代碼生成的工具轉換到西門子的控制器中執行，并連接控制算法到Simulink平臺中的風機模型，從而實現軟件在環的測試。

8.2 硬件在環

對比軟件在環，硬件在環的意義在于連接真實的控制器和IO輸入輸出點，通過專業的風機仿真平臺Bladed或者自己搭建的Simulink平臺，進行實時通信或者以接線的方式連接控制器。在軟件在環的基礎上進一步延伸測試內容，可實現更準確、更可靠的控制算法。

通過軟件在環和硬件在環測試后的控制系統軟件和硬件，可以安裝到風機上進行穩定運行，最終通過收集風機運行的數據，與在環測試結果進行對比，進一步優化仿真測試的準確性以及通過優化參數進一步改善風機實際運行效果。