风力机输出特性的实验室模拟

2016-04-23赵仁德李忠玉何金奎

电气电子教学学报 2016年1期

关键词：风力发电风力机变频器

赵仁德，李忠玉，何金奎

(中国石油大学(华东) 信息与控制学院，山东青岛 266580)

风力机输出特性的实验室模拟

赵仁德，李忠玉，何金奎

(中国石油大学(华东) 信息与控制学院，山东青岛 266580)

摘要：为了满足高校“风力发电”课程实验教学的需要，本文以西门子S7-300PLC和S120变频器为核心，构建了风力机输出特性的实验室模拟系统。通过在S7-300PLC中实现风力机模拟算法编程，使S120变频器按照风力机的输出特性对电动机的转矩进行控制。稳态和动态实验结果验证了风力机模拟的有效性。

关键词：风力机；风力发电；变频器

Establishment of a Lab Simulator of Wind Turbine

ZHAO Ren-de, LI Zhong-yu, HE Jin-kui

(CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580，China)

Abstracts: A lab simulator of wind turbine is established based on Siemens S7-300PLC and S120 frequency converter to fulfill the requirement of experiment teaching in Wind Energy Generation course in university. Simulation algorithm is implemented by programming in S7-300PLC. The output torque of the electrical motor is controlled according to the wind turbine output characteristic by S120 frequency converter. The steady state and dynamic experiments were carried out and the results show the validity of the lab simulator.

Keywords:wind turbine； wind energy generation； frequency converter

0引言

随着国家对可再生能源重视程度的提高，各高校相继开设了“风力发电”课程。该课程需要实验环节配套，而如何在实验室中模拟风力机的输出特性，是“风力发电”实验教学的关键问题。

很多文献对风力机模拟的原理进行了阐述，而且提出了各种风力机实验室模拟的方案，如基于直流电动机的风力机模拟[1,2]，基于异步电动机的风力机模拟等[3-5]。这些方案均需要研制相应的电动机控制器，实现难度较大，更适合于科研，而不太适合于本科教学。为此，本文设计了一种基于西门子S7-300 PLC、S120变频器和三相异步电动机的风力机输出特性模拟方案，学生通过PLC编程就可以实现风力机的模拟。

1风力机的输出特性

设空气密度为ρ，风轮叶片半径为r，风速为v，风力机的转速为ωwt。则风力机轴上输出的机械功率和机械转矩为

Pmech=0.5Cp(λ,β)ρr2v3

(1)

(2)

式中Cp(λ,β)是风能利用系数，它反映风力机吸收风能的效率。当风速确定时，风力机吸收的风能只与风能利用系数有关。由文献[6]可知：

(3)

其中，

(4)

叶尖速比λ是风轮叶片尖端的线速度与风速之比：

(5)

当桨叶节距角β不变时，风能利用系数Cp(λ,β)是叶尖速比λ的函数，如图1所示，存在着一个最佳叶尖速比λopt，对应最大风能利用系数Cpmax。

图1　风能利用系数与叶尖速比的关系

2风力机模拟的原理

根据公式(2)～(5)给出的风力机输出转矩与风速、风轮半径、桨叶节距角、空气密度和风轮转速之间的关系可知，在空气密度和风轮半径已知的情况下，风力机的输出转矩只与风速v、桨叶节距角β和风力机转速ωwt有关。从而得到如图2所示的风力机模拟的原理示意图。设定风速v、桨叶节距角β以及实时测得的电动机转速ωwt，根据风力机模型计算电机的转矩指令，对电机进行转矩闭环控制，可实现风力机输出特性的模拟。电机转矩控制的动态响应和精度决定了风力机模拟的效果。

图2　风力机模拟原理示意图

3风力机模拟的实现

根据图2给出的风力机模拟原理，以西门子S7-300 PLC和S120变频器为控制核心，构建了风力机的实验室模拟系统，如图3所示。上位机通过工业以太网(Ethernet)与S7-300 PLC建立通信，主要起人机交互的作用，设置风速、桨叶节距角等参数，控制风力机模拟的起、停，并把PLC返回的系统运行状态进行显示。S7-300 PLC根据编码器测得的转速信息，进行计算，得到转矩指令，将转矩指令通过工业现场总线(PROFIBUS)传送到S120变频器，S120变频器通过对异步电动机的转矩闭环控制，实现对风力机输出特性的模拟。

图3　风力机实验室模拟系统的构成

具体实施方案如下：

(1)监控界面：利用西门子组态软件WinCC对监控画面进行组态设计。人机交互界面在WinCC/Graphics Designer中创建，界面中涉及的变量在WinCC/Tag Management/SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE中定义，为完成上位机与PLC之间的通信，选择在TCP/IP连接方式下创建变量组。变量的名称、大小与PLC中变量相同，即可实时对PLC中变量实施操作。

(2)S7-300 PLC的相关设置：PLC是整个控制系统的枢纽，实现变频器控制、风力机数学模型建立以及与上位机数据传递的功能。S7-300 PLC采用结构化编程，可以调用系统集成的程序块SFC58、SFC59 ，通过PROFIBUS非周期性通讯方式读取变频器参数，在其参数应答表中设置参数值与控制字，可读取S7-300变频器中电流、转速等信息。系统功能块SFC14可设置变频器给定转矩参数p2003与给定转速参数p2000。风力机数学模型的建立通过SCL程序实现，将上位机通过工业以太网传递的设置参数如风速v、风轮半径r经公式(2)～(5)计算得到给定转矩值Tref，功能块SFC14获取Tref的地址即可实现变频器转矩给定。

(3)S120变频器的相关设置：在西门子变频器配置软件SIMATIC Manager/S7T Config中，转速/转矩控制切换与参数r2090关联，相应位置1即可选择转矩闭环控制。风力机数学模型计算得到的转矩，可通过在转矩设定点转矩设定值关联参数r2050实现转矩的给定。

4实验结果

为验证风力机模拟的有效性，进行了稳态和动态实验研究。设定空气密度为1.29 kg/m3，风轮半径为5米，桨叶节距角为0°。实验结果如图4和图5所示。

图4为风速6 m/s时，风力机输出的转矩与功率随系统转速变化的曲线，图4(a)中曲线1为计算得到的风力机的输出转矩曲线，即发给S120变频器的转矩指令，曲线2为实测的异步电动机输出转矩曲线，由图可以看出，曲线2与曲线1之间的误差很小，这说明，实际输出转矩能够很好地模拟风力机的输出转矩。图4(b)为异步电动机输出功率随转速变化曲线，符合风力机的输出特性。

(a)转矩曲线　　　　　(b)功率曲线图4　风速6m/s时风力机输出的转矩与功率曲线

图5为风速从5 m/s突变为6 m/s时，风力机模拟系统的输出转矩和功率随转速变化的曲线，图5(a)中曲线1为风速为5 m/s时计算得到的风力机的输出转矩曲线，曲线2为风速为6 m/s时计算得到的风力机的输出转矩曲线，曲线3为实测的异步电动机输出转矩曲线，由图可以看出，风速变化时，曲线3能够快速地从跟踪曲线1变化为跟踪曲线2而且跟踪的速度较快，这说明，实际输出转矩能够快

速、准确地模拟风速变化时风力机的输出转矩。图5(b)为两种风速切换时异步电动机输出功率随转速变化曲线，符合风力机的输出特性。