基于PLC的大型風電機組主控系統的設計

張 楠,潘德源

(山西大同大學 機電工程學院,山西 大同 037003)

隨著現代工業的快速發展，風能作為清潔且可再生的能源進入了人們的視野，經濟效益日益顯現[1]，可編程控制技術(PLC)也被廣泛應用到包括風力發電等多個領域。眾所周知，風力發電過程中存在風向改變的隨機性較大、風力大小不穩定等不確定性，通過PLC對發電機組進行啟動控制、偏航控制、溫度控制、變壓器控制，可實現對發電系統的控制[2]。

1 風電機組主控系統整體設計

主控系統是整個風力發電機組的核心部分，它控制著風電機組中每一個模塊的運行狀態，通常由多個檢測模塊，數據處理模塊，程序控制模塊和執行部件模塊組成[3]。

1.1 發電機啟動模塊

發電機啟動模塊是風電機組的“總開關”[4]。機組啟動后風速傳感器將對環境參數進行采集，然后把所采集的風速模擬值送至PLC，進行A/D轉換后做數據對比。若此參數不在設定范圍內，PLC報警，人工停機；如果此參數在設定的范圍內，發電機啟動模塊動作，系統開始運行。風力發電機組主控系統示意圖見圖1。

圖1 風力發電機組主控系統示意圖Fig.1 Wind turbine master control system

1.2 偏航控制模塊

偏航控制模塊要實現的功能是通過控制偏航電機使風輪平面與風向垂直，以達到風能的最大利用率。工作時通過檢測裝置采集外界風向參數，將此參數送至PLC并做A/D轉換后，PLC以此計算風向夾角，并與設定值進行比對，判斷是否需要調整葉片角度。如果需要調整，PLC會對偏航驅動裝置發出控制信號，偏航驅動裝置根據所接收到的信號要求改變角度，使風向夾角達到最佳[5]。在本次設計中機艙水平軸與風向夾角處于145°～215°范圍內的偏航控制，控制流程敘述如下：PLC首先發出偏航電機啟動信號，當偏航電機啟動后，發電機經制動停止。偏航電機共有兩個，一個驅動風輪向右偏航，另一個驅動風輪向左偏航。當風向與水平軸夾角介于145°～180°之間時，驅動風輪向右偏航的電機工作；當風向與水平軸夾角介于180°～215°之間時，驅動風輪向左偏航的電機工作。PLC通過控制偏航電機持續工作時間來達到驅動風輪修正角度的目的，通過計算旋轉角度對應所需時間能夠知道，當葉片偏轉10°通常需要30 s，這主要是由電機的工作頻率以及齒輪的齒數所決定的[6]。

1.3 溫度控制模塊

本設計中溫度控制采用閉環控制，溫度檢測裝置將機艙環境參數送至PLC，A/D轉換之后，與設定值進行比對。機艙內各部件的溫度受氣體壓力的波動影響，穩定性較差，使用閉環控制能夠最大程度抑制各種干擾因素的影響，使控制更加有效[7],機艙和塔架內部溫度閉環主控系統示意圖見圖2。

圖中sp(t)是給定值,pv(t)是溫度傳感器的反饋值,由此我們可以得到一個PID控制的關系,如公式(1)所示:

(1)

式中:Kp為比例系數,Ki=Kp·T/Ti,T為采樣周期,Kd=Kp·Td/T。

分解開來:

1)比例調節器

y(t)=Kp·e(t) .

式中:e(t)為當前的溫差,y(t)為當前輸出的控制信號。

2)積分調節器

式中:Ti為積分時間。

3)微分調節器

y(t)=Kd·d(e(t))/dt,Kd=Kp·Td.

式中:Td為微分時間。

為了能夠更好的對上述公式進行處理,就必須將連續的算式離散化為周期采樣偏差算式,如公式(2)所示:

y(k)=y(k-1)+(Kp+Ki+Kd)·e(k)-(Kp+

2Kd)·e(k-1)+Kd·e(k-2) .

(2)

式中:y(k)為當前輸出的控制信號;y(k-1)為前一次輸出的控制信號;e(k)為當前的溫差;e(k-1)為一次前的溫差;e(k-2)為二次前的溫差。

使用PID控制,關鍵在于確定PID控制參數。在生產現場中,PID參數基于工程經驗來進行反復測試,從0開始逐步增加微分常數,與此同時對比例系數和積分時間進行整定,經過反復的測試,最終確定比例系數為0.1,積分時間為3.0,實驗過程中,溫控系統出現了滯后性的特點,最終確定微分系數為0.0,采樣時間定為0.1 s。確定了PID控制參數后,即可用公式(1)中設置參數并計算,參數整定之后階躍響應見圖3。

圖3 溫控PID參數整定階躍響應圖Fig.3 Step response of parameter setting of temperature control PID

本系統機艙與塔架的環境相似，可采用相同的參數值，在機艙和塔架內設有兩個溫度控制單元，具體控制流程如圖4所示，啟動送風電動機，打開進氣閥，冷空氣開始對室內降溫，持續一段時間后關閉閘門。為了使控制室內溫度恒定，每隔一定時間進行排氣，按下停止按鈕后，關閉電機和排氣門。

圖4 溫度閉環控制流程圖Fig.4 Temperature closed-loop control flow chart

本溫控系統中設有兩個溫度測量輸入點，兩個冷卻電機工作測量輸入點，兩個排氣閥工作測量輸出點，一個模擬量輸入模塊EM231監測風速、風向、機艙和塔架內部溫度，而另一個模擬量輸出模EM232監測機艙和塔架內部進氣閥進氣狀態，進氣閥內設有三個控制按鈕，分別實現啟動、停止和急停，溫控系統如圖5所示。

圖5 溫控系統圖Fig.5 Temperature control system

1.4 變壓器控制模塊

變壓器控制模塊的作用就是要保證發電機的電壓為標準電壓。變壓器啟動之前須保證發電機正常運行;當變壓器要停止時,需要先停止發電機運轉,然后再按下變壓器停止按鈕。變壓器控制流程如圖6所示。

圖6 變壓器控制流程圖Fig.6 Transformer control flow chart

2 系統程序設計

風機主控系統主要流程如圖7所示。當發電機正常啟動后,首先是偏航自動控制,保證獲得最大風能利用;然后是針對機艙和塔架內部溫度進行PID控制,最后進行變壓器控制,圖8為偏航控制系統的順序控制流程圖。

圖7 系統流程框圖Fig.7 System flow chart

圖8 偏航控制系統的順序控制流程圖Fig.8 Sequence control flow chart for yaw control system

2.1 發電機啟動控制程序設計

發電機啟動程序中包括主控系統的總開關、所測環境風速的模擬值、與系統中預設風速值的比對、啟動偏航電機和顯示等幾部分,圖9為系統總啟動、模擬量轉換梯形圖。

發電機啟動程序中需要進行A/D轉換,轉換關系式如公式(3)所示:

A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0.

(3)

式中:A為模擬量值;D為數字量值;Am-A0表示模擬量標準電信號值,可以有儀表讀出;Dm-D0表示轉換后數值,這個數值大小與模擬量標準電信號呈線性對應關系,將公式(2)逆應用,可以得到需要的數字量。

圖9表示了風速模擬量轉換過程,得到風速數字量VD220,PLC拿得到的VD220數值與允許正常啟動風速數值進行比對,如果符合風速范圍,發出啟動指令,輸出點Q0.0輸出高電平,驅動發電機啟動;否則,輸出點Q0.5輸出高電平,發出報警指令。

圖9 系統總啟動、模擬量轉換梯形圖Fig.9 Ladder diagram of system startup and analog signal conversion

2.2 偏航主控系統程序設計

將此次設計偏航角度范圍分成7部分：145°～215°時分別對應繼電器M0.3—M1.1，如圖10所示，當風向與水平軸夾角處于145°～155°時，中間繼電器M0.3輸出高電平，Q0.2輸出高電平，計時器T37同時啟動，Q0.2輸出高電平后形成自鎖，向右偏航電機持續工作90 s，當計時器T37計時停止，時間繼電器斷開，Q0.2自鎖解除，停止輸出高電平，向右偏航電機工作結束，表示已驅動風輪對準風向(在誤差范圍內)。其他角度的控制與上述類似，不再贅述。當角度處于171°～189°時，表示風向與風輪所在平面近乎垂直，此時風向處于合理誤差范圍內，PLC接收相應信號后在中間繼電器M0.6輸出高電平，并在輸出點Q0.4輸出高電平，風向合適指示燈工作。當風向處于189°～215°時，工作程序與在145°～171°時相似，只是輸出點位驅動電機不同，此時工作電機為左偏航電機，限于篇幅，也不做贅述。

2.3 溫度控制程序設計

在此次主控系統設計中，總體來講，溫度控制設計相對最為復雜。針對機艙和塔架兩部分溫度控制，這里采取機艙溫控加以初步設計，圖11表示機艙溫度控制梯形圖。在機艙溫度控制程序中，機艙溫控啟動按鈕占用輸入點位I1.0，停止按鈕占用輸入點位I1.1，急停按鈕占用輸入點位I1.2，使用M2.0中間繼電器，M2.0使用置位復位指令，同樣實現自鎖功能，占用輸出點位Q1.0對冷卻機發出控制指令。當I1.0為高電平，中間繼電器M2.0置位，Q1.0閉合，機艙溫度主控系統啟動；當I1.1為高電平，中間繼電器M2.0復位；當發生突變情況時，按下急停按鈕，I1.2為高電平，Q1.0復位，同時停止所有輸出，冷卻機停止工作，機艙溫控系統停止。當檢測到的溫度大于設定值，則控制輸出模塊EM232輸出對應模擬量AQW0，使機艙進氣閥繼續進氣；當檢測到溫度小于等于預設值，則置I1.2為0，使機艙溫控系統停止。因塔架內部溫度控制方式與此相似，不再贅述。

圖10 偏航角度順序控制梯形圖Fig.10 Ladder diagram of yaw angle sequence control

2.4 變壓器控制程序設計

變壓器啟動模塊設計中，變壓器啟動之前要保證發電機啟動，防止損壞變壓器，所以變壓器控制程序中采用了常見的“起保停”設計，同時在設計中加入了變壓器自鎖功能，這種設計相對來說比較簡單。當發電機正常運行時，啟動語句中的常開觸頭閉合并自鎖，在停止語句中的常閉觸頭斷開，輸出高電平驅動變壓器啟動；需要停止變壓器時，按下停止按鈕，停止語句中的常開觸頭閉合并自鎖，在啟動語句中的常閉觸頭斷開，輸出高電平驅動變壓器停止。

圖11 機艙溫度控制程序圖Fig.11 Cabin temperature control diagram

3 結束語

通過應用PLC對風電機組主控系統進行優化調整，對發電機的啟停控制，不同風速時葉片的偏航控制、機艙和塔架的內部溫度控制以及變壓器電壓控制等環節進行程序設計，對機組葉片偏航角度范圍控制塔架、機艙的溫度控制著重分析，基于可編程控制器的控制系統，結構簡單，編程方便，抗干擾能力強，可靠性較高，維護方便，可以有效提高風能利用效率，對于提高風電機組的發電量，減小風電成本具有重要意義。