基于PLC的变速恒频风力发电机控制系统设计.pdf

圃围四匣团哩 仿囊 ， 毽罐 I C AD I CA MI C A E I CA P P 基于P L C 的变 速恒频风力 发电 机控制系统设计 刘朝杰 ‘ ， 李小孟 。 陶学恒 z ． 刘勇 ， 张书策 2 1 ． 大连华锐重工集 团股份有 限公司 ， 辽宁 大连 1 1 6 0 1 3 ； 2 ． 大连工业大学 机械工程与 自动化学院 ， 辽 宁 大连 1 1 6 0 3 4 Co n t r o l S y s t e m De s i g n o f VSCF W i n d Tu r b i n e Ba s e d o n PLC L I U C h a o j i e 。 L I X i a o me n g ， T A O X u e h e n g 2 ， L I U Y o n g 2 。 Z HA N G S h u c e 1 ． D a l i ii h H u a mi He a w I n d u s t r y G r o u p C o ． ， L t d ． ， D a l i a n 1 1 6 0 1 3 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n， Da l i a n P o l y t e c h nic Un i v e r s i t y， Da l i a n 1 1 6 0 3 4， Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e d o u b l y f e d a s y n c h r o n o u s V S C F wi n d t u r b i n e． t h e t a s i b l e c o n t r o l s t r a t e g i e s a b o u t t h e s t a r t u p p r o c e s s ， s p e e d c o n t r o l ， p i t c h c o n t r o l a n d o t h e r p a r t s a r e a n a l y z e d ． An d a c o n t r o l s y s l e m b a s e d o n P L C i S d e s i g n e d ． T h e S i e me n s S 7 1 21 4 C P L C a n d PC a r e t a k e n a s t h e c o r e h a r d wa r e e q u i p r a e n t o f t h e c o n t r o l S V S I e l l 1 ． By u s i n g r e a s o n a b l e s o f t w a r e d e s i g n ，t h e c o n t r o l t a r g e t t h a t i n c l u d e s a u t o ma t i c s t a r t u p， t r a c k i n g t h e o p t i ma l p o w e r‘ - O l W e． c o n s t a n t p o w e r o u t p u t a t u l t r a h i g h wi n d c o n d i t i o n S ， a r e a c h i e v e d ． T h e wi n d t u r b i n e r u n s s a f e l y a n 1 s t e a d i l y ，a n {ll a s h i g h p o we r g e ne r a t i o n e ffici e nc y ． Ke y wo r d s v a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t fr e q u e n c y；w i n d p o w e r g e n e r a t i o n ；P L C 0引 言 风力发 电行业高速发展 ， 风力发 电技术也不断提高 。 在风力发电技术 的发展过程中， 控制技术始终起着主导作 用， 并且随着风力发电技术的发展， 其重要性更加突出I 1 ] 。 最近几年 ，进入风力发电领域的变速恒频风力发电机组 已成为风力发电的主流机型 ，其主要特点是在变桨距风 力发 电机组 的基础 E 采用了转速可以在大范围变化的双 馈式异步发电机及相应的电力电子技 术，通过对最佳 叶 尖速比的跟踪 ，使得风 力发电机组在所有的风速下均可 获得最佳的功率输 出1 2 。 。 本文基于双馈式异步变速恒频风力发 电机机型 ， 以 西门子 P L C为控制核心 ，结合组态上位机完成了风力发 电机的控制 系统设计。 l 风力发电机的总体结构 2 1 0 l机械工 程师 2 0 1 4 年第1 2 期 双馈式异步变速恒频风 力发电机主要 由叶轮 、增速 箱 、 双馈异步发 电机 、 变桨系统 、 偏航装置 、 冷却 系统 、 并 网电路 以及控制系统等部分组成。叶轮是吸收风能并将 其转换成机械能的部件 ，风 以一定 的速度和攻角作用在 桨叶上 ， 使桨叶产生旋转力矩而转 动， 将风能转换成机械 能。 叶轮通过增速齿轮箱带动发电机 。 偏航装置 和变桨系 统分别实现发电过程中的对风和桨距角调节功能 。 。 2 控制系统组成 控制系统是风力发电机组实现 安全可靠运行以及获 得高发电率 的关键 ， 实现如偏航 、 齿轮箱 、 发 电机 、 轴 、 制动系统和变流 系统等各大部件在不同T况条件下的协 调控制 以及在故障情况下的报警和保护。 控制系统 的结 构框 图如 图 2所示 ，控 制系统包括 P L C系统 、 P C上位机监测系统 、 偏航 系统 、 变距 系统 、 并 网控制器 、 变流系统 、 数据采集接 口及其它功能执行 器 图 2 控制 系统结构框图 一 一 翌 一 一 百 一 二 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m P L C作为控制系统的核心 ， 与其它各部分联系密切 ， 共同 来实现风力发电机的控制任务。 3 控制系统硬件设计 变速恒频风力发电机组的控制系统较复杂 ，以西门 子 s 7 一 l 2 0 0 P L C为控制核心，并采用上位机作 为人机界 面来 实现 系统监测 、 命令及数据输入 、 数据报表统计等功 能 。整个风 力发电机组控制 系统有 l 3 点数字量输入 、 3 0 仿一 ， 建壤 I CA D I C A MI C AE I C A P P 圃固四厦团哩 点模拟量输入 ， 4点模拟量输出和 7 点模拟量输 出。P L C 选用 s 7 一 l 2 0 0系列的 C P U1 2 1 4 C模块， 该 C P U模块有 l 4 点数字量输入 、 1 0 点数字量输 出和 2 点模拟量输入 ， 因此 还需要扩展模拟量模块。 根据系统的模拟量点数 ， P L C外 扩 4 块 S M1 2 3 1 8 * A I 模块和 1 块 S M1 2 3 2 4 * A Q模块 。 控 制系统的 P L C外部接线如图 3 所示 。 卜 位机作为风机系统 和操作 人员交换信息 的设备 ， ． ]f 朴舯 忡 柑 l l l l l f I l l I l l I I I j I f f l I I I I I I J I J l J I J I J I }占 0it f0-4, l0L* a 若 因 l 。 j llo 【瑚。 。 0 l } o 。 。 。 0 0 。 I } o o l l I Ii m 甜 - lI n l I I }。 Ⅺ ∞ 1． Il。 。 。 。 。 。 lI J II。 cⅪ 。 c-。 。 lll I l l0 ∞ 。 。 。 。 1 0 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口口 口 口 口 口 口 ． ‘ t I ■ 一 叠 _ _,to t ● -o L _ 一 o L j 督 ‘ 墨 ■ H 口 口 口 口 口 口 口 口口 口 口 口 口 口 W ● n一 ‘ Ⅱ ’ 0 n ● q - l 柚 l 口 ． ‘ ． ‘ ． 铸附 ． ‘ ． ‘ ． l 。． ‘． ‘ ． l ． ‘ ． ’ ． ’ 册 I 田 田- l I。 c ，o c x c 。 lII I f Io 。 c ∞ 。 。 ll l l。 C o c ∞。 lII f Io 。 叫 }o cx 。 c ，。 。 I 访 西 西 画 西 西 西 I IIIc D 。 。 。 。 o I ，。 叫 ∞。 。 。 I 枢∞ I t I l I l I I 1 ． u 。 I-- l 罡 } 蚪 剑 图 3 控制系统 P LC外部接线 图 是不 可或缺的。 P I C和 l 位机通过以太网进行通讯。 上位 机通过 Wi n C C组 态 ，因为 Wi n C C中没有 S 7 1 2 0 0的驱 动 ， 所 以两者的连接只能用 O P C的疗式通讯 ， S 7 一 l 2 0 0 作 为 S e v e r 端 ， 设置 I P ， L 位机作 为 C l i e n t 端 ， 通过 S I M T I C NE T建 P C S t a t i o n来 与S 7 1 2 0 0通讯⋯。 4 控制系统软件设计 4 ． ， 基本控制 策略 变速恒频风力发 电机组的主要特点是 在额定风速 之下 ， 最大升力桨距角位置 ， 调用发电机 、 叶轮转速 ， 保 持最佳叶尖速 比， 达到最大风能捕获效率； 在额定风速之 ，配合变桨机构 。 最大恒功率输m 。 在不同的风速段 、 不同的_T作条件下 ， 采用不 同的控 制方法调整机组的运行状态 ，可使机组1 二 作曲线表现出 预期的T作特性 ， 在安全条件下获得高发电率。 图 4为变 速恒频风力发电机的理想运行状态曲线 图。随着风速的 变化 ， 风力发电机组运行在不 同的区域 ， 各有不同的控制 任 务、 小同的控制疗法 图 4中 O A段 为风 机启 动阶段 ，对发电机 进行 启动 并 网控 制 ， 发 电机 无功率输 I叶 I ； A 段 为 C 恒定区 ，机组 随着 风速 作变速运行以追踪 表 1 运行过程的 值变化情 况 最大风能； B C段 为转速恒定 区， 随着风速增大 ， 转速保持 恒定 。 功率将增 大 ； C D段为功率恒定区 ， 随着风速增大 ． 控制转速迅速下降以保持恒 定的功率输出。其几个运行 区域的 C ． ， 值变化情况如表 1所示 。 4 ． 1 ． 1 启动控制 风机的全 自动启动是风 电机组发电能并网发电的前 期保证。当风速大于额定切 入风速 4 r r d s 时， 风电机组 允 许进行启动。 测得风速大于切 入速度后 ， 风 电机组首先进 行偏航控制 ， 确保风机正对风向。 当风向角和偏航角之差 不超过 5 。 时 ， 风机将桨距从 9 0 。 调整为 0 。 附近， 使桨叶迎 风。在变 桨过程 中， 应始终使桨叶的提升力大于 0 ， 从而 使风轮转速不断变大 ， 以达到额定转速附近。 发 电机转速 在达到 l 0 0 0 r ／ ra i n 时考虑并网。 但需注意 ，在桨距角变化时应依据风速和转速进行 控制 ． 如果桨距角 变化过快 ， 会 导致桨 叶受到 的阻力 升 力 ， 则风机无法正常肩 动。在变浆过程中， 应始终使桨⋯‘ 的提升力大于 0 。本 系统采用的设 ‘ 方法是 变桨系统先 将桨距角快速转到 3 0 。 ， 当转速从 0 转到 5 0 0 r ／ m i n 时 ， 再 将 桨距角给定值线性地减小到 0 。 。这样转子不仅具有高 启动力矩 ， 还能在风速快速增大时实现快速启动。 4 ． 1 ． 2 转速控制 当风力发电机组 并网后运行在额定风速 以下时 ， 通 机械工程师 2 0 1 4 年第 1 2 期 ；21 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 团固四固团皤 仿一 ， 建壤 I CA D I CA MI C A E I CA P P 过转矩控制实现对发电机转速的调节 ， 来追踪最佳 C 曲 线 。由风 力机组的能量转换系统模型知 当风轮运行在最佳转速时， T I 。 1 式 中， 7 1 R 为叶轮转矩， 为风力机的有功功率 ， 为风轮 最佳转速。 另外 ， 风力机的有功功率还满 足 0 ． 5 p S C P 。 2 式中 p为空气密度 ； 为风速 ， 且 v d A ； S为气流扫掠面 积 ； C 为风能利用系数。 由上两式及 I Ⅳ ， ， Ⅳ， 得 r， _ 品 ． k3 ． ∞ 品 。 3 ‘ 1 l ， 3～ 。 P ～ 0 p ⋯ ， ‘ nn l』 ’ 式中 ， 7 1 为发电机转矩 ， R为叶轮半径 ， C M A x 为最优功率 系数 ， S为最优发 电机转速 ， C 为最优 的叶尖速 比， Ⅳ为 齿轮箱变速 比， k为最优模态增益。 由式 3 知 ， 为使风机沿最佳效率 曲线运行 ， 发电机 的转距应按照转速的二次方来进行设置 ] 。 在追寻最大功率曲线 时， 本系统采用的方法是 事先 根据 叶片特性等计算 出最优的叶尖速 比 A 和最优功率 系数 C A x ， 将它们作为固定值设置在控制器 中 ， 于是 由 测量到的发电机转速 即可得知获得最大功率下 的理想发 电机 电磁转矩。转矩控制采用 P I 基本控制方式。 4 ． 1 ． 3 桨距控制 变速恒频风力发电机的桨距控制主要包括两部分 ．一 是风力发 电机启动时。 使风机的桨距角从 9 0 。 调到 0 。 ； 二是在风机达到额定功率时 ，风力发电机组通过主动变 浆米保持额定功率 ， 即使风速再大 ， 发电机的有功功率也 能保持恒定， ． 当功率大于额定功率时，风力发 电机组就会主动变 桨控制，即通过叶片和轮毂之间的轴承转动叶片来减小 迎角 ， 由此减小翼型的升力 ， 从而达到减小作用在风轮叶 片上的扭矩和功率的 目的 变桨距风力发 电机组 的桨叶 桨距角是根据发 电机输 出功率的反馈信号来控制的。主 动变桨控制也采用 P I 控制 ，但其 P I 控制器的 K 是随桨 距角 变化的， 其形式为 Kp 1 s r ． 。 4 S』i 式 中， 为积分时间常数； 增益 G为桨距角 的非线性 函 数 。在控制实行时 ， 采用查表法。 4 ． 2控 制 系统 的 P L C 程序 设 计 P L C的程序设计采用 T I A P o r t a l V l 1 编程软件 ， 通过 以太网接 口向 P L C中下载程序 。程序设计采用模块化设 计方式 ， 除主程序块 O B 1 外 ， 还有用于实现数据转换 、 偏 航控制 、 解缆等功 能的多块 F C 、 F B功能块 。转速控制和 桨距控制均采用 P I D控制方式 ，因此程序还设有定时循 环中断 O B 。系统 的程序流程图如图 5 所示。 5 上位机监控 系统设计 上位机利用 S I MA T I C Wi n C C软件进行组态 ， 其监控 21 2 i机 械工程师 2 0 1 4 年第 1 2 期 界面如图 6所示。通过上位机 监测 系统 ， 操作人员不仅 【 1 f 以监测风力发 电机的运行状 态 、 风 力参数 、 电力参数 、 并 网状态等 ， 还可以向 P L C传输控制命令 ． 如启动 、 紧急停 车 、 解缆等命令 。另外 ， 通过组态 _ 卜 位机还可 以实时记录 系统 的发电量等数据 ， 供操作人员查询 。 6结语 本文在对双馈异步风力发电机组的T作原理和控制 机理进行分析和研究 的基础上 ，设计 了一种基于 P L C和 上位机监测 系统的控制系统 ，此控制 系统运用合理 的转 速控制 、 桨距控制策略以及 P I D控制等控制算法 ， 实现 _ r 双馈异步风力发电机 的安全稳定运行 ， 发电机组发电 效率高 。此控制 系统 的设计对风力发电机的控制技术的 研究具有一定的参考意义。 [ 参考 文献 ] [ 1 ] 叶杭治． 风力发 电机组监测 与控制 [ M] ． 北京 机械 l 业目 { 版 礼 ． 2 0 i l ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仿鼻 ， 建耀 I CA DI CA MI C AE I C A P P 团固四匣团哩 风力 机集风装置结构设计和优化 胡继国 连云港市赣榆 区质量技术监督局 ， 江苏连云港 2 2 2 l 【 】 1 集风装置的结构设计 ， ． ， 收缩型集风装置的结构设计 从外形看来 ， 收缩型的集风装置结构简单 ， 但应用方 便 ， 适用范嘲广泛． ． 其形状 以及尺寸 叮用 P r o fl 软件设计 。 形状如罔 】所 ， 、 口 罔 2所示 。 ， ． 2 圆弧收缩型集风装置的结构设计 弧收缩 集J 装置是住收缩型集风装置的基础 } 改进而来。 具体是将收缩处南直线型改 为圆弧型。 其结构 [】 l冬 I 3所， J ， J 寸 ‘ ＆ 【 】 i冬 J 4所示。 以上给 j _ r 两种类型的集风装置 的设计结构 ，本文 嘤讨沦这两种类 的优劣性 。 通过对 比分析 ， 确定 比较 优越的集风装 ， 然后再改变装置的相关尺寸 ， 如改变收 缩角度或者阒弧半径来对 比分析 ，并研究 符种情况 集 风装置的集风效果 ， 从而确定最优方案。 2 集风装置的分析计算 2 ． 集风装置的有限元分析过程 2 ． 1 ． 1 收缩刭集风装置的有限元分析 先建立收缩角集风装置模型 ， 利用 A N S Y S 序分忻 可得运行结果如 冈 5所示 ， 绘制结果如图 6所爪 。 由绘制的结果可 以看m ， 该装置实现 J 加速 ， 枉f f { 口 的一定范罔内风速达到了最大值 ． ． 为了加以对 比， 通过改变收缩角度来进一步分析。分 别取 6 3 。 和 7 2 。 收缩角。 2 ． 1 ． 2 圆弧收缩型集风装置的有限冗分析 将收缩 收缩边改为半径为 1 2 的网弧 、 运行结果如 [ 2] 陈幅仕． 双馈式J x 【 力发 电机 及其控制系统 的研 究[ D] ． 北京 华 北 电力大学 ， 2 0l 2 ． 1 3 j 似 k 林 ， 刘军， 拿俊， 等． 变速变桨距风力发电机组控制策略优 化 _ J ] ． 电 力系统保} ， l 与控制 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 5 5 5 9 ． 1 4 ] 梁绵 鑫 ， 罗艳红 ， 边 存元 ， 等． Wi n CC基 础及应用 开发指南[ M] ． 北京 机械 业f 川扳朴 ， 2 0 0 9 ． J 5 j 刘其辉 ． 变速 频风力发 电系统运彳 t 控制研 究[ D] ． 杭 州 浙 江 大学 ， 2 0 0 5 ． I 6』 霄春 风 力发f 机叶轮转速 的控制方法与 实现[ D] ． 镇 江 江 苏科技大学 ， 2 O1 3 ． [ 7 ] 林志明 ． 潘东浩 ， 王贵 子， 等 ， 双馈 式变速 ，受桨风 力发 电机组的 转矩控制 [ J ] ． 中国 电机 1 程学报 ， 2 0 0 9 ， 2 9 3 2 I 1 8 - 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