基于PLC的变速恒频风力发电机控制系统设计

刘朝杰， 李小孟， 陶学恒， 刘勇， 张书策

（1.大连华锐重工集团股份有限公司，辽宁大连116013；2.大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连116034）

0 引言

风力发电行业高速发展，风力发电技术也不断提高。在风力发电技术的发展过程中，控制技术始终起着主导作用，并且随着风力发电技术的发展，其重要性更加突出［1］。最近几年，进入风力发电领域的变速恒频风力发电机组已成为风力发电的主流机型，其主要特点是在变桨距风力发电机组的基础上采用了转速可以在大范围变化的双馈式异步发电机及相应的电力电子技术，通过对最佳叶尖速比的跟踪，使得风力发电机组在所有的风速下均可获得最佳的功率输出［2］。

本文基于双馈式异步变速恒频风力发电机机型，以西门子PLC为控制核心，结合组态上位机完成了风力发电机的控制系统设计。

1 风力发电机的总体结构

图1 双馈异步变速恒频风力发电机组总体结构

双馈式异步变速恒频风力发电机主要由叶轮、增速箱、双馈异步发电机、变桨系统、偏航装置、冷却系统、并网电路以及控制系统等部分组成。叶轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转换成机械能。叶轮通过增速齿轮箱带动发电机。偏航装置和变桨系统分别实现发电过程中的对风和桨距角调节功能［3］。

2 控制系统组成

控制系统是风力发电机组实现安全可靠运行以及获得高发电率的关键，实现如偏航、齿轮箱、发电机、主轴、制动系统和变流系统等各大部件在不同工况条件下的协调控制以及在故障情况下的报警和保护。

控制系统的结构框图如图2所示，控制系统包括PLC系统、PC上位机监测系统、偏航系统、变距系统、并网控制器、变流系统、数据采集接口及其它功能执行器。PLC作为控制系统的核心，与其它各部分联系密切，共同来实现风力发电机的控制任务。

图2 控制系统结构框图

3 控制系统硬件设计

变速恒频风力发电机组的控制系统较复杂，以西门子S7-1200PLC为控制核心，并采用上位机作为人机界面来实现系统监测、命令及数据输入、数据报表统计等功能。整个风力发电机组控制系统有13点数字量输入、30点模拟量输入，4点模拟量输出和7点模拟量输出。PLC选用S7-1200系列的CPU1214C模块,该CPU模块有14点数字量输入、10点数字量输出和2点模拟量输入，因此还需要扩展模拟量模块。根据系统的模拟量点数，PLC外扩4块SM12318*AI模块和1块SM12324*AQ模块。控制系统的PLC外部接线如图3所示。

图3 控制系统PLC外部接线图

上位机作为风机系统和操作人员交换信息的设备，是不可或缺的。PLC和上位机通过以太网进行通讯。上位机通过WinCC组态，因为WinCC中没有S7-1200的驱动，所以两者的连接只能用OPC的方式通讯，S7-1200作为Sever端，设置IP，上位机作为Client端，通过SIMTIC NET 建立 PC Station 来与 S7-1200 通讯［4］。

4 控制系统软件设计

4.1 基本控制策略

变速恒频风力发电机组的主要特点是：在额定风速之下，在最大升力桨距角位置，调用发电机、叶轮转速，保持最佳叶尖速比，达到最大风能捕获效率；在额定风速之上，配合变桨机构，最大恒功率输出［5］。

在不同的风速段、不同的工作条件下，采用不同的控制方法调整机组的运行状态，可使机组工作曲线表现出预期的工作特性，在安全条件下获得高发电率。图4为变速恒频风力发电机的理想运行状态曲线图。随着风速的变化，风力发电机组运行在不同的区域，各有不同的控制任务、不同的控制方法。

图4 变速恒频风力发电机的运行状态曲线

图4中OA段为风机启动阶段，对发电机进行启动并网控制，发电机无功率输出；AB段为Cp恒定区，机组随着风速作变速运行以追踪最大风能；BC段为转速恒定区，随着风速增大，转速保持恒定，功率将增大；CD段为功率恒定区，随着风速增大，控制转速迅速下降以保持恒定的功率输出。其几个运行区域的Cp值变化情况如表1所示［6］。

表1 运行过程的Cp值变化情况

4.1.1 启动控制

房丙午 男，1974年生于安徽枞阳.现为南京航空航天大学计算机科学与技术学院博士研究生，副教授.主要研究方向软件工程、软件系统安全性分析.

风机的全自动启动是风电机组发电能并网发电的前期保证。当风速大于额定切入风速4 m/s时，风电机组允许进行启动。测得风速大于切入速度后，风电机组首先进行偏航控制，确保风机正对风向。当风向角和偏航角之差不超过5°时，风机将桨距从90°调整为0°附近，使桨叶迎风。在变桨过程中，应始终使桨叶的提升力大于0，从而使风轮转速不断变大，以达到额定转速附近。发电机转速在达到1000 r/min时考虑并网。

但需注意，在桨距角变化时应依据风速和转速进行控制，如果桨距角变化过快，会导致桨叶受到的阻力>升力，则风机无法正常启动。在变桨过程中，应始终使桨叶的提升力大于0。本系统采用的设计方法是：变桨系统先将桨距角快速转到30°，当转速从0转到500 r/min时，再将桨距角给定值线性地减小到0°。这样转子不仅具有高启动力矩，还能在风速快速增大时实现快速启动。

4.1.2 转速控制

当风力发电机组并网后运行在额定风速以下时，通过转矩控制实现对发电机转速的调节，来追踪最佳CP曲线。由风力机组的能量转换系统模型知：

当风轮运行在最佳转速时，

式中，TR为叶轮转矩，PS为风力机的有功功率，Ωopt为风轮最佳转速。

另外，风力机的有功功率还满足

式中：ρ为空气密度；v为风速，且 v=ωr/λ；S 为气流扫掠面积；CP为风能利用系数。

由上两式及 ωopt=N·Ωopt，T=TR/N，得

式中，T 为发电机转矩，R 为叶轮半径，CP（MAX）为最优功率系数，S为最优发电机转速，CP为最优的叶尖速比，N为齿轮箱变速比，k为最优模态增益。

由式（3）知，为使风机沿最佳效率曲线运行，发电机的转距应按照转速的二次方来进行设置［7］。

在追寻最大功率曲线时，本系统采用的方法是：事先根据叶片特性等计算出最优的叶尖速比λopt和最优功率系数CP（MAX），将它们作为固定值设置在控制器中，于是由测量到的发电机转速即可得知获得最大功率下的理想发电机电磁转矩。转矩控制采用PI基本控制方式。

4.1.3 桨距控制

变速恒频风力发电机的桨距控制主要包括两部分：一是风力发电机启动时，使风机的桨距角从90°调到0°；二是在风机达到额定功率时，风力发电机组通过主动变桨来保持额定功率，即使风速再大，发电机的有功功率也能保持恒定。

当功率大于额定功率时，风力发电机组就会主动变桨控制，即通过叶片和轮毂之间的轴承转动叶片来减小迎角，由此减小翼型的升力，从而达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。变桨距风力发电机组的桨叶桨距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的。主动变桨控制也采用PI控制，但其PI控制器的KP是随桨距角β变化的，其形式为

式中，Ti为积分时间常数；增益G为桨距角β的非线性函数。在控制实行时，采用查表法。

4.2 控制系统的P L C程序设计

PLC 的程序设计采用TIA Portal V11编程软件，通过以太网接口向PLC中下载程序。程序设计采用模块化设计方式，除主程序块OB1外，还有用于实现数据转换、偏航控制、解缆等功能的多块FC、FB功能块。转速控制和桨距控制均采用PID控制方式，因此程序还设有定时循环中断OB。系统的程序流程图如图5所示。

5 上位机监控系统设计

图5 PLC工作控制程序流程图

上位机利用SIMATIC WinCC软件进行组态，其监控界面如图6所示。通过上位机监测系统，操作人员不仅可以监测风力发电机的运行状态、风力参数、电力参数、并网状态等，还可以向PLC传输控制命令，如启动、紧急停车、解缆等命令。另外，通过组态上位机还可以实时记录系统的发电量等数据，供操作人员查询［8］。

图6 上位机监测界面

6 结语

本文在对双馈异步风力发电机组的工作原理和控制机理进行分析和研究的基础上，设计了一种基于PLC和上位机监测系统的控制系统，此控制系统运用合理的转速控制、桨距控制策略以及PID控制等控制算法，实现了双馈异步风力发电机的安全稳定运行，且发电机组发电效率高。此控制系统的设计对风力发电机的控制技术的研究具有一定的参考意义。

［1］ 叶杭治.风力发电机组监测与控制［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［2］ 陈福佳.双馈式风力发电机及其控制系统的研究［D］.北京：华北电力大学，2012.

［3］ 何玉林，刘军，李俊，等.变速变桨距风力发电机组控制策略优化［J］.电力系统保护与控制，2011，39（12）：55-59.

［4］ 梁绵鑫，罗艳红，边春元，等.WinCC基础及应用开发指南［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［5］ 刘其辉.变速恒频风力发电系统运行与控制研究［D］.杭州：浙江大学，2005.

［6］ 雷春雨.风力发电机叶轮转速的控制方法与实现［D］.镇江：江苏科技大学，2013.

［7］ 林志明，潘东浩，王贵子，等.双馈式变速变桨风力发电机组的转矩控制［J］.中国电机工程学报，2009，29（32）：118-122.

［8］ 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCC V6［M］.北京：北京航天航空大学出版社，2004.