基于S7-1200 的风力发电控制系统研究

李 鸣 徐锦州 李浩然 王淑芳

北京联合大学机电学院

变桨距变速风力发电机组控制系统需要处理大量的逻辑关系和模拟量、数字量的采集。而且因为系统位于海上，无人现场值守。本项目完成变速变桨距风力发电机组的开机、自动运行及关机的控制，在自动运行的过程中，需要实现偏航、解缆、变桨及监测的控制功能。其安全运行性能为最高要求。其控制过程分为开机控制、自动运行、停机控制三部分。结果表明控制系统设计的有效性。

引言

日益加剧的全球气候变化和不可再生资源的减少，迫切需要我们国家大力发展可再生能源，降低碳排放量，保护生态环境，缓解能源危机。而风力发电是重要的可再生能源之一，一般而言，海上风场季节变化比较明显，冬季风向偏北风为主，风度变化剧烈，风速在1～30m/s 变化，平均风速为10～15m/s；夏季则以偏南风为主，风速稳定，在5～28m/s 之间变化，平均风速为10～14m/s。风力发电机要能够正常发电，在4m/s 时可启动风机等待，到风速为12m/s 时发电机转速达1500rpm，可以并网发电。而当风速达到25m/s 时会对发电机组安全性造成威胁，应停机等待风速下降。风力发电控制系统是其中重要的组成部分，不仅保证风机的正常运行，而且要从风中捕获尽可能多的能量转化为电能，平稳地送入电网。

风力发电控制系统功能要求

本课题中所控制的风机位于海上风电场中，海面风力在6 级左右，平均风速12m/s，风向随机变化，要求全自动控制和远程监控。

全自动控制包括自动启动、自动运行及自动停机，主程序需要根据各种工作状态的特征进行判断状态的转换。自动启动要求检测到风速大于启动风速时可启动风机，按照开机步骤实现风机全自动启动，包括自动偏航和调桨距并网。自动运行要求设计控制策略使风机组在运行状态、暂停状态、停机状态、紧急停机状态之间进行切换，调节电磁转矩和桨距保证功率维持在300KW 左右，发电机转速维持在1550r/min。同时要求随着风向改变自动进行偏航调节。自动停机要求风速超过25m/s 或偏航角超过1080°时自动报警，并按照停机步骤实现停机。

其中，自动偏航的主要功能是风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电效率；另一方面提供必要的风轮保护，保证风力发电机组安全运行。它需要完成自动对风、解缆控制2 种功能。因此，需要设计启动偏航迎风、运行偏航迎风、解缆等算法。

自动调桨距需要设计功率控制算法。根据发电机定子电压、电流、功率、功率因数等参数进行功率判断及桨距角控制。风机停止时桨距角在90°；风机启动时调节桨距角到0°；当风机工作在额定功率状态时，若功率超过额定功率则桨距角向迎风面积减小的方向转动一个角度，即增大桨距角。反之亦然；停机时自动调节桨距角到90°。

自动电磁转矩调节要求当风速低于额定风速时，通过控制发电机转速实行最大风能追踪，以获得最大的能量。

远程监控要求通过监测电力参数、风力参数、机组状态参数以及各种反馈信号在出现异常状况时进行停机操作，需要采集各种传感器信号以及反馈信号并通过上位监控软件显示和判断和报警，其中需要用到大量的模拟量采集。

风力发电控制系统总体控制如图1 所示。

图1 变桨距变速风力发电机系统结构图

风力发电控制系统总体方案设计

经系统分析，风力发电机控制系统需要46 点数字量输入，5 点数字量输出，11 模拟量输入，5 个模拟量输出。部分输入输出分析表如表1 所示。

表1 部分输入输出分析

由于系统在海上无人值守，需要自动运行，稳定性要求较强，而PLC 设计紧凑、成本低廉且功能强大，是控制小型应用的完美解决方案，而风机控制系统的I/O 点数不多、功能要求高，且需要考虑经济成本等因素，因此本方案选择S7-1200PLC 作为控制系统核心，上位监控采用WINCC，编程软件使用博图软件，通信方式采用以太网连接。

硬件选型和组态

由风力发电控制系统总体方案设计可知选择S7-1200PLC 作为风机控制系统的控制器。进而从扩展模块数量、性能及所使用电源等角度考虑，具体选择CPU 1214C 作为控制器，其序列号为6ES7 214-1BG31-0XB0。

软件设计

根据前期分析，将控制系统主要完成功能：自动启动、自动运行及自动停机。按照项目要求可将其分解为自动启动子模块、自动运行子模块、自动停止子模块以及运行监测子模块。主程序流程图如图3 所示。

图2 部分地址位示意图

图3 主程序流程图

其中，自动运行是重点内容，其包含运行状态、暂停状态、停机状态、急停状态以及状态之间的转换。而运行状态中桨距调节和转速调节是设计的难点。在进行桨距调节和转速调节中，采用了宏观调控与精准调节两种形式相结合，宏观调控实现将转速与功率升高或降落至规定范围内，主要途径由实验手段测试，例如：风速在18m/s 上下浮动的时候，桨距角为10°左右，电磁转矩为1765，功率维持在310KW 左右，发电机转速维持在1500r/min；而精准调节则使用PID 控制，在不同风速内使功率稳定在某一细小区间，在此调节P、I 参数即可满足需求参数。

偏航控制是风力发电机组的重点，包括开机偏航和运行中风向改变偏航。当风向角与偏航角之差（用θ 表示）在允许值θ1 的范围（-5°＜θ1＜5°）内，则不需要进行偏航控制；否则需要判断是否进行偏航控制，如何执行偏航控制。由于偏航角可以是正负1800°度范围内的值，风向角与偏航角之差存在超过半圈的情况，这种情况下，必须先将风向角与偏航角之差转换成正负半圈之内的差值，然后判断是否需要偏航，偏航时风轮到底往哪个方向转才能消耗最小的能量。自动偏航控制流程图如图4 所示。

实验结果及分析

图4 自动偏航控制流程图

图5

图6

为了更准确地观察风机运行情况，保证在系统运行中风力发电机的稳定性，在系统运行时可打开上位监控画面，观察当前的发电机转速趋势、功率趋势、风速趋势、电磁转矩趋势、桨矩角趋势。

由上图5、6 可观察到，经过调节，风速在18m/s、21m/s 上下浮动的时候，桨距角为10°左右，电磁转矩为1765，功率维持在310KW 左右，发电机转速维持在1500r/min.在不同风度的不同结果，通过调节，功率都维持在了310KW 左右，发电机转速维持在1500r/min.，此处不一一展示。

总结

本项目提出了一种300KW 变桨距恒速风力发电机组的控制器设计方案，该设计方案适用于150-800KW的中型海上风力发电机组控制。控制方案充分考虑了中型风力发电机组的特性，在保证安全运行前提下，该控制方案采用S7-1200PLC 作为控制器，上位监控采用WINCC，重点设计了偏航、桨距和转速控制，采用模糊控制和PID 稳态调节，最终实现了不同风速内功率稳定在300KW 左右。本项目提出的控制方案在海上中型风力发电机组推广使用将会产生显著的经济和社会效益。