基于S7-1200 的風力發(fā)電控制系統(tǒng)研究

李 鳴 徐錦州 李浩然 王淑芳

北京聯(lián)合大學機電學院

變槳距變速風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)需要處理大量的邏輯關系和模擬量、數(shù)字量的采集。而且因為系統(tǒng)位于海上，無人現(xiàn)場值守。本項目完成變速變槳距風力發(fā)電機組的開機、自動運行及關機的控制，在自動運行的過程中，需要實現(xiàn)偏航、解纜、變槳及監(jiān)測的控制功能。其安全運行性能為最高要求。其控制過程分為開機控制、自動運行、停機控制三部分。結果表明控制系統(tǒng)設計的有效性。

引言

日益加劇的全球氣候變化和不可再生資源的減少，迫切需要我們國家大力發(fā)展可再生能源，降低碳排放量，保護生態(tài)環(huán)境，緩解能源危機。而風力發(fā)電是重要的可再生能源之一，一般而言，海上風場季節(jié)變化比較明顯，冬季風向偏北風為主，風度變化劇烈，風速在1～30m/s 變化，平均風速為10～15m/s；夏季則以偏南風為主，風速穩(wěn)定，在5～28m/s 之間變化，平均風速為10～14m/s。風力發(fā)電機要能夠正常發(fā)電，在4m/s 時可啟動風機等待，到風速為12m/s 時發(fā)電機轉速達1500rpm，可以并網發(fā)電。而當風速達到25m/s 時會對發(fā)電機組安全性造成威脅，應停機等待風速下降。風力發(fā)電控制系統(tǒng)是其中重要的組成部分，不僅保證風機的正常運行，而且要從風中捕獲盡可能多的能量轉化為電能，平穩(wěn)地送入電網。

風力發(fā)電控制系統(tǒng)功能要求

本課題中所控制的風機位于海上風電場中，海面風力在6 級左右，平均風速12m/s，風向隨機變化，要求全自動控制和遠程監(jiān)控。

全自動控制包括自動啟動、自動運行及自動停機，主程序需要根據(jù)各種工作狀態(tài)的特征進行判斷狀態(tài)的轉換。自動啟動要求檢測到風速大于啟動風速時可啟動風機，按照開機步驟實現(xiàn)風機全自動啟動，包括自動偏航和調槳距并網。自動運行要求設計控制策略使風機組在運行狀態(tài)、暫停狀態(tài)、停機狀態(tài)、緊急停機狀態(tài)之間進行切換，調節(jié)電磁轉矩和槳距保證功率維持在300KW 左右，發(fā)電機轉速維持在1550r/min。同時要求隨著風向改變自動進行偏航調節(jié)。自動停機要求風速超過25m/s 或偏航角超過1080°時自動報警，并按照停機步驟實現(xiàn)停機。

其中，自動偏航的主要功能是風力發(fā)電機組的風輪始終處于迎風狀態(tài)，充分利用風能，提高風力發(fā)電效率；另一方面提供必要的風輪保護，保證風力發(fā)電機組安全運行。它需要完成自動對風、解纜控制2 種功能。因此，需要設計啟動偏航迎風、運行偏航迎風、解纜等算法。

自動調槳距需要設計功率控制算法。根據(jù)發(fā)電機定子電壓、電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)進行功率判斷及槳距角控制。風機停止時槳距角在90°；風機啟動時調節(jié)槳距角到0°；當風機工作在額定功率狀態(tài)時，若功率超過額定功率則槳距角向迎風面積減小的方向轉動一個角度，即增大槳距角。反之亦然；停機時自動調節(jié)槳距角到90°。

自動電磁轉矩調節(jié)要求當風速低于額定風速時，通過控制發(fā)電機轉速實行最大風能追蹤，以獲得最大的能量。

遠程監(jiān)控要求通過監(jiān)測電力參數(shù)、風力參數(shù)、機組狀態(tài)參數(shù)以及各種反饋信號在出現(xiàn)異常狀況時進行停機操作，需要采集各種傳感器信號以及反饋信號并通過上位監(jiān)控軟件顯示和判斷和報警，其中需要用到大量的模擬量采集。

風力發(fā)電控制系統(tǒng)總體控制如圖1 所示。

圖1 變槳距變速風力發(fā)電機系統(tǒng)結構圖

風力發(fā)電控制系統(tǒng)總體方案設計

經系統(tǒng)分析，風力發(fā)電機控制系統(tǒng)需要46 點數(shù)字量輸入，5 點數(shù)字量輸出，11 模擬量輸入，5 個模擬量輸出。部分輸入輸出分析表如表1 所示。

表1 部分輸入輸出分析

由于系統(tǒng)在海上無人值守，需要自動運行，穩(wěn)定性要求較強，而PLC 設計緊湊、成本低廉且功能強大，是控制小型應用的完美解決方案，而風機控制系統(tǒng)的I/O 點數(shù)不多、功能要求高，且需要考慮經濟成本等因素，因此本方案選擇S7-1200PLC 作為控制系統(tǒng)核心，上位監(jiān)控采用WINCC，編程軟件使用博圖軟件，通信方式采用以太網連接。

硬件選型和組態(tài)

由風力發(fā)電控制系統(tǒng)總體方案設計可知選擇S7-1200PLC 作為風機控制系統(tǒng)的控制器。進而從擴展模塊數(shù)量、性能及所使用電源等角度考慮，具體選擇CPU 1214C 作為控制器，其序列號為6ES7 214-1BG31-0XB0。

軟件設計

根據(jù)前期分析，將控制系統(tǒng)主要完成功能：自動啟動、自動運行及自動停機。按照項目要求可將其分解為自動啟動子模塊、自動運行子模塊、自動停止子模塊以及運行監(jiān)測子模塊。主程序流程圖如圖3 所示。

圖2 部分地址位示意圖

圖3 主程序流程圖

其中，自動運行是重點內容，其包含運行狀態(tài)、暫停狀態(tài)、停機狀態(tài)、急停狀態(tài)以及狀態(tài)之間的轉換。而運行狀態(tài)中槳距調節(jié)和轉速調節(jié)是設計的難點。在進行槳距調節(jié)和轉速調節(jié)中，采用了宏觀調控與精準調節(jié)兩種形式相結合，宏觀調控實現(xiàn)將轉速與功率升高或降落至規(guī)定范圍內，主要途徑由實驗手段測試，例如：風速在18m/s 上下浮動的時候，槳距角為10°左右，電磁轉矩為1765，功率維持在310KW 左右，發(fā)電機轉速維持在1500r/min；而精準調節(jié)則使用PID 控制，在不同風速內使功率穩(wěn)定在某一細小區(qū)間，在此調節(jié)P、I 參數(shù)即可滿足需求參數(shù)。

偏航控制是風力發(fā)電機組的重點，包括開機偏航和運行中風向改變偏航。當風向角與偏航角之差（用θ 表示）在允許值θ1 的范圍（-5°＜θ1＜5°）內，則不需要進行偏航控制；否則需要判斷是否進行偏航控制，如何執(zhí)行偏航控制。由于偏航角可以是正負1800°度范圍內的值，風向角與偏航角之差存在超過半圈的情況，這種情況下，必須先將風向角與偏航角之差轉換成正負半圈之內的差值，然后判斷是否需要偏航，偏航時風輪到底往哪個方向轉才能消耗最小的能量。自動偏航控制流程圖如圖4 所示。

實驗結果及分析

圖4 自動偏航控制流程圖

圖5

圖6

為了更準確地觀察風機運行情況，保證在系統(tǒng)運行中風力發(fā)電機的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)運行時可打開上位監(jiān)控畫面，觀察當前的發(fā)電機轉速趨勢、功率趨勢、風速趨勢、電磁轉矩趨勢、槳矩角趨勢。

由上圖5、6 可觀察到，經過調節(jié)，風速在18m/s、21m/s 上下浮動的時候，槳距角為10°左右，電磁轉矩為1765，功率維持在310KW 左右，發(fā)電機轉速維持在1500r/min.在不同風度的不同結果，通過調節(jié)，功率都維持在了310KW 左右，發(fā)電機轉速維持在1500r/min.，此處不一一展示。

總結

本項目提出了一種300KW 變槳距恒速風力發(fā)電機組的控制器設計方案，該設計方案適用于150-800KW的中型海上風力發(fā)電機組控制?？刂品桨赋浞挚紤]了中型風力發(fā)電機組的特性，在保證安全運行前提下，該控制方案采用S7-1200PLC 作為控制器，上位監(jiān)控采用WINCC，重點設計了偏航、槳距和轉速控制，采用模糊控制和PID 穩(wěn)態(tài)調節(jié)，最終實現(xiàn)了不同風速內功率穩(wěn)定在300KW 左右。本項目提出的控制方案在海上中型風力發(fā)電機組推廣使用將會產生顯著的經濟和社會效益。