基于Matlab和西門子IP427的半實物風電運行控制仿真實驗臺設計分析

邢作霞，肖澤亮，王雅光，劉志武

（沈陽工業(yè)大學新能源工程學院，遼寧 沈陽 110023）

基于Matlab和西門子IP427的半實物風電運行控制仿真實驗臺設計分析

邢作霞，肖澤亮，王雅光，劉志武

（沈陽工業(yè)大學新能源工程學院，遼寧 沈陽 110023）

本文介紹了采用模擬仿真的方法，開發(fā)半實物風電運行控制仿真實驗臺。該實驗臺采用軟件模擬各種工況下風電機組運行情況，通過人機交互界面HMI來監(jiān)控風電機組運行狀況。該實驗臺為教師和學生提供一個教學實驗平臺，也方便專業(yè)人士研究風電運行控制技術。

風電；主控系統(tǒng)；程序設計；半實物仿真

0 引言

隨著變速變槳風電機組的發(fā)展，風電機組控制系統(tǒng)的設計開發(fā)變得越來越容易實現(xiàn)，并且顯示出較好的應用前景[1-3]。我國的變速恒頻控制策略主要集中體現(xiàn)在變流器的控制算法上，通過轉速、轉矩及變槳的方式對風電機組的功率和載荷進行整機綜合控制[4]，但機組控制技術與國外先進技術還有較大差距。設計規(guī)劃一套風電機組主控系統(tǒng)動態(tài)仿真實驗臺顯得極為重要，該實驗臺采用軟件模擬各種工況下風電機組運行情況，通過人機交互界面HMI來監(jiān)控風電機組運行狀況。需要測試的運行控制系統(tǒng)（變槳距控制策略）、偏航執(zhí)行機構為實物形式，液壓站和齒輪箱為狀態(tài)燈形式，通過信息的實時交互，可實現(xiàn)控制算法和執(zhí)行機構的測試。

1 風力發(fā)電主控實驗臺開發(fā)

全面系統(tǒng)的模擬兆瓦級風電機組執(zhí)行機構、傳感器的狀態(tài)及其控制主要包括[5]：偏航、變槳、液壓站、剎車、齒輪箱潤滑、變槳軸承潤滑、機艙溫度及熱交換、航空障礙燈及機組運行狀態(tài)、安全鏈等。采用軟件仿真模擬風電機組的氣動及傳動系統(tǒng)特性，并實現(xiàn)風電機組的變槳和轉矩閉環(huán)控制。實驗臺外形如圖1所示。

實驗臺可進行如下實驗：

（1）通過偏航電路設計，可以編程實現(xiàn)偏航電機的啟停、互鎖及扭纜極限保護控制；

（2）通過脈沖計數(shù)，PLC編程實現(xiàn)偏航方向判斷及偏航角度計算；

（3）依據(jù)風向模擬輸入信號，進行PLC編程，實現(xiàn)風電機組偏航自動對風控制，觀察機組偏航角度變化情況；

（4）編程實現(xiàn)機組的啟動、停機過程，液壓站松閘、抱閘剎車動作，觀察機組轉速變化過程；

（5）編程實現(xiàn)齒輪油泵啟、停，根據(jù)油溫，進行齒輪油冷卻風扇、加熱溫度控制，觀察油溫變化情況；

（6）手動模擬安全鏈故障，編程實現(xiàn)機組緊急停機，觀察機組實時狀態(tài)響應；

（7）發(fā)電工況下，編程實現(xiàn)風電機組變槳和轉速－轉矩曲線控制，觀察機組的穩(wěn)定發(fā)電運行情況，功率輸出實時變化情況。

2 主控制器及PLC硬件結構的選擇

由于風電機組對數(shù)據(jù)處理和CPU運算速度要求比較高，子系統(tǒng)較多且要處理的任務復雜，因此主控制器選用西門子SIMATIC IPC 427C。風電機組主控實驗臺PLC整機結構包括以下部分：

（1）以太網(wǎng)交換機采用的是6GK5005 0BA00－1AB2，5×10/100Mbit/s RJ45端口，LED診斷，24伏直流供電；

（2）遠程IO站采用的是6ES7151 3AA23－0AB0，通訊接口為PROFINET，24V直流供電；

（3）電源模塊采用的是6ES7138 4CA01－0AA0，用于電子版模塊，24V直流供電；

（4）數(shù)字量輸入采用的是6ES7131 4BF00－0AA0，8位數(shù)字輸入，24V直流供電；

（5）數(shù)字量輸出采用的是6ES7132 4BF00－0AA0，8位數(shù)字輸出，24V直流供電；

（6）模擬量輸入采用的是6ES7134 4FB01－0AB0，8位模擬輸入，24V直流供電；

（7）模擬量輸出采用的是6ES7135 4FB01－0AB0，8位模擬輸出，24V直流供電；

（8）通訊模塊采用的是6ES7138 4DF01－0AB0，RS232、RS422、RS485串行接口，24V直流供電。

3 主控實驗臺的軟件架構

3.1 主控制器網(wǎng)絡架構

風電機組主控實驗臺整機控制網(wǎng)絡拓撲如圖2示。

（1）主控制器(IPC427C)：通過PLC及電路實現(xiàn)風電機組各種狀態(tài)（啟動、待機、停機、運行、緊急停機等）的切換、各執(zhí)行機構控制過程、故障處理過程及發(fā)電運行控制；

圖1 實驗臺外形照片

圖2 主控實驗臺硬件構成

（2）人機交互界面（HMI）：HMI界面可實現(xiàn)趨勢圖顯示，故障報警，數(shù)據(jù)歸檔等功能；

（3）遠程IO站(IM151－3)：ET200S 作為遠程IO子站，主要負責采集主控系統(tǒng)外圍設備的信號的采集。IO模塊的類型也滿足風電機組常見傳感器類型，包括了DI、DO、AI、AO等功能。本主控系統(tǒng)實驗臺整機通訊采用基于TCP/IP的PROFINET實時以太網(wǎng)，最高傳輸速率可達1000MBit/S，極其方便了系統(tǒng)的擴展與調(diào)試。整機采用西門子最新的實時以太網(wǎng)PROFINET作為控制網(wǎng)絡；

（4）編程電腦：可在上位機上實現(xiàn)學生編程和后臺模擬仿真功能，并且可在上位機上實現(xiàn)風電機組風能捕獲及機械傳動的動態(tài)仿真，與PLC編制的控制程序進行信息交互。3D仿真系統(tǒng)主機：運行風電機組的3D simulation模型，三維模擬變槳、偏航、齒輪箱、發(fā)電機等過程；3D simulation風電機組模型預留數(shù)據(jù)接口，可實現(xiàn)與西門子控制器進行連接通訊。

3.2 控制系統(tǒng)程序設計

控制系統(tǒng)由參數(shù)檢測、數(shù)據(jù)庫處理、故障處理、功率調(diào)節(jié)4個模塊組成。變槳距機構通過改變?nèi)~片槳距角的大小，從而改變?nèi)~片氣動特性，使槳葉和整機的受力狀況大為改善。發(fā)電機起動時，通過改變槳距角獲得足夠的起動轉矩；風速過高時，葉片旋轉以保持一定的輸出功率(額定功率)，同時減少對機組的沖擊；還可以實現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)[6]。變槳距控制與變速恒頻技術相結合，可以提高風力發(fā)電系統(tǒng)的效率和電能質(zhì)量。

（1）自動偏航

該過程是以風向傳感器輸出為基準，當風向改變超過允許誤差范圍時，控制器發(fā)出自動偏航指令；

（2）自動解纜

當某個方向達到10800 deg時，無論機組是否運行，機組都將執(zhí)行自動解纜；

（3）人工偏航

人工偏航是指在自動偏航失敗、人工解纜或者是在需要維修時，通過人工指令來進行的風力發(fā)電機偏航措施。

4 人機交互界面與三維動畫模擬

4.1 人機交互界面

SIMATIC WinCC Flexible 2008人機界面編程軟件可與西門子主控軟件STEP 7獨立編程，實時進行風電機組的狀態(tài)監(jiān)視及操作，實現(xiàn)相關參數(shù)的顯示、記錄、曲線、報警等功能。通過此監(jiān)測系統(tǒng)，確保風電機組模型穩(wěn)定運行，在出現(xiàn)風速超過切出風速、溫度報警、并網(wǎng)故障等異常運行狀態(tài)時執(zhí)行停機操作。

4.2 風電機組三維動畫實時反饋模擬

風電機組的 3D simulation模型，如圖3所示[7]。三維模擬變槳、偏航、齒輪箱、發(fā)電機等過程，可以更加直觀的觀察風電機組運行的實時狀況；3D simulation風電機組模型預留數(shù)據(jù)接口，可實現(xiàn)與西門子控制器進行連接通訊，將下載好的程序與3D simulation模型連接，驗證所編寫的程序是否合理，減小了實際風電機組運行所帶來的危險。

5 基于FAST/MATLAB/GH Bladed的半實物仿真

本實驗臺采用FAST、MATLAB和GH Blade這3種仿真工具的聯(lián)合，使機械模型、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)具備完整性，還可以有效地實現(xiàn)風電機組的 3D simulation模型與西門子控制器進行連接通訊，上位機實現(xiàn)學生編程和后臺模擬仿真功能并與PLC編制的控制程序進行信息交互。

在MATLAB/Similink環(huán)境下設計所需要的控制系統(tǒng)，并對其進行建模與仿真，再通過端口控制器算法實現(xiàn)PLC環(huán)境下相對應的控制系統(tǒng)。然后將建立好的MATLAB/Similink環(huán)境下的控制系統(tǒng)仿真模塊(*.mdl)文件通過PLC中的嵌入式編碼器編碼生成兩種不同的目標文件：通過工程集成在SIMATIC Tools環(huán)境下生成SCL Source目標文件；通過實時集成在WinAC RTX環(huán)境下生成DLL File目標文件。

圖3 風電機組的3D simulation模型

圖4 PID控制模塊仿真圖

圖5 風電機組輸出電磁轉矩曲線

圖6 風電機組槳距角曲線

最后，通過在兩者不同環(huán)境下對同一PID控制模塊進行實時運行仿真，如圖4所示。比較兩者的運行結果基本一致，從而驗證了建立MATLAB/Similink 環(huán)境和PLC/WinAC RTX環(huán)境下的通訊連接可行性。

GH Bladed主要應用于以下目的：風電機組初步設計；詳細設計和零部件技術要求；風電機組驗證。通過Bladed軟件仿真的機組性能曲線如圖5、圖6所示。

6 結論

本文提出了主控系統(tǒng)整體設計方案，對系統(tǒng)硬件進行選型和配置，搭建風電機組控制系統(tǒng)動態(tài)仿真實驗臺。詳細闡述了該主控實驗臺的硬件結構和軟件架構，并給出主控制器的控制程序設計流程。采用SIMATIC WinCC Flexible 2008軟件設計了人機交互界面界面，實時監(jiān)控變槳實驗臺運行狀態(tài)參數(shù)。主控器與所編制的3D simulation風電機組模型進行通訊，可以更加直觀的觀察風電機組變槳、偏航、齒輪箱、發(fā)電機等運行的實時狀況。該實驗臺開放的編程環(huán)境可作為專業(yè)人士研究風力發(fā)電主控技術使用，也可以作為本科生教學和研究生課題研究使用。

[1] 曾永衛(wèi),蔡毅.工程應用型本科產(chǎn)學研合作的分析和探索[J]．中國高等教育,2011(7):47-52.

[2] 劉國榮,曾永衛(wèi),吳朝建．工程應用型本科全開放實驗教學探索[J]．中國高等教育,2009(9):11-16.

[3] 楊之俊,吳紅斌,丁明,等.故障時雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38（1）:14-18.

[4] 特古斯.簡易風力發(fā)電機模型[J].物理通報,2008(10):58-59.

[5] 陳強,唐西勝,裴瑋,孔力.風力發(fā)電傳動系統(tǒng)的建模與數(shù)字模擬研究[J].太陽能學報,2010,11（11）:1503-1509.

[6] 李建林,張雷,鄂春良.基于歐姆龍PLC的風電機組變槳距系統(tǒng)[J].應用案例,2010(3):48-51.

[7] 井艷軍,陳雷,姚興佳．風電機組變距系統(tǒng)半實物仿真試驗平臺[J]．沈陽工業(yè)大學學報,2012(1):25-33.

Analysis of Simulation Platform Design of Semi-physical Wind Power Operation Control Based on Matlab and Siemens IP427

Xing Zuoxia, Xiao Zeliang, Wang Yaguang, Liu Zhiwu
(School of New Energy Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110023,China)

This paper introduces a simulation platform of semi-physical wind power operation control for the training target of new energy professional and technical personnel, which adopts the method of simulation. The platform uses software to simulate wind turbine operation in various conditions and monitors the running status of wind power generator through the man-machine interface HMI.This experimental platform provides a teaching experimental platform for the teachers and the students, and also facilitates the professional to research wind power operation control technology.

wind power; main control system; program design; semi-physical simulation

TM614

A

1674-9219（2014）04-0094-04

邢作霞（1976—），女，副教授，主要從事風力發(fā)電教學及智能控制技術的研究。