基于西门子S7-300 PLC的风电机组专用变桨距控制系统设计.pdf

P L C 与D O S PL C an d DCS 自动化技 术与应用2 01 1年第 3 0卷第 7期 基于西门子 S 7 3 0 0 P L C的风 电机组 专用变桨距控制系统设计 李爱英， 张鹏 连云港杰瑞电子有限公司 ， 江苏 连云港 2 2 2 0 0 6 摘要 本文介绍 r 种皋于西门于s 7 3 0 0 P I C的风电机组々用变桨距控制系统。详细介绍了系统的硬件设 和软件模块架构， 存 上位机调试环境上进行了控制精度和低电压穿越功能测试 ， 并 整机试验平台上完成了联机凋试。 实验结果表明， 该控制系统 性能稳定， 功能可靠， 控制精度高， 满足风电机 在不 风速 F始终保持最佳转换效率、输出功率维持最大或恒定的要求。 关键词 P L C； 风电机组； 变浆距控制； 控制系统 中图分类号 TM5 7 1 ． 6 1 史献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 1 0 7 0 0 4 5 0 4 Th e De s i g n o f V a r i a b l e Pi t c h Co n t r o l S y s t e m Sp e c i a l f o r W i n d T u r b i n e B a s e d o n Si e me n s e S7 ． 3 0 0 P L C LI Ai - y i ng ， ZHANG Pe ng J ARI L i a n y u n g a n g E l e c t r o n i c s CO． ， L T D． ， L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 6 C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a v a r i a b l e p i t c h c o n t r o l s y s t e m s p e c i a l f o r wi n d t u r b i n e ba s e d o n Si e m e n s S 7 3 0 0 P LC．Th e h a r d wa r e d e s i g n a n d t h e s o f t wa r e fla me a r e d e s c r i b e d i n d e t a i l s ． T h e c o n t r o l p r e c i s i o n a n d t h e f u n c t i o n o f L VR T L o w Vo l t a ge Ri d e Th r o u g ha r e t e s t e d a n d t h e n a t e s t t o t he , wh ol e wi n d s y s t e m i n t h e e x p e r i me n t a l e n v i r o n me nt ． Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h ow t ha t t h e c o n t r o l s y s t e m r u n s s t e a d i l y wi t h h i g h p r e c i s i o n c on t r o l a n d i t c a n me e t t h e h i g h p e r f o r ma n c e o f t h e wi n d t u r b i n e t o ma i n t a i n a o p t i mu m c o n v e r s i o n a n d ou t p u t a ma x i mu m o r a s t e a d y p o we r wh e n t h e wi n d s p e e d c h a n g e s ． Ke y wo r ds P LC； wi n d t u r b i n e ， v a r i a b l e p i t c h c o n t r o l ； c o n t r o l s y s t e m 1 引言 随着能源的持续紧张， 风能作为一种清洁能源 ， 是 具有最大规模开发利用前景的可再生能源。风 电机组 主要有两种类型 ， 一类是定桨距失速调节型 ， 另一类是 变桨距调节型。随着风 电技术的不断发展与成熟 ， 变 桨距风力发 电机 的优越性愈加突出 既能提高风力机 运行的可靠性 ， 又能保证高的风能利用系数和不断优 化的输 出功率 曲线【 1 I 2 ] 。采用变桨距机构的风力机不 但可使叶轮重量减轻 ， 整机的受力状况大为改善 ， 而且 使风电机组在不 同风速下始终保持最佳转换效率 ， 输 出功率维持最大或恒定 ， 从而提高系统性能 。因此随 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 2 4 着风电机组功率等级的增加 ， 采用变桨距技术 已是大 势所趋l 3 l 。 在变桨距控制系统 中， 需要具有高可靠性的控制 器 ， 本文采用西门子公司的 7 -3 0 0系列可编程控制器 作为系统控制器 ， 介绍 了系统硬件组成及程序模块块架 构，并在上位机调试环境和整机试验平台上进行了测 试。测试结果表明， 该控制系统性能稳定， 能满足风电 机组在不 同风速下始终保持最佳转换效率 、输 出功率 维持最大或恒定的要求。 2 系统硬 件设计 2 ． 1 系统要求 自 动 化 技术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第7 期 P L C 与D C S PL C a n d DCS 变桨距风力发电机组构成如图 1 所示。当风速大于 额定风速时 ， 变桨距控制系统动作 ， 即通过调节桨距角 来改变风能利用系数， 使得发 电机输出功率基本上等于 额定功率。当风速大于切出风速时 ， 变桨距控制系统动 作使风力机桨叶顺桨 ， 保护风力机不受到损坏以增加风 机的使用寿命。 图 1 变桨距风 电机组控制系统构成图 2 。 2 系统硬件组成 变桨距控制系统一般包括变桨距伺服电机、 电机 驱动器、PLC控制器、不间断电源 UPS 、减速箱 、 位置和速度传感器 、后备电源等[ 4 1 。本文所设计 的变 桨距控制系统硬件组成结构如 图 2所示。图中只画出 了一个桨 叶的变桨距伺服系统 ， 其它两个桨叶与此完 全相 同。 l r f i 孬 i 再 第 一 个 檠 叶 拄 捌 l I L l 第一 十浆叶控制 图 2 变桨距控制系统硬件框图 机舱内的风机主控制器到轮毂的电源、通信、控制 等信号均通过滑环进行连接。主控制器根据风速、发电 机转速和电功率等通过通信发出桨距角参数命令 ， 经接 口模块后送至P L C控制器 ， 并通过变桨电机实现对叶片 桨距角的调整 ； 同时 P LC 控制器还将轮毂内系统运行 的情况反馈给风机主控制器。 控制信号是主控制器直接到变桨系统的硬线控制 信号 ， 主要包括手动变桨信号、安全链信号等。安全链 是独立于软件系统建立在硬件连接基础上的安全控制 信号链路 ， 在系统发生故障的情况下能保证桨叶运行到 安全停机位置。 机舱 内的 3 8 0 V电源经滑环连接到 UP S和电源管 理模块上 ，实现变桨距系统 内部的电源分配与监控 。 UP S把 3 8 0 V交流 电转换为 2 4 V直流 电， 作为桨距控制 器的电源和驱动器的控制电源 ， 同时对电池充电控制提 供 电源。 2 ． 3 P L C 硬件配置 该系统选用具有多种功能的模块化可编程控制器 S I E ME NS 7 - 3 0 0 ， 选用 C P U 3 1 5 、C P 3 4 0通讯模块构 成变桨距系统内部通讯网络 ， 实现对系统温度 、驱动器 工作状态的监控 ， 选用数字量输入模块实现系统内部各 回路工作状态、系统工作状态、驱动器工作状态 、电机 工作状态 、充电故障、系统 电源状态等数字量的监控 ； 选用数字量输出模块实现系统内部充电功能、电机加 热、电机吹风、油泵驱动、手动变桨、低电压穿越等功 能控制 ； 选用模拟量输入模块实现对电机温度 、轮毂温 度、系统内部温度、电池电压等变量的监控 ； 选用模拟 量输出模块实现对电机速度命令的控制 ； 选用位置输入 模块实现对编码器位置量的检测。 3 软 件设计 变桨距控 制 系统的软件设 计主要 是基于西 门子 S I MAT I C 7 - 3 0 0 系列 P L C进行编程 ， 软件设计开发平 台为用于对西门子S I MA TI C P L C进行组态和编程的软 件包 S T E P 7 。 7 - 3 0 0 C P U 中的程序由两部分组成， 即系统程序 和用户程序。系统程序固化在 C P U模块的 E P R O M 中， 完成系统运行、维护和监控功能。用户程序是用户 自己 编写的完成特定 自动化任务的程序【 。在本系统 中用户 程序 由启动程序 、主程序和各种 中断响应程序等不 同 的程序模块构成。主要包括 1 启动模块 初始化程序模块 ， 完成初始化状态检查。 2 主模块 循环执行的程序块， 是用户程序的主干。调用 F B完 成故障管理、1 O处理 、系统保障等功能。 P L C 与D C S PL C a n d DCS 3 循环 中断模块 定时中断执行的程序块 ， 调用 F B完成速度计算、位 置控制及通讯处理等功能。 4 通讯中断响应模块 通讯中断按照通讯协议处理通讯数据 ， 完成与上位 机 的 通讯 。 5 错误处理模块 对来 自硬件和软件的异常和报警信号进行分级别 处理， 包括指示 、报警 、存储、停机 、复位等。 6 位置控制模块 控制变桨角度 ， 输人为上位机角度命令 ， 处理位置 环计算， 输出为速度命令。 7 I O处理模块 采集传感器和通讯信号 ， 输入程序功能和功能块进 行处理 ， 输出并刷新 I O映像区等处理。 8 系统保障模块 完成温度 、电压 、角度、速度等信号的判断 ， 给出 相应处理方案。 9 故障管理模块 系统使能、禁止及故障逻辑处理 ， 包括系统的故障 指示、存储等。 程序块的调用层次如图 3所示。 l I l 崩 葫 踺l 毒 棰 块 黼 巾 掌 i蜜 穗 1 ． 竺 竺竺 l 【 二 I 崮 卤 ● } 通 汛 址 壤 { ． ．．． ．。 ．_- J 图 3 程序模块调用层次 4 系统测试 4 ． 1 变桨精度测试 本系统的上位机调试界面如图 4所示。系统启动进 入自动变桨状态后， 从调试界面叶片变桨目 标角度框内 依次输入 0 、5 、l 0 、l 5 、2 0 、2 5 、3 0 ， 记录主编码器和 冗余编码器的角度值。测试结果见表 1 。 自动化技术与应 用2 01 1年第 3 0卷第 7期 图 4 上位机调试界面 表 1 变桨精度测试记录 角度指令 主编码 器 。 冗 余编码 嚣 。 。 1 2 3 1 2 3 O 一 0 ． 0 7 - o ． 04 0 ． 0 5 0 ．1 9 0 ． 1 9 0 ． 0 2 5 4 ．9 5 4 ．9 8 4 ． 9 5 5 ．1 9 4 ． 8 3 4 ．9 5 1 0 9 ． 9 7 9 ．9 5 9． 9 5 1 0。 2 9． 7 8 9 ． 9 2 1 5 1 4 ． 9 6 1 4 ． 9 6 1 4 ． 9 4 1 5 ． 1 7 1 4． 79 1 4 ． 8 8 2 0 1 9 ． 9 5 1 9 ． 9 8 1 9 ． 9 4 2 0 ． 1 6 1 9． 78 1 9 ． 8 7 2 5 2 4． 9 4 2 4 ． 9 8 24 ． 9 6 2 5 ． 1 4 2 4 ． 7 8 2 4． 85 3 0 2 9． 9 4 2 9 ． 9 8 29 ． 9 5 3 0 ． 1 4 2 9 ． 7 6 2 9． 82 分析表格数据可知 ， 本系统的控制精度高 ， 完全能 满足设计要求。 4 ． 2 低电压穿越功能测试 当电源电压低于额定电压的 9 0 ％时， 触发低 电压穿 越 功 能 。 在本系统中， 通过人为断开交流电源并在 3 S内恢 复， 来模拟出现低电 压现象。测量驱动器母线电压和电 机转速 ， 得到如上波形图5。 分析图 5 ， 发生低 电压 前母 线电压为 5 2 5 V， 低 电 压穿 越期 间 由后备 电源供 电 ， 本系统 中后备 电源为 3 0 0 V 电池组供 电 ， 待 系统 电源恢复正常 时 ， 母 线 电 自 动化 技 术 与应 用 2 0 l 1 年 第3 O 卷 第7 期 P L O 与D C S PL C a n d DCS 压 也恢复正 常。在整个阶段 内， 电机转速 没有突变 ， 基本维持在 6 0 0 r p m 附近 ， 图中的 、一号代表 了电 机 转 向。 琏度 哪 电日 E m 哪r御 r 姗 鲫I - I 僻壤 { l { l f 电栅 誊 建 l l 图 5 I 2 3 4 ， 低电压穿越测试 曲线 时卿I l 4 ． 3 在整机试验平台上的测试 本 文所 设计 的变桨距控 制系统 在整机 试验平 台 上进 行测试 ， 在 两种不 同风速 下的 测试 曲线如下 图 6所 示 。 麓 ＼ _ 、 ． 哺W I 一 一 ‘ ． } ； ． ． a 平均风速 8 m ／ s b 平均风速 2 5 m／ s 图 6 不同风速时的系统运行 曲线 系统设定额定风速为 1 2 m／ s ， 当实际风速低于额定 风速时， 为使叶片获取最大风能， 提高风能利用系数 ， 叶 片桨距角为 0 ， 见图 a 中曲线 3 ； 当风速大于额定风速时 ， 为使风机输出功率稳定 ， 系统调节叶片桨距角的大小 ， 使其变化趋势与风速相同， 见图 b 中曲线 3与实际风速 曲线 1 基本保持一致。分析图 b 还可得到， 在实际风速 超过额定风速时， 发电机转速稳定 ， 输出转矩恒定， 满足 机组设计要求 。 5 结束语 本文介绍了一种基于西门子 7 -3 0 0 P L C的风电机 组专用变桨距控制系统 ， 在介绍系统硬件和软件设计的 基础上 ， 给出了该系统在上位机调试环境和整机试验平 台上的测试结果。 试验和 测试结果证 明本 文所设计 的变桨距控 制 系统工作可 靠 ， 性 能稳定 ， 控 制精度 高 ； 能保 证实 际 风速在超过 额定风速 时整机 系统发 电机的输 出转 矩 处于 稳定状态 ； 安全链 和后备 电源的设计 使系统 在 断电或发生故 障的情 况下保 证叶片能转到安 全停机 位置 ， 而且在 发生低 电压 穿越时 ， 系统能平 稳运行 ， 并恢复 正常工 作 。 目前 ， 该系统 已在某 风场进行 并 网运 行测试 。 参考文献 [ 1 】叶杭冶． 风力发电机组的控制技术【 M】 ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 2 ． [ 2 ] H0 RI U C HI N， KAWAHI TO T． T o r q u e a n d p o we r l i mi t a t i o ns o f v a r i a b l e s p e e d wi nd t ur b i n e s us i ng p i t c h c o n t r o l a n d g e n e r a t o r p o we r c o n t r o l【 C】 ． P o we r E n g i - ne e r i ng S o c i e t y Su mme r Me e t i ng， 2 0 0 1． I EEE， 2 0 01 ， l 6 3 8 - 6 4 3． [ 3 】李建林， 张雷 ， 鄂春 良． 基于欧姆龙P LC的风电机组变 桨距系统【 J ] ． 国内外机 电一体化技术， 2 0 1 0 ， 3 4 8 -5 1 ． [ 4 ]4 刑作霞， 郑琼林， 姚兴佳等． 基于B P 神经网络的P D变桨 距风电机组控制[ J ] ． 沈阳工业大学学报， 2 0 0 6， 2 8 6 6 8 1 - 6 8 6 ． 【 5 】 S i e me n s ． S I MATI C S T E P 7 V5 ． 3 使用人i q [ z 】 ． 2 0 0 4 ． 作者简介 李爱英 1 9 8 1 一 ， 女， 工程师， 从事风力发电方面 的研 究工作 。 蛳 枷 耋 l 瑚 m 。 。 ． 。 ． ． 。 ． 。 。 ． 。 。 。 。 L [ 鲫 枷 埘 o i 荸 。 枷 狮 榭 一 一 一 珊 枷 枷 舢