基于IPC的风力发电机组主控系统设计

曹庆才，张真真

(沈阳华创风能有限公司,山东 青岛 266000)

基于IPC的风力发电机组主控系统设计

曹庆才，张真真

(沈阳华创风能有限公司,山东 青岛 266000)

以西门子IPC427C为控制器设计了1.5 MW双馈风力发电机组主控系统，详细介绍了该控制系统的结构、控制策略和人机界面。经现场运行表明，该控制系统稳定、可靠，实际应用效果良好。

IPC427；风力发电；主控系统；控制策略；人机界面

0 引 言

研究风电技术，不仅可以缓解传统能源的危机，而且可以有效减少环境污染。目前，随着风力发电机的发展，如何提高风能的转换效率，实现风机更稳定可靠的运行成为风电行业关注的重点[1]。变速恒频风力发电机组因较高的风能利用系数，应用越来越广泛，对其控制系统的设计受到风电行业越来越高的关注，其中，IPC427C作为嵌入式 PC系统提供，具有预先安装的软件WinAC RTX和可视化软件WinCC flexible，能够全天24小时无间断免维护高效和稳健的运行[2]，在双馈风力发电机组控制系统中得到广泛应用。

由于风力发电机组所处环境风力较大，安全稳定的控制技术显得尤为重要，本系统选择西门子IPC427C工业控制器作为核心，采用ET200S从站采集信号，通过Profinet和Profibus等多种通信方式，开发设计了1.5 MW双馈风力发电机组主控系统。该系统能够完成风力机组的自动控制，且能够实现将采集到的数据、故障Buffer等存储到数据库的功能。经现场运行表明，该控制系统安全、可靠，应用前景广阔。

1 系统说明

1.1 系统方案设计

整个主控系统主要由三部分组成：第一部分是主控制器和ET200S；第二部分是触摸屏，第三部分是通讯网络。系统结构如图1所示。

1.2 系统结构分析

(1)主控制器和ET200S

该部分是整个主控系统的核心，由主控制器和ET200S站组成。主控制器采用西门子IPC427C。IPC427C是功能强大的嵌入式工业PC，尤其适合用于节省空间地实施高速 I&C、HMI和通讯任务，通过与各风机部件交互信息来实现对各风机部件的管理，最终实现对风机的智能控制与监控。

ET200S是西门子的远程IO模块，负责塔底和机舱信号传输，它上面没有CPU，通过交换机与主控制器连接，实现远程控制的功能。

图1 系统结构图

(2)触摸屏

触摸屏是本地人机界面，机舱使用西门子KTP1000 PN触摸屏，通过网线与机舱交换机相连。塔底触摸屏通过DVI视频连接线与IPC的DVI接口相连，机舱及塔底触摸屏都支持控制风机启机、停机、参数设置、手动控制、部件测试等功能。

(3)通讯网络

每台风机配备三个交换机，机舱交换机、塔底交换机和环网交换机。机舱触摸屏和ET200S站通过Profinet连接机舱交换机。主控制器和塔底通过Profinet与塔底交换机相连。塔底交换机再通过光纤连接机舱交换机。环网交换机通过光纤与风场中的其他风机组成环形网络，将风机信息传输到监控中心，实现风机远程控制。机舱与变桨控制器之间通过CANopen进行通讯。

2 主控系统控制策略

1.5MW双馈风力发电机组的主控系统控制策略的核心是在运行风速范围内，确保系统的安全稳定运行；低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获得最大风能；高风速时，限制风能的捕获，保持机组的输出功率为最大值，并保持输出功率稳定[3]。

叶尖速比直接影响风轮捕获风能的能力，即影响风能系数Cp值的大小。变速双馈风力发电机组的风轮，随着风速的变化风轮的转速是变化的，可以通过控制风轮的转速，使风轮在叶尖速比恒定在最佳叶尖速比λopt下运行，从而风轮可以在较大的风速范围内保持Cpmax下运行如图2所示叶尖速比与风能利用系数关系趋势图，即风轮的空气动力特性[4-5]。

图2 叶尖速比与风能利用系数关系趋势图

主控系统控制策略的核心设计，可以由转速控制器的设计和变桨距控制器的设计充分体现[6-7]，如图3所示。

图3 风力发电机组主控系统控制策略框图

发电机并入电网前，发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制；发电机并入电网后，速度控制器B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定，使机组处运行在最佳叶尖速比曲线上。

3 监控系统设计

华创西门子HMI人机界面基于西门子WinCC flexible组态软件构建。WinCC flexible是一款面向机器的自动化概念的HMI软件，用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。WinCC flexible集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已被证明是一款高效、稳定、简洁的组态软件[8]。

本系统的主要功能包括：风机的启机、停机、复位和安全链复位；数据的采集﹑监控和故障报警；不同权限下风机参数的修改；事件记录和Buffer获取。系统主界面如图4所示，它可以可靠的监控风力发电机组的运行，方便电厂管理。

图4 系统主界面

调用新疆哈巴河风电场33#风机近一个月的功率曲线，如图5所示，可以看出，风机功率曲线良好，完全满足实际要求。

图5 功率曲线图

4 结束语

本系统在华创风能多个使用1.5 MW双馈风机的风场得到应用，运行情况良好。这种以西门子IPC427C工业控制器作为核心开发的风力发电机组主控系统，实现了对风机的24小时实时智能控制，提高了风能的利用率，保证了风机安全稳定的运行，具有极高的行业推广价值。

[1] 张玉杰.基于IPC的风电机组智能控制与仿真技术研究[D].内蒙古:内蒙古科技大学,2014.

[2] 马琼雄,吴向磊,李琳等.基于IPC的开放式工业机器人控制系统研究[J].机电产品开发与创新,2008,21(1):17-19.

[3] 刘军,何玉林,李俊.变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真[J].电力系统自动化,2011,35(5):82-86.

[4] 王惠斌,徐建军,代文灿.基于PID控制器的兆瓦级变桨距风力发电机组控制策略的研究[J].电器开关,2009,47(3):55-57.

[5] 周彦飞,唐述刚.变速恒频风力发电机组控制策略研究[J].风电技术,2011,53(6):53-57.

[6] 姚兴佳.风力发电机组理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2012.

[7] 李建林,许洪华,邵桂平.1.5MW双馈式变速恒频风电机组控制系统研究[J].电力设备,2008,9(11):9-12.

[8] 王君元,李春明.WinCC flexible在人机界面组态中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化,2014,20(10):97-99.

为了你和家人的健康，请不要吸烟。

一时的快乐，永恒的伤痛——请勿吸烟。吸烟是继战争、饥饿和瘟疫之后，对人类生存的最大威胁。

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

曹庆才(1991-)男，山东临沂人，硕士生，从事风力发电机组控制系统的研究。 张真真(1991-)女，山东枣庄人，硕士生，从事风力发电机组远程控制系统的研究。

定稿日期: 2016-08-10