基于IPC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹慶才，張真真

(沈陽(yáng)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司,山東 青島 266000)

基于IPC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹慶才，張真真

(沈陽(yáng)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司,山東 青島 266000)

以西門(mén)子IPC427C為控制器設(shè)計(jì)了1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制策略和人機(jī)界面。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

IPC427；風(fēng)力發(fā)電；主控系統(tǒng)；控制策略；人機(jī)界面

0 引 言

研究風(fēng)電技術(shù)，不僅可以緩解傳統(tǒng)能源的危機(jī)，而且可以有效減少環(huán)境污染。目前，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展，如何提高風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)更穩(wěn)定可靠的運(yùn)行成為風(fēng)電行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[1]。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因較高的風(fēng)能利用系數(shù)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)受到風(fēng)電行業(yè)越來(lái)越高的關(guān)注，其中，IPC427C作為嵌入式 PC系統(tǒng)提供，具有預(yù)先安裝的軟件WinAC RTX和可視化軟件WinCC flexible，能夠全天24小時(shí)無(wú)間斷免維護(hù)高效和穩(wěn)健的運(yùn)行[2]，在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境風(fēng)力較大，安全穩(wěn)定的控制技術(shù)顯得尤為重要，本系統(tǒng)選擇西門(mén)子IPC427C工業(yè)控制器作為核心，采用ET200S從站采集信號(hào)，通過(guò)Profinet和Profibus等多種通信方式，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成風(fēng)力機(jī)組的自動(dòng)控制，且能夠?qū)崿F(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)、故障Buffer等存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)的功能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該控制系統(tǒng)安全、可靠，應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)說(shuō)明

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)主控系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分是主控制器和ET200S；第二部分是觸摸屏，第三部分是通訊網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

(1)主控制器和ET200S

該部分是整個(gè)主控系統(tǒng)的核心，由主控制器和ET200S站組成。主控制器采用西門(mén)子IPC427C。IPC427C是功能強(qiáng)大的嵌入式工業(yè)PC，尤其適合用于節(jié)省空間地實(shí)施高速 I&C、HMI和通訊任務(wù)，通過(guò)與各風(fēng)機(jī)部件交互信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各風(fēng)機(jī)部件的管理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的智能控制與監(jiān)控。

ET200S是西門(mén)子的遠(yuǎn)程IO模塊，負(fù)責(zé)塔底和機(jī)艙信號(hào)傳輸，它上面沒(méi)有CPU，通過(guò)交換機(jī)與主控制器連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(2)觸摸屏

觸摸屏是本地人機(jī)界面，機(jī)艙使用西門(mén)子KTP1000 PN觸摸屏，通過(guò)網(wǎng)線與機(jī)艙交換機(jī)相連。塔底觸摸屏通過(guò)DVI視頻連接線與IPC的DVI接口相連，機(jī)艙及塔底觸摸屏都支持控制風(fēng)機(jī)啟機(jī)、停機(jī)、參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)控制、部件測(cè)試等功能。

(3)通訊網(wǎng)絡(luò)

每臺(tái)風(fēng)機(jī)配備三個(gè)交換機(jī)，機(jī)艙交換機(jī)、塔底交換機(jī)和環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。機(jī)艙觸摸屏和ET200S站通過(guò)Profinet連接機(jī)艙交換機(jī)。主控制器和塔底通過(guò)Profinet與塔底交換機(jī)相連。塔底交換機(jī)再通過(guò)光纖連接機(jī)艙交換機(jī)。環(huán)網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)光纖與風(fēng)場(chǎng)中的其他風(fēng)機(jī)組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，將風(fēng)機(jī)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制。機(jī)艙與變槳控制器之間通過(guò)CANopen進(jìn)行通訊。

2 主控系統(tǒng)控制策略

1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主控系統(tǒng)控制策略的核心是在運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；低風(fēng)速時(shí)，跟蹤最佳葉尖速比，獲得最大風(fēng)能；高風(fēng)速時(shí)，限制風(fēng)能的捕獲，保持機(jī)組的輸出功率為最大值，并保持輸出功率穩(wěn)定[3]。

葉尖速比直接影響風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的能力，即影響風(fēng)能系數(shù)Cp值的大小。變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪，隨著風(fēng)速的變化風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速是變化的，可以通過(guò)控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)輪在葉尖速比恒定在最佳葉尖速比λopt下運(yùn)行，從而風(fēng)輪可以在較大的風(fēng)速范圍內(nèi)保持Cpmax下運(yùn)行如圖2所示葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系趨勢(shì)圖，即風(fēng)輪的空氣動(dòng)力特性[4-5]。

圖2 葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系趨勢(shì)圖

主控系統(tǒng)控制策略的核心設(shè)計(jì)，可以由轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)和變槳距控制器的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)[6-7]，如圖3所示。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)控制策略框圖

發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與給定信號(hào)直接控制；發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，速度控制器B與功率控制器起作用。功率控制器的任務(wù)主要是根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定，使機(jī)組處運(yùn)行在最佳葉尖速比曲線上。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

華創(chuàng)西門(mén)子HMI人機(jī)界面基于西門(mén)子WinCC flexible組態(tài)軟件構(gòu)建。WinCC flexible是一款面向機(jī)器的自動(dòng)化概念的HMI軟件，用于組態(tài)用戶(hù)界面以操作和監(jiān)視機(jī)器與設(shè)備，提供了對(duì)面向解決方案概念的組態(tài)任務(wù)的支持。WinCC flexible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，這在大量應(yīng)用和各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例中業(yè)已被證明是一款高效、穩(wěn)定、簡(jiǎn)潔的組態(tài)軟件[8]。

本系統(tǒng)的主要功能包括：風(fēng)機(jī)的啟機(jī)、停機(jī)、復(fù)位和安全鏈復(fù)位；數(shù)據(jù)的采集﹑監(jiān)控和故障報(bào)警；不同權(quán)限下風(fēng)機(jī)參數(shù)的修改；事件記錄和Buffer獲取。系統(tǒng)主界面如圖4所示，它可以可靠的監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，方便電廠管理。

圖4 系統(tǒng)主界面

調(diào)用新疆哈巴河風(fēng)電場(chǎng)33#風(fēng)機(jī)近一個(gè)月的功率曲線，如圖5所示，可以看出，風(fēng)機(jī)功率曲線良好，完全滿足實(shí)際要求。

圖5 功率曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)在華創(chuàng)風(fēng)能多個(gè)使用1.5 MW雙饋風(fēng)機(jī)的風(fēng)場(chǎng)得到應(yīng)用，運(yùn)行情況良好。這種以西門(mén)子IPC427C工業(yè)控制器作為核心開(kāi)發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)的24小時(shí)實(shí)時(shí)智能控制，提高了風(fēng)能的利用率，保證了風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，具有極高的行業(yè)推廣價(jià)值。

[1] 張玉杰.基于IPC的風(fēng)電機(jī)組智能控制與仿真技術(shù)研究[D].內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古科技大學(xué),2014.

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[3] 劉軍,何玉林,李俊.變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略改進(jìn)與仿真[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(5):82-86.

[4] 王惠斌,徐建軍,代文燦.基于PID控制器的兆瓦級(jí)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的研究[J].電器開(kāi)關(guān),2009,47(3):55-57.

[5] 周彥飛,唐述剛.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略研究[J].風(fēng)電技術(shù),2011,53(6):53-57.

[6] 姚興佳.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[7] 李建林,許洪華,邵桂平.1.5MW雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)研究[J].電力設(shè)備,2008,9(11):9-12.

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為了你和家人的健康，請(qǐng)不要吸煙。

一時(shí)的快樂(lè)，永恒的傷痛——請(qǐng)勿吸煙。吸煙是繼戰(zhàn)爭(zhēng)、饑餓和瘟疫之后，對(duì)人類(lèi)生存的最大威脅。

Design of a Main Control System for Wind Power Generation Sets Based on IPC

Cao Qingcai, Zhang Zhenzhen

(Shenyang China Creative Wind Energy Co. Ltd., Qingdao Shandong 266000, China)

This paper presents a design of a main control system for the 1.5 MW doubly-fed wind power generation set using SIEMENS IPC427C as controller, and gives details about the structure, control strategy and human-computer interface of the control system. Field operation proves that this control system is stable and reliable and can produce good practical application effects.

IPC427； wind power generation； main control system；control strategy；human-computer interface

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.008

TP273

A

1000-3886(2017)01-0023-02

曹慶才(1991-)男，山東臨沂人，碩士生，從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的研究。 張真真(1991-)女，山東棗莊人，碩士生，從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究。

定稿日期: 2016-08-10