基于PLC的大型风电机组主控系统的设计

张 楠,潘德源

(山西大同大学 机电工程学院,山西 大同 037003)

随着现代工业的快速发展，风能作为清洁且可再生的能源进入了人们的视野，经济效益日益显现[1]，可编程控制技术(PLC)也被广泛应用到包括风力发电等多个领域。众所周知，风力发电过程中存在风向改变的随机性较大、风力大小不稳定等不确定性，通过PLC对发电机组进行启动控制、偏航控制、温度控制、变压器控制，可实现对发电系统的控制[2]。

1 风电机组主控系统整体设计

主控系统是整个风力发电机组的核心部分，它控制着风电机组中每一个模块的运行状态，通常由多个检测模块，数据处理模块，程序控制模块和执行部件模块组成[3]。

1.1 发电机启动模块

发电机启动模块是风电机组的“总开关”[4]。机组启动后风速传感器将对环境参数进行采集，然后把所采集的风速模拟值送至PLC，进行A/D转换后做数据对比。若此参数不在设定范围内，PLC报警，人工停机；如果此参数在设定的范围内，发电机启动模块动作，系统开始运行。风力发电机组主控系统示意图见图1。

图1 风力发电机组主控系统示意图Fig.1 Wind turbine master control system

1.2 偏航控制模块

偏航控制模块要实现的功能是通过控制偏航电机使风轮平面与风向垂直，以达到风能的最大利用率。工作时通过检测装置采集外界风向参数，将此参数送至PLC并做A/D转换后，PLC以此计算风向夹角，并与设定值进行比对，判断是否需要调整叶片角度。如果需要调整，PLC会对偏航驱动装置发出控制信号，偏航驱动装置根据所接收到的信号要求改变角度，使风向夹角达到最佳[5]。在本次设计中机舱水平轴与风向夹角处于145°～215°范围内的偏航控制，控制流程叙述如下：PLC首先发出偏航电机启动信号，当偏航电机启动后，发电机经制动停止。偏航电机共有两个，一个驱动风轮向右偏航，另一个驱动风轮向左偏航。当风向与水平轴夹角介于145°～180°之间时，驱动风轮向右偏航的电机工作；当风向与水平轴夹角介于180°～215°之间时，驱动风轮向左偏航的电机工作。PLC通过控制偏航电机持续工作时间来达到驱动风轮修正角度的目的，通过计算旋转角度对应所需时间能够知道，当叶片偏转10°通常需要30 s，这主要是由电机的工作频率以及齿轮的齿数所决定的[6]。

1.3 温度控制模块

本设计中温度控制采用闭环控制，温度检测装置将机舱环境参数送至PLC，A/D转换之后，与设定值进行比对。机舱内各部件的温度受气体压力的波动影响，稳定性较差，使用闭环控制能够最大程度抑制各种干扰因素的影响，使控制更加有效[7],机舱和塔架内部温度闭环主控系统示意图见图2。

图中sp(t)是给定值,pv(t)是温度传感器的反馈值,由此我们可以得到一个PID控制的关系,如公式(1)所示:

(1)

式中:Kp为比例系数,Ki=Kp·T/Ti,T为采样周期,Kd=Kp·Td/T。

分解开来:

1)比例调节器

y(t)=Kp·e(t) .

式中:e(t)为当前的温差,y(t)为当前输出的控制信号。

2)积分调节器

式中:Ti为积分时间。

3)微分调节器

y(t)=Kd·d(e(t))/dt,Kd=Kp·Td.

式中:Td为微分时间。

为了能够更好的对上述公式进行处理,就必须将连续的算式离散化为周期采样偏差算式,如公式(2)所示:

y(k)=y(k-1)+(Kp+Ki+Kd)·e(k)-(Kp+

2Kd)·e(k-1)+Kd·e(k-2) .

(2)

式中:y(k)为当前输出的控制信号;y(k-1)为前一次输出的控制信号;e(k)为当前的温差;e(k-1)为一次前的温差;e(k-2)为二次前的温差。

使用PID控制,关键在于确定PID控制参数。在生产现场中,PID参数基于工程经验来进行反复测试,从0开始逐步增加微分常数,与此同时对比例系数和积分时间进行整定,经过反复的测试,最终确定比例系数为0.1,积分时间为3.0,实验过程中,温控系统出现了滞后性的特点,最终确定微分系数为0.0,采样时间定为0.1 s。确定了PID控制参数后,即可用公式(1)中设置参数并计算,参数整定之后阶跃响应见图3。

图3 温控PID参数整定阶跃响应图Fig.3 Step response of parameter setting of temperature control PID

本系统机舱与塔架的环境相似，可采用相同的参数值，在机舱和塔架内设有两个温度控制单元，具体控制流程如图4所示，启动送风电动机，打开进气阀，冷空气开始对室内降温，持续一段时间后关闭闸门。为了使控制室内温度恒定，每隔一定时间进行排气，按下停止按钮后，关闭电机和排气门。

图4 温度闭环控制流程图Fig.4 Temperature closed-loop control flow chart

本温控系统中设有两个温度测量输入点，两个冷却电机工作测量输入点，两个排气阀工作测量输出点，一个模拟量输入模块EM231监测风速、风向、机舱和塔架内部温度，而另一个模拟量输出模EM232监测机舱和塔架内部进气阀进气状态，进气阀内设有三个控制按钮，分别实现启动、停止和急停，温控系统如图5所示。

图5 温控系统图Fig.5 Temperature control system

1.4 变压器控制模块

变压器控制模块的作用就是要保证发电机的电压为标准电压。变压器启动之前须保证发电机正常运行;当变压器要停止时,需要先停止发电机运转,然后再按下变压器停止按钮。变压器控制流程如图6所示。

图6 变压器控制流程图Fig.6 Transformer control flow chart

2 系统程序设计

风机主控系统主要流程如图7所示。当发电机正常启动后,首先是偏航自动控制,保证获得最大风能利用;然后是针对机舱和塔架内部温度进行PID控制,最后进行变压器控制,图8为偏航控制系统的顺序控制流程图。

图7 系统流程框图Fig.7 System flow chart

图8 偏航控制系统的顺序控制流程图Fig.8 Sequence control flow chart for yaw control system

2.1 发电机启动控制程序设计

发电机启动程序中包括主控系统的总开关、所测环境风速的模拟值、与系统中预设风速值的比对、启动偏航电机和显示等几部分,图9为系统总启动、模拟量转换梯形图。

发电机启动程序中需要进行A/D转换,转换关系式如公式(3)所示:

A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0.

(3)

式中:A为模拟量值;D为数字量值;Am-A0表示模拟量标准电信号值,可以有仪表读出;Dm-D0表示转换后数值,这个数值大小与模拟量标准电信号呈线性对应关系,将公式(2)逆应用,可以得到需要的数字量。

图9表示了风速模拟量转换过程,得到风速数字量VD220,PLC拿得到的VD220数值与允许正常启动风速数值进行比对,如果符合风速范围,发出启动指令,输出点Q0.0输出高电平,驱动发电机启动;否则,输出点Q0.5输出高电平,发出报警指令。

图9 系统总启动、模拟量转换梯形图Fig.9 Ladder diagram of system startup and analog signal conversion

2.2 偏航主控系统程序设计

将此次设计偏航角度范围分成7部分：145°～215°时分别对应继电器M0.3—M1.1，如图10所示，当风向与水平轴夹角处于145°～155°时，中间继电器M0.3输出高电平，Q0.2输出高电平，计时器T37同时启动，Q0.2输出高电平后形成自锁，向右偏航电机持续工作90 s，当计时器T37计时停止，时间继电器断开，Q0.2自锁解除，停止输出高电平，向右偏航电机工作结束，表示已驱动风轮对准风向(在误差范围内)。其他角度的控制与上述类似，不再赘述。当角度处于171°～189°时，表示风向与风轮所在平面近乎垂直，此时风向处于合理误差范围内，PLC接收相应信号后在中间继电器M0.6输出高电平，并在输出点Q0.4输出高电平，风向合适指示灯工作。当风向处于189°～215°时，工作程序与在145°～171°时相似，只是输出点位驱动电机不同，此时工作电机为左偏航电机，限于篇幅，也不做赘述。

2.3 温度控制程序设计

在此次主控系统设计中，总体来讲，温度控制设计相对最为复杂。针对机舱和塔架两部分温度控制，这里采取机舱温控加以初步设计，图11表示机舱温度控制梯形图。在机舱温度控制程序中，机舱温控启动按钮占用输入点位I1.0，停止按钮占用输入点位I1.1，急停按钮占用输入点位I1.2，使用M2.0中间继电器，M2.0使用置位复位指令，同样实现自锁功能，占用输出点位Q1.0对冷却机发出控制指令。当I1.0为高电平，中间继电器M2.0置位，Q1.0闭合，机舱温度主控系统启动；当I1.1为高电平，中间继电器M2.0复位；当发生突变情况时，按下急停按钮，I1.2为高电平，Q1.0复位，同时停止所有输出，冷却机停止工作，机舱温控系统停止。当检测到的温度大于设定值，则控制输出模块EM232输出对应模拟量AQW0，使机舱进气阀继续进气；当检测到温度小于等于预设值，则置I1.2为0，使机舱温控系统停止。因塔架内部温度控制方式与此相似，不再赘述。

图10 偏航角度顺序控制梯形图Fig.10 Ladder diagram of yaw angle sequence control

2.4 变压器控制程序设计

变压器启动模块设计中，变压器启动之前要保证发电机启动，防止损坏变压器，所以变压器控制程序中采用了常见的“起保停”设计，同时在设计中加入了变压器自锁功能，这种设计相对来说比较简单。当发电机正常运行时，启动语句中的常开触头闭合并自锁，在停止语句中的常闭触头断开，输出高电平驱动变压器启动；需要停止变压器时，按下停止按钮，停止语句中的常开触头闭合并自锁，在启动语句中的常闭触头断开，输出高电平驱动变压器停止。

图11 机舱温度控制程序图Fig.11 Cabin temperature control diagram

3 结束语

通过应用PLC对风电机组主控系统进行优化调整，对发电机的启停控制，不同风速时叶片的偏航控制、机舱和塔架的内部温度控制以及变压器电压控制等环节进行程序设计，对机组叶片偏航角度范围控制塔架、机舱的温度控制着重分析，基于可编程控制器的控制系统，结构简单，编程方便，抗干扰能力强，可靠性较高，维护方便，可以有效提高风能利用效率，对于提高风电机组的发电量，减小风电成本具有重要意义。