孫 蓉,李 冰,蘇 麗,呂淑平,于 鑫
(哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001)
基于PLC的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
孫 蓉,李 冰,蘇 麗,呂淑平,于 鑫
(哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001)
利用可編程序控制器PLC實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航控制、變槳距角控制、自啟動(dòng)控制等功能,并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與測(cè)試,設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的WinCC監(jiān)控組態(tài)界面,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。
風(fēng)力發(fā)電;控制系統(tǒng);可編程控制器;WinCC監(jiān)控
風(fēng)能作為一種清潔的能源,越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視,風(fēng)能已經(jīng)成為除水能以外,技術(shù)最成熟、最具有規(guī)模化開(kāi)發(fā)條件和商業(yè)發(fā)展前景的能源之一。近20年來(lái),風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了飛速發(fā)展。其中,德國(guó)、西班牙、丹麥、美國(guó)等歐美國(guó)家在風(fēng)能研究和利用方面涉足較早,在風(fēng)力發(fā)電理論和技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位。相比之下,國(guó)內(nèi)在風(fēng)力發(fā)電理論研究和風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)方面與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在著較大的差距[1]。
由于風(fēng)能是一種具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)的低密度的能源,因而控制技術(shù)是否達(dá)到相應(yīng)的要求就成為了風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵,它不僅影響著風(fēng)力發(fā)電裝置整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效能,同時(shí)也直接影響著輸出電能的質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此,研制出一套適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換、安全高效、性能出色的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以及先進(jìn)的配套控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到推廣應(yīng)用的關(guān)鍵[2]。本文的研究目的是為了解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在復(fù)雜多變的外界環(huán)境下如何安全平穩(wěn)運(yùn)行,并盡可能多地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能、平穩(wěn)地送入電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)良好供電性能的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)依據(jù)變化的風(fēng)的方向,能始終正對(duì)風(fēng)向,最大限度地從獲取風(fēng)的能量,本文以西門(mén)子PLC為控制器,設(shè)計(jì)偏航控制算法;為防止風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)機(jī)輸出功率過(guò)高可能對(duì)硬件設(shè)備的損害,設(shè)計(jì)功率控制算法,通過(guò)槳距角控制限制風(fēng)機(jī)吸收功率;最后通過(guò)設(shè)置各種參數(shù)超標(biāo)處理過(guò)程使風(fēng)機(jī)可以安全平穩(wěn)運(yùn)行。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)的硬件系統(tǒng)主要包括可編程控制器(PLC)、風(fēng)機(jī)組件以及并網(wǎng)系統(tǒng),本設(shè)計(jì)中控制器采用的是西門(mén)子公司的S7-1200系列中的PLC作為控制系統(tǒng)的控制器,風(fēng)力發(fā)電機(jī)則采用的是變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)(雙饋異步發(fā)電機(jī))。
圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪組件、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、偏航和解纜系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)組成。需要重點(diǎn)說(shuō)明是的偏航和解纜系統(tǒng),因?yàn)樵摬糠謱Q定整個(gè)控制系統(tǒng)的大部分需求指標(biāo)[3]。偏航系統(tǒng)主要由風(fēng)向標(biāo)、偏航馬達(dá)、偏航軸承構(gòu)成。這是一個(gè)伺服系統(tǒng),當(dāng)風(fēng)向及風(fēng)輪的主軸存在一定的角度偏差時(shí),經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后控制系統(tǒng)將控制用于偏航控制的異步電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn),將風(fēng)輪和風(fēng)向調(diào)整到一致的方位[4]。同時(shí)將會(huì)有一個(gè)風(fēng)向標(biāo)安裝在風(fēng)輪前部或者機(jī)艙的一側(cè),風(fēng)向標(biāo)的作用是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪主軸和風(fēng)向標(biāo)的指向存在一定的偏離角時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)便開(kāi)始計(jì)時(shí),當(dāng)存在偏離角的時(shí)間達(dá)到一定的值時(shí),即認(rèn)為風(fēng)向已改變,計(jì)算機(jī)發(fā)出向左或向右調(diào)向的指令,直到偏差消除。為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)從風(fēng)中獲得最大的能量,同時(shí)由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)可能會(huì)連續(xù)地執(zhí)行偏航控制,這就有可能導(dǎo)致連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙與塔架的電纜發(fā)生纏繞,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)連續(xù)朝同一個(gè)方向執(zhí)行偏航達(dá)到1 080°(3圈)時(shí),偏航控制系統(tǒng)將會(huì)驅(qū)動(dòng)偏航機(jī)構(gòu)執(zhí)行自動(dòng)解纜,從而保證了整個(gè)系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)[5-10]。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括控制方案設(shè)計(jì)和控制程序的編寫(xiě)。本設(shè)計(jì)中控制方案主要采用傳統(tǒng)的PID控制,控制程序的編寫(xiě)則采用梯形圖語(yǔ)言。
2.1 總體方案設(shè)計(jì)
不同于一般的工業(yè)控制過(guò)程,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是一個(gè)非常具有綜合性的控制系統(tǒng)。它不僅需要針對(duì)當(dāng)前的風(fēng)速與風(fēng)向的變化,并根據(jù)指定的控制方案對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制,以達(dá)到提高發(fā)電量和機(jī)組的運(yùn)行效率的目的,同時(shí)還要監(jiān)視電網(wǎng)參數(shù)、當(dāng)前風(fēng)況以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)[11-12]。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的是啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制、并網(wǎng)后進(jìn)行功率控制的方案。這種控制方案大大提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)性能和功率輸出特性[13]。此時(shí)的液壓系統(tǒng)自身已經(jīng)組成了閉環(huán)控制系統(tǒng),不再只是簡(jiǎn)單的執(zhí)行機(jī)構(gòu),液壓系統(tǒng)通常采用的是電液伺服閥或者電液比例閥,這種結(jié)構(gòu)大大提高了控制系統(tǒng)的控制水平,同時(shí)也顯著改善了控制系統(tǒng)的控制效果。目前投入使用的絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都采用分布式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)就地控制,可直接在控制對(duì)象的工作點(diǎn)布置所需要的任何模塊,可以就地采集信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的處理[14-15]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2。
圖2 控制系統(tǒng)框圖
本風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)以西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-1200 PLC進(jìn)行控制,具有全自動(dòng)自啟動(dòng)、偏航控制、變槳距角控制等功能。本風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制程序主要包括主程序(OB1)、偏航控制程序(功能FC1)、槳距角控制程序(功能FC2)以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)全自動(dòng)自啟動(dòng)控制程序(功能FC3)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控控制程序(功能FC4),其基本結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。
圖3 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖
風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)控制主程序流程圖見(jiàn)圖4。
2.2 偏航控制程序設(shè)計(jì)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的偏航控制可以分為自動(dòng)偏航控制和自動(dòng)解纜控制。由于風(fēng)的方向始終處于變化之中,偏航控制所實(shí)現(xiàn)的功能是如果當(dāng)前的風(fēng)向和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪正對(duì)方向之間產(chǎn)生一個(gè)偏差角且該角度超過(guò)5°時(shí),必須進(jìn)行偏航控制,確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)正對(duì)風(fēng)向,從而盡可能大地從風(fēng)中獲得能量。其程序流程見(jiàn)圖5。
解纜控制是指當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)朝一個(gè)方向連續(xù)偏航超過(guò)3圈(±1080°)時(shí),為了防止內(nèi)部電纜發(fā)生纏繞而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備受損,需設(shè)計(jì)解纜控制程序,從而保證機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。其程序流程圖見(jiàn)圖6。
偏航控制主程序主要由參數(shù)計(jì)算程序、解纜控制程序、偏航控制子程序和停止偏航程序構(gòu)成。其中參數(shù)計(jì)算程序的作用是根據(jù)安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)架上的風(fēng)向標(biāo)檢測(cè)到的風(fēng)向值和風(fēng)機(jī)上的偏航碼盤(pán)檢測(cè)到的風(fēng)機(jī)偏航角計(jì)算出當(dāng)前的風(fēng)向角與偏航角的差值。偏航控制是根據(jù)計(jì)算出的差值決定是否進(jìn)行偏航控制。解纜控制則是根據(jù)已連續(xù)朝同一個(gè)方向進(jìn)行偏航的角度值決定是否應(yīng)該進(jìn)行解纜控制。
圖5 自動(dòng)偏航流程圖
圖6 自動(dòng)解纜流程圖
2.3 變槳距控制程序設(shè)計(jì)
變槳距控制所實(shí)現(xiàn)的功能是:如果當(dāng)前的風(fēng)速不滿足系統(tǒng)要求的啟動(dòng)風(fēng)速(4 m/s)時(shí),槳距角將被控制系統(tǒng)控制在90°不變,風(fēng)機(jī)葉片此時(shí)不運(yùn)轉(zhuǎn),緊接著調(diào)整槳距角,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸增大,加快啟動(dòng)速度;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速(4 m/s)以后,槳距角調(diào)節(jié)到0°不變,盡可能多地從風(fēng)中獲取能量;當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速(12 m/s)時(shí),為了使輸出功率保持恒定,也為了限制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的吸收功率以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行,引入了變槳距控制策略,通過(guò)調(diào)整槳葉的槳距角來(lái)調(diào)整功率的變化;當(dāng)風(fēng)超過(guò)切出風(fēng)速(25 m/s)時(shí),控制系統(tǒng)將槳距角調(diào)整為90°順風(fēng),此時(shí)風(fēng)機(jī)葉片和塔架的受力最小從而保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本程序中槳距角調(diào)節(jié)分為兩種情況,一種是有功功率在300 k W~340 k W之間的精確調(diào)節(jié),另一種是在300 k W ~340 k W范圍之外的粗略調(diào)節(jié)。變槳距控制流程圖見(jiàn)圖7。
圖7 變槳距控制流程圖
2.4 全自動(dòng)啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)全自動(dòng)啟動(dòng)程序所實(shí)現(xiàn)的功能是按照開(kāi)機(jī)步驟實(shí)施風(fēng)機(jī)全自動(dòng)開(kāi)車(chē),保證開(kāi)車(chē)穩(wěn)步進(jìn)行。在開(kāi)車(chē)過(guò)程中,葉片上的升力和阻力與槳距角之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系,要保證隨著槳距角的減小,風(fēng)機(jī)的升力始終大于阻力,確保風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速附近。與此同時(shí),當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率達(dá)到一定的額定值之后,自動(dòng)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)送電。全自動(dòng)啟動(dòng)程序見(jiàn)圖8。如果當(dāng)前風(fēng)速≥4 m/s,則計(jì)數(shù)器加1,如果不滿足則計(jì)數(shù)器清零。如果當(dāng)計(jì)數(shù)器的值計(jì)滿10 時(shí),輸出一個(gè)“風(fēng)速10 s大于4”的信號(hào),并將計(jì)數(shù)器清零。這兩句程序的作用是判斷是否滿足風(fēng)速≥4 m/s的條件,如果滿足條件,則風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)始執(zhí)行偏航控制。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的主要任務(wù),就是通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)使發(fā)電機(jī)吸收的功最大,而又不超過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率,或者是在需要降低吸收功率的情況(停機(jī)等)下將發(fā)電機(jī)的輸出功率調(diào)節(jié)到需要的功率值。本節(jié)主要模擬在自然風(fēng)況下,根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化進(jìn)行偏航控制和變槳距角控制,目的是使輸出功率曲線穩(wěn)定。
圖8 全自動(dòng)啟動(dòng)程序流程圖
3.1 仿真結(jié)果
仿真以自然風(fēng)況為輸入,利用E-Wind Turbine和WinCC軟件進(jìn)行模擬仿真,仿真結(jié)果見(jiàn)圖9。
圖9 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)仿真曲線
其中黑色曲線為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率變化曲線,紅色曲線為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片槳距角變化曲線,藍(lán)色曲線為風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪偏航角變化曲線。
3.2 仿真結(jié)果分析
(1)偏航控制仿真結(jié)果分析。偏航控制的作用是保證風(fēng)機(jī)始終正對(duì)風(fēng)向,最大限度地從風(fēng)中獲取能量。當(dāng)風(fēng)向角與風(fēng)機(jī)偏航角之差超過(guò)5°時(shí),需要進(jìn)行偏航控制。當(dāng)風(fēng)機(jī)偏航超過(guò)3圈(±1 080°)時(shí),需進(jìn)行偏航解纜控制,防止內(nèi)部電纜發(fā)生纏繞。
由仿真結(jié)果中的偏航角曲線可知:在風(fēng)力發(fā)電機(jī)剛開(kāi)始投入運(yùn)行的時(shí)刻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航角接近正方向1 000°;隨著風(fēng)向的逐漸變化,由風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制作用使風(fēng)機(jī)逐漸跟隨風(fēng)向的變化而正對(duì)風(fēng)向,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)偏航角基本維持在正方向700°左右;當(dāng)風(fēng)向繼續(xù)變化時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航角繼續(xù)跟隨風(fēng)向的變化保持正對(duì)風(fēng)向。由此可得出結(jié)論,該風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的偏航控制系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前風(fēng)向的變化調(diào)節(jié)偏航角正對(duì)風(fēng)向,從而能夠保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)作,并從風(fēng)中獲取最大的能量。
(2)變槳距控制仿真結(jié)果分析。變槳距控制的作用是通過(guò)對(duì)槳距角的控制調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而控制發(fā)電機(jī)的吸收功率。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)調(diào)整槳距角獲得最大功率,當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速、風(fēng)機(jī)輸出功率過(guò)高可能致使硬件設(shè)備受損時(shí),通過(guò)槳距控制限制風(fēng)機(jī)吸收的功率,保證機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
由仿真結(jié)果中的槳距角曲線可知:在當(dāng)前風(fēng)速低于額定風(fēng)速(12 m/s)時(shí),控制系統(tǒng)調(diào)整槳距角為最小值0°,從而使發(fā)電機(jī)獲得最大的功率;在當(dāng)前風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),控制系統(tǒng)將會(huì)增大槳距角,從而限制發(fā)電機(jī)的吸收功率;當(dāng)遇到特大強(qiáng)風(fēng)時(shí),控制系統(tǒng)調(diào)整槳距角為90°,此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳葉和塔架受風(fēng)最小,葉片處于順風(fēng)位置,這就確保了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組免受損壞。由此可得出結(jié)論,該風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的槳距角控制能夠根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率調(diào)整槳距角的大小,從而在保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)從風(fēng)中獲取最大能量的同時(shí)也把風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在一個(gè)相對(duì)安全的額定值以下。
(3)風(fēng)機(jī)自啟動(dòng)控制仿真結(jié)果分析。風(fēng)力發(fā)電機(jī)全自動(dòng)啟動(dòng)控制程序所實(shí)現(xiàn)的功能是按照開(kāi)機(jī)步驟實(shí)施風(fēng)機(jī)全自動(dòng)開(kāi)車(chē),保證開(kāi)車(chē)穩(wěn)步進(jìn)行。由仿真結(jié)果可知,該風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的自啟動(dòng)控制能夠在不借助外力的情況下按照開(kāi)機(jī)步驟安全開(kāi)機(jī),并且當(dāng)風(fēng)機(jī)遇到緊急故障的情況下系統(tǒng)能夠根據(jù)安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)各個(gè)位置的傳感器反饋的信息實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng),從而保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的核心任務(wù)就是保證發(fā)電機(jī)的輸出功率最大且不超過(guò)額定功率。由仿真結(jié)果中的功率曲線可知,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率基本上都保持在320 k W左右,當(dāng)風(fēng)速或者風(fēng)向有突變的時(shí)候風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率也會(huì)有相應(yīng)的變化,但是經(jīng)過(guò)較短時(shí)間的調(diào)整之后風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率又能回到原來(lái)的值。
由以上可得出結(jié)論:該風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo),最終能夠保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)較高且不超過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率的值,從而在保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電質(zhì)量的同時(shí)也保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠安全、高效的運(yùn)行。
3.3 WinCC監(jiān)控界面
WinCC(windows control center)是SIMATIC PCS 7過(guò)程控制系統(tǒng)及其他西門(mén)子控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件。它是第一個(gè)具有良好的開(kāi)放性和靈活性的過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng),WinCC集生產(chǎn)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化于一體,實(shí)現(xiàn)了相互之間的整合,并大量應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域中。
本控制系統(tǒng)中WinCC監(jiān)控界面(見(jiàn)圖10)主要用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的外部環(huán)境變化和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。包括當(dāng)前的風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航角、槳距角、功率等參數(shù)。用戶可以根據(jù)WinCC提供的參數(shù)調(diào)整控制命令,從而保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全、高效的運(yùn)行。
圖10 WinCC監(jiān)控界面
風(fēng)能以其清潔性和可持續(xù)性,已經(jīng)成為除水能以外,技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?;_(kāi)發(fā)條件和商業(yè)發(fā)展前景的能源之一。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式,而控制系統(tǒng)又是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最為核心的部分,因此對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。本文以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象,對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的總體功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析,并基于西門(mén)子S7-1200 PLC設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行并最大限度地從風(fēng)力中捕獲能量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)采用隨機(jī)邏輯方式控制,完成了如偏航控制程序設(shè)計(jì)、變槳距角控制程序設(shè)計(jì)、風(fēng)力全自動(dòng)啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)等。在完成了系統(tǒng)控制方案和程序的設(shè)計(jì)之后,用仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與仿真,達(dá)到了預(yù)期的控制效果,并且為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了WinCC監(jiān)控界面,保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全、高效的運(yùn)行。
References)
[1]周宏林.大容量雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].北京:清華大學(xué),2011.
[2]王小鵬.基于小波變換和數(shù)據(jù)挖掘的風(fēng)電機(jī)在線故障診斷[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2010.
[3]楊通.基于PLC變槳距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究[D].保定:華北電力大學(xué),2011.
[4]李彥龍.風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制技術(shù)的研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué),2012.
[5]張尚云,齊向東.基于PLC的風(fēng)力機(jī)變槳距控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011(5):147-149.
[6]錢(qián)江海,謝源,焦斌.基于PLC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào),2011(5):302-305.
[7]金利祥,張德華,陳紹聶,等.基于PLC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)電工程,2012(2):188-191.
[8]劉彬.風(fēng)力發(fā)電液力調(diào)速系統(tǒng)及其控制研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2012.
[9]竇金延,曹娜,于群.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2011(2):55-58.
[10]周海波.變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)特性和運(yùn)行特性的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.
[11]孫蓉.西門(mén)子S7-300/400PLC實(shí)踐與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.
[12]李冰,鄭秀麗,孫蓉,等.可編程控制器原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)電力出版社,2011.
[13]Miao Weiwei,Jia Hongjie,Wang Dan,et al.Active power regulation of wind power systems through demand response[J].Science China Technological Sciences,2012,55(6):1667-1676.
[14]Damir Crnkovié,Damir?ljivac,Marinko Stojkov.Influence of wind power plants on power system operation-Part one:Wind power plant operation and network connection criteria[J].Technical Gazette,2010,17(1):101-108.
[15]Qi Zhiyuan,Lin Eerduntaokesu.Integrated power control for small wind power system[J].Journal of Power Sources,2012,217 (11):322-328.
Design of wind power generation control system based on PLC
Sun Rong,Li Bing,Su Li,LüShuping,Yu Xin
(College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)
In addition to the water energy,the wind energy as a clean and renewable energy has become the most mature way of electricity generation which is with the largest scale,and has the most promising commercial development.The wind power generation is the main form of wind power,and the wind turbine is the main equipment to convert the wind energy into the electric energy,in which the control system is the most important component.This paper completes the yaw control,active pitch control,and the automatic startup control of the wind power generator.Finally,it simulates and tests the control system,and designs the interface of the WinCC of the wind turbine control system to realize the online monitoring function of the wind turbine.
wind power;control system;PLC;WinCC monitoring
TM614-33
A
1002-4956(2015)4-0086-06
2014-09-03修改日期:2014-11-01
黑龍江省高等教育學(xué)會(huì)高等教育科學(xué)研究“十二五”規(guī)劃課題“基于樂(lè)-學(xué)-思-創(chuàng)”理念的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)多元化教學(xué)方法研究與實(shí)踐”(HGJXHC110370);黑龍江省教育教學(xué)改革項(xiàng)目“創(chuàng)建‘三引領(lǐng)五平臺(tái)’培養(yǎng)模式,培養(yǎng)自動(dòng)化學(xué)科拔尖創(chuàng)新人才”(JG2013010203);黑龍江省高等學(xué)校教改工程項(xiàng)目“基于科研素質(zhì)培養(yǎng)的‘創(chuàng)新認(rèn)知與實(shí)踐’課程建設(shè)與實(shí)踐”(JG2012010147);哈爾濱工程大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“PLC課程‘金字塔’式教學(xué)體系構(gòu)建研究與實(shí)踐”(JG2013YB20)
孫蓉(1978—),女,山東肥城,工學(xué)博士,講師,研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程.
E-mail:sunrong@hrbeu.edu.cn