倍福PLC在小型風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張相考 厲偉

(1.沈陽工業(yè)大學研究生學院,遼寧沈陽 110870; 2.沈陽工業(yè)大學,遼寧沈陽 110870)

倍福PLC在小型風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張相考1厲偉2

(1.沈陽工業(yè)大學研究生學院,遼寧沈陽 110870; 2.沈陽工業(yè)大學,遼寧沈陽 110870)

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機組的控制核心,已成為各國工程研究人員的重要研究對象,而基于PLC風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用是未來風力發(fā)電的發(fā)展方向。本文主要介紹了倍福(Beckhoff)PLC在100KW風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中的配置,通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖詳細介紹了塔下主控系統(tǒng)、變流器、塔上控制系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)之間相互聯(lián)系,并列舉了倍福PLC端子模塊在風力發(fā)電機組安全鏈和信息采集方面的應(yīng)用。

風電機組 控制 倍福PLC 安全鏈 端子模塊

1 引言

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)是綜合性的系統(tǒng)。尤其是并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組,不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風況和機組運行數(shù)據(jù),對機組進行并網(wǎng)脫網(wǎng)控制,還要根據(jù)風速和風向變化對機組進行優(yōu)化控制[1]。由于風力發(fā)電控制系統(tǒng)的性能要求較高,選用PLC作為其主控制器可以用簡單的程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制,同時還具有穩(wěn)定性高的特點,完全能夠滿足風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的要求。本文主要介紹倍福PLC在小型風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

2 控制系統(tǒng)介紹

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成及通訊

某100KW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)由塔上控制柜和塔下控制柜兩部分組成。塔下控制柜作為控制系統(tǒng)的主站,PLC的主控器采用德國倍福(Beckhoff)公司的嵌入式PC,信號采集通過總線端子模塊實現(xiàn)。塔下控制柜的倍福PLC通訊接口有四個,第一個是CAN通訊接口,通過CAN總線連接到VACON變流器的OPT-C6通訊模塊,實現(xiàn)與變流柜之間的通訊；第二個是多模光纖通訊接口,實現(xiàn)與塔上控制柜之間的通訊；第三個是RS232接口,用于和在線式UPS通訊。PLC通過RS232串口通訊來開啟或關(guān)閉UPS；第四個是以太網(wǎng)接口,此接口用來下載程序和連接塔下以太網(wǎng)交換機。塔上控制柜的倍福PLC有兩個通訊接口,一個是與塔下控制柜實現(xiàn)光纖通訊的接口；另一個是CAN 通訊接口,與變槳系統(tǒng)和振動模塊之間連接,實現(xiàn)了它們之間的CAN總線通訊。

塔上和塔下的以太網(wǎng)交換機使用光纖相連接,塔下交換機用于連接監(jiān)控觸摸屏、風場總監(jiān)控室、無線發(fā)送數(shù)據(jù)模塊、還可以作為調(diào)試接口。工作人員進入機艙后將PC連接到塔上的交換機可以對風電機組進行調(diào)試和監(jiān)控。某100KW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的硬件配置結(jié)構(gòu)如圖一所示。

(圖一) 硬件配置結(jié)構(gòu)圖

塔下控制柜主要控制柜體照明、塔下通風風扇、變流器風扇及塔下主電源等執(zhí)行機構(gòu)；塔上控制柜主要控制發(fā)電機、變槳、偏航及機艙風扇、剎車等執(zhí)行機構(gòu)。硬件系統(tǒng)由倍福(Beckhoff)系列模塊構(gòu)成,主要采用的模塊有主控制器嵌入式PC CX5020、數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊、通信模塊、三相功率測量模塊、特殊功能模塊等。塔上和塔下模塊通過總線耦合模塊連接形成的主站與變流柜從站、變槳從站以及監(jiān)控觸摸屏構(gòu)成整個風電機組的控制系統(tǒng)。

主控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖二所示。

(圖二) 主控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由主控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖可知,塔下控制柜內(nèi)的CAN通訊主站模塊EL6751通過CANopen協(xié)議與位于變流柜內(nèi)的CAN通訊從站OPT-C6通訊模塊進行通訊。塔上控制柜內(nèi)的CAN通訊主站模塊EL6751通過CANopen協(xié)議與變槳系統(tǒng)的CAN通訊從站OPT-C6通訊模塊和振動模塊進行通訊。

2.2 控制系統(tǒng)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

100KW 風力發(fā)電系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)采用倍福(Beckhoff)的TwinCAT軟件來實現(xiàn)。

控制系統(tǒng)框圖如圖三所示。

由圖三控制系統(tǒng)框圖可知,它是一個典型的、先進的集散控制系統(tǒng)。它既能對現(xiàn)場實現(xiàn)分散控制,又能對機組運行的自動化、狀態(tài)的監(jiān)控、機組管理實現(xiàn)集中控制。這樣把系統(tǒng)不可靠因素對系統(tǒng)影響降低到最低限度,使機組正常可靠運行[2]。

控制系統(tǒng)組成分三級:(1)工業(yè)現(xiàn)場控制級——由永磁同步發(fā)電

(圖三) 控制系統(tǒng)框圖

機、變流器以及CX5020嵌入式PC、安全鏈系統(tǒng)組成；(2)基礎(chǔ)自動化控制級——由TwinCAT軟件組成；(3)上位監(jiān)控級——由工業(yè)控制計算機組成,采用三維力控的工控組態(tài)軟件進行設(shè)計。

3 倍福模塊在100KW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組安全系統(tǒng)中的應(yīng)用

100KW永磁直驅(qū)風電機組控制系統(tǒng)的安全鏈控制功能通過數(shù)字量輸入模塊和PLC內(nèi)部程序來實現(xiàn)。塔上塔下急停按鈕與串入安全繼電器,急停按鈕動作時安全繼電器使安全鏈斷開,倍福PLC得到信號之后會發(fā)出相應(yīng)指令同時通過CAN總線給CAN從站發(fā)送相應(yīng)通訊數(shù)據(jù)。

100KW永磁直驅(qū)風電機組串入安全鏈的信號有:(1)超速模塊:風輪轉(zhuǎn)速超速時,超速模塊內(nèi)的觸點作出相應(yīng)動作；(2)振動開關(guān):機艙振動過大,振動開關(guān)斷開；(3)變槳系統(tǒng)緊停:變槳變頻器故障,變槳系統(tǒng)安全鏈斷開；(4)偏航扭攬開關(guān):偏航扭攬限位開關(guān)動作；(5)自動復(fù)位繼電器:PLC輸出復(fù)位信號時候,安全鏈復(fù)位；(6)手動并網(wǎng)斷路器:手動并網(wǎng)斷路器的輔助觸點串入安全鏈；(7)自動并網(wǎng)接觸器:自動并網(wǎng)接觸器由網(wǎng)側(cè)變流器控制,其輔助觸點串入安全鏈。

上述塔上和塔下安全鏈信號串聯(lián)在一起,塔下安全鏈正常以后反饋給倍福PLC信號,然后倍福PLC自動復(fù)位塔上安全鏈信號。塔上塔下安全鏈反饋給倍福PLC的信號都正常,則PLC會根據(jù)程序進行邏輯運算然后發(fā)出相應(yīng)指令或通訊數(shù)據(jù)。當安全鏈不正常時,倍福PLC會發(fā)出以下信號:(1)發(fā)出安全鏈急停信號給變槳系統(tǒng),變槳系統(tǒng)以最快的速度驅(qū)動葉片至順槳位置(90°)；(2)當葉輪轉(zhuǎn)速小于3r/min時,抱閘系統(tǒng)執(zhí)行剎車動作；(3)變流器停止工作。

倍福PLC在風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)信息采集方面的應(yīng)用:倍福PLC中的EL3403端子模塊可以測量電網(wǎng)中的所有電氣數(shù)據(jù)。例如電網(wǎng)的三相電壓值和電流值。通過EL3403模塊還可以計算每相的有功功率和能量損耗。EL1502端子模塊內(nèi)部是一個加/減計數(shù)器模塊用來計算二進制脈沖,并且此模塊以電氣隔離的形式將計數(shù)器狀態(tài)傳到上層的設(shè)備中。倍福PLC預(yù)裝的程序通過EL1502模塊接收的接近開關(guān)的脈沖個數(shù)來計算風輪的轉(zhuǎn)速。EL3204是4通道PT100輸入端子模塊,此模塊可以直接連接電阻型傳感器。通過EL3204模塊倍福PLC可以測量發(fā)電機、塔上/塔下控制柜的溫度,并將這些溫度值發(fā)送給監(jiān)控觸摸屏[3]。

4 結(jié)語

在調(diào)試和運行100KW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)過程中,可以發(fā)現(xiàn)倍福PLC作為風電機組控制系統(tǒng)的主控制器,編程方便,可實施性強。倍福PLC模塊化設(shè)計使其結(jié)構(gòu)緊湊,堅固可靠,安裝及接線非常方便,維護便捷,若某模塊損壞,直接用模塊備件替換即可,編寫的程序等其它不需作任何變動即可投入正常運行狀態(tài)。應(yīng)用倍福PLC,通過倍福PLC自動化TwinCAT能夠直接觀測出系統(tǒng)的運行情況,為維護人員查找故障提供了極大的方便,從而縮短了對系統(tǒng)的維護時間[4]。

[1]葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[2]MD-030.00-A,W2000 風力發(fā)電機組操作運行手冊.

[3]倍福PLC模塊選型手冊.

[4]朱曙.基于PLC的風力發(fā)電控制系統(tǒng)研究[J].電子測量技術(shù),2009.3.