基于E-Wind Turbine 實(shí)驗(yàn)平臺的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)

高 哲, 汪 沛, 趙艷華, 劉 婷

(遼寧大學(xué) 輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院, 遼寧 沈陽 110036)

基于E-Wind Turbine 實(shí)驗(yàn)平臺的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)

高 哲, 汪 沛, 趙艷華, 劉 婷

(遼寧大學(xué) 輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院, 遼寧 沈陽 110036)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有規(guī)模大、實(shí)際現(xiàn)場培訓(xùn)成本高、危險系數(shù)高等特點(diǎn),因此基于風(fēng)力發(fā)電仿真設(shè)備的風(fēng)力發(fā)電控制研究是十分必要的。以E-Wind Turbine實(shí)驗(yàn)平臺為例,詳細(xì)介紹了變速、變槳距雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)成與控制策略的實(shí)現(xiàn)方法?；赟7-1200系列的PLC控制器,利用PORTAL STEP 7集成開發(fā)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的偏航、轉(zhuǎn)速控制以及功率控制。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)可以有效地模擬實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各種控制要求,為風(fēng)力發(fā)電控制策略的研究提供了一種有效手段。

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)； E-Wind Turbine實(shí)驗(yàn)平臺； 變速變槳距； S7-1200系列PLC

隨著煤、石油等常規(guī)能源的減少及其帶來的環(huán)境污染等問題,可再生能源的開發(fā)和利用受到世界各國的高度重視[1]。風(fēng)能是具有可大規(guī)模開發(fā)利用的可再生能源之一，且我國的風(fēng)能資源極其豐富,風(fēng)能的開發(fā)利用潛力非常大[2]。在風(fēng)能的利用中,最完善的方案就是把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能,風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為對常規(guī)能源最具競爭力的新能源發(fā)電方式[3]。

從世界范圍看,歐洲和北美在風(fēng)力發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地位。截止2012年底,全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量已達(dá)282 587 MW[4]。從新裝機(jī)容量來看,丹麥維斯塔斯公司、西班牙Gemesa公司、德國Enercon公司、美國通用電氣公司和德國西門子公司位列前5名[5]。我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也日趨成熟,為了進(jìn)一步提高風(fēng)能利用率及風(fēng)力發(fā)電效益,大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)及海上風(fēng)電場發(fā)電技術(shù)得以迅速發(fā)展[6]。

我國在風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究方面還十分薄弱,對于風(fēng)電機(jī)組變槳距控制、變速恒頻等先進(jìn)的風(fēng)電技術(shù)的了解也不夠全面,因而,建立模擬實(shí)驗(yàn)平臺對于深入研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與開發(fā)和持久開發(fā)風(fēng)能具有重要的理論意義和指導(dǎo)說明作用[7]。本文主要介紹由西門子公司設(shè)計(jì)研發(fā)的E-Wind Turbine風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺,詳細(xì)介紹這套模擬設(shè)備的硬件組成、系統(tǒng)編程，及監(jiān)控軟件和上位機(jī)與下位機(jī)通信方式的連接。

目前,世界各地的風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組大多數(shù)是恒速運(yùn)行機(jī)組,而隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展,采用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù),通過靜止變換器給轉(zhuǎn)子提供低頻交流勵磁的雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng),以其優(yōu)良的調(diào)節(jié)特性、穩(wěn)定性、高效性以及具有深度進(jìn)相運(yùn)行能力而受到人們的重視，并得到廣泛發(fā)展。為了更加真實(shí)、有效地發(fā)揮E-Wind Turbine實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)勢,本文以變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對象,模擬風(fēng)機(jī)的啟動、偏航、轉(zhuǎn)速和功率控制以及停機(jī)等完整流程,以便使用者能夠熟練操作E-Wind Turbine實(shí)驗(yàn)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新探索的目標(biāo)。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)

1.1 變速變槳距風(fēng)力機(jī)組系統(tǒng)構(gòu)成

變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)(以下簡稱風(fēng)力機(jī))組通常包含變速發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器和變槳距機(jī)構(gòu)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

變速變距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)主要由主控制器、槳距調(diào)節(jié)器、功率控制器(轉(zhuǎn)矩控制器)組成。主控制器主要完成機(jī)組運(yùn)行邏輯控制,槳距調(diào)節(jié)器主要完成葉片槳距調(diào)節(jié),功率控制器主要完成變速恒頻控制。

變速發(fā)電機(jī)目前主要采用雙饋異步發(fā)電機(jī)。雙饋異步發(fā)電機(jī)由繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)和在轉(zhuǎn)子電路上帶交流勵磁變頻器組成[8]。發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出的功率由兩部分組成：即直接從定子輸出的功率和通過變頻器從轉(zhuǎn)子輸出的功率。風(fēng)力機(jī)的機(jī)械速度是允許隨著風(fēng)速而變化的[9]。

1.2 風(fēng)力機(jī)氣動理論

風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。由于流經(jīng)風(fēng)輪后的風(fēng)速不可能為零,因此風(fēng)所擁有的能量不可能完全被利用,只有風(fēng)的一部分能量可以被吸收而成為槳葉的機(jī)械能。根據(jù)風(fēng)能轉(zhuǎn)換原理,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出主要取決于風(fēng)速[10]。風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比,與氣流速度的立方成正比。

根據(jù)貝茲(Betz)理論,風(fēng)力機(jī)的理論最大效率CPmax(或稱理論風(fēng)能利用系數(shù))為0.593,其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能[11]。能量的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降,它隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的型式而異,因此風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)CP<0.593。風(fēng)能利用系數(shù)CP是風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸取能量的大小度量。

風(fēng)力機(jī)還有一個重要的特性系數(shù)——葉尖速比λ,為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài),用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來衡量,稱為葉尖速比[12]。最佳葉尖速比會隨風(fēng)速變化,與風(fēng)速之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系。

2 E-Wind Turbine實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2是風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及相互位置關(guān)系。風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)主要是模擬風(fēng)機(jī)發(fā)電的運(yùn)行狀態(tài),通過數(shù)學(xué)公式的運(yùn)算模擬風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性。模擬產(chǎn)生的風(fēng)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)經(jīng)Profibus/Profinet工業(yè)總線,實(shí)時傳送給編程邏輯器件PLC。Profibus-DP從站通信模塊采用泗博PM-125,該通信模塊主要有3個功能:通信連接情況診斷、數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)視、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送,其在Profibus-DP總線上的地址一般設(shè)置為7。實(shí)時數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器運(yùn)算,再將控制信號傳送給風(fēng)機(jī)模型。圖3所示是連接PC機(jī)與風(fēng)機(jī)模型的通信裝置,從左到右依次為PM-125、電源、S7-1200PLC。使用者可以在PC機(jī)上通過編程來控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行,或者可以在觸屏界面HMI中編寫程序。為了便于使用者更好地控制和監(jiān)測風(fēng)力機(jī)運(yùn)行情況,風(fēng)力機(jī)界面以3D形式呈現(xiàn),如下圖4所示,位于界面中間的是風(fēng)力機(jī)的側(cè)視圖,右上角是俯視圖,其中紅點(diǎn)代表風(fēng)向,右下角是葉尖視圖,在可以觀察到風(fēng)機(jī)槳距角的數(shù)值變化,其左右兩側(cè)分別是風(fēng)速柱狀圖和輸出功率柱狀圖,此外,界面最上方是選單(菜單)欄,這14個功能按鈕包括文件操作、模型操作、控制方式選擇、參數(shù)設(shè)置、通信和退出系統(tǒng)等。此仿真界面還可以實(shí)現(xiàn)場景漫游、觀察風(fēng)力機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)等操作。除此之外,仿真軟件還帶有自動評分系統(tǒng),在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行結(jié)束后,系統(tǒng)根據(jù)評分者事先輸入的評分標(biāo)準(zhǔn)自動評分。

圖2 風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)

圖3 通信連接裝置

圖4 風(fēng)力發(fā)電仿真軟件主界面

圖5 采集數(shù)據(jù)界面

2.2 Profibus-DP通信時的實(shí)時數(shù)據(jù)

(1) 數(shù)據(jù)的采集。通過Profibus采集風(fēng)速、風(fēng)向及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳遞給PLC。需要采集的數(shù)據(jù)見圖5,其中包括數(shù)字量信號16個、模擬量信號32個。

(2) 控制信號的傳遞。PLC在經(jīng)過運(yùn)算后,通過控制信號控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。風(fēng)力機(jī)的控制信號界面見圖6?？刂菩盘柊〝?shù)字量信號10個、模擬量信號7個。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)針對變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,基于西門子S7-1200 PLC,使用西門子博途(TIA Portal)軟件中的STEP 7 Professional V11和WINCC Professional V11完成控制程序的編寫和監(jiān)控畫面的組態(tài)。

在編寫主程序控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行之前,要對控制器進(jìn)行硬件組態(tài),完成E-WT與PLC的硬件連接。硬件組態(tài)中包括型號為1214C DC/DC/DC的CPU和通信模塊Profibus,將事先已安裝在STEP 7中的PM-125模塊與Profibus通信模塊相連,再對PM-125進(jìn)行地址配置和IO配置；然后以梯形圖的形式完成通信程序的編寫,最后將程序下載到設(shè)備,完成通信測試。

3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制

偏航主要有兩個功能:一是使風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向,通過控制風(fēng)輪的迎風(fēng)面始終與風(fēng)向垂直以實(shí)現(xiàn)最大限度捕獲風(fēng)能；二是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于偏航作用,機(jī)艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時,自動解除纏繞[13]。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無論處于運(yùn)行狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài),均要求能主動對風(fēng)。偏航系統(tǒng)是一隨動系統(tǒng),當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)輪軸線偏離一個角度時,控制系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的確認(rèn)后,會控制偏航電動機(jī)將風(fēng)輪調(diào)整到與風(fēng)向一致的方位。

偏航控制采用SCL語言編程,通過編寫代碼實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的偏航和解纜。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,利用偏航角與風(fēng)向角的差值,在-1 080°～1 080°范圍里分為12種情況討論,每180°為一種情況,通過判斷偏航角與風(fēng)向角的位置關(guān)系,控制風(fēng)機(jī)順時針還是逆時針偏航,并根據(jù)數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算決定風(fēng)機(jī)對準(zhǔn)主風(fēng)向后停止偏航的條件。值得注意的是,為了防止風(fēng)機(jī)內(nèi)部電纜線出現(xiàn)纏繞現(xiàn)象,若偏航角大于實(shí)驗(yàn)規(guī)定的3圈,則要進(jìn)行解纜操作。

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與功率控制

隨著風(fēng)速的變化,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在不同的區(qū)域,各有不同的控制任務(wù)、不同的控制方法,圖7清晰地表示了這些關(guān)系。圖中OA為啟動階段,對發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)控制,發(fā)電機(jī)無功率輸出；AB段為風(fēng)能利用系數(shù)CP恒定區(qū),機(jī)組隨著風(fēng)速作變速運(yùn)行以追蹤最大風(fēng)能；BC段為轉(zhuǎn)速恒定區(qū),隨著風(fēng)速增大,轉(zhuǎn)速保持恒定,功率將增大；CD段為功率恒定區(qū),隨著風(fēng)速增大,控制轉(zhuǎn)速迅速下降以保持恒定的功率輸出。

圖7 風(fēng)速與功率的關(guān)系曲線

根據(jù)交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域,可將運(yùn)行控制策略確定為:低于額定風(fēng)速時,實(shí)行最大風(fēng)能追蹤控制或轉(zhuǎn)速控制,以獲得最大的能量或控制機(jī)組轉(zhuǎn)速；高于額定風(fēng)速時,實(shí)行功率控制,保持輸出穩(wěn)定。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真結(jié)果與分析

4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

圖8是風(fēng)力機(jī)對準(zhǔn)主風(fēng)向后,當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min,即到達(dá)并網(wǎng)條件后對風(fēng)機(jī)的控制曲線。曲線是在基本風(fēng)速為14 m/s、加入風(fēng)向和風(fēng)速干擾的條件下采用PI控制器測得的。

圖8(a)中曲線的比例增益為0.01,積分時間為1 000 s。從圖8(a)中可以看出，曲線的超調(diào)量并不大,能夠較快地接近設(shè)定值并趨于穩(wěn)定,是較為理想的PI曲線；圖8(b)中曲線的比例增益為0.5,積分時間為1 000 s,即只增大比例增益,從圖8(b)中可以看出,與圖8(a)相比,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速衰減的速率變大,系統(tǒng)反應(yīng)加快,但曲線的超調(diào)量明顯增大,控制效果品質(zhì)變差；圖8(c)中曲線的比例增益為0.01,積分時間為5 000 s,即只改變積分時間,圖中曲線因?yàn)榉e分時間增大,較圖8(a)超調(diào)量有所減少,但轉(zhuǎn)速衰減的速率變小,調(diào)節(jié)時間變長,系統(tǒng)反應(yīng)速度變慢。

4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率控制

圖9是當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于1 500 r/min時風(fēng)機(jī)的輸出功率曲線。圖9(a)中曲線的比例增益為0.6,積分時間為100 s。從圖9(a)中可以看出，曲線在上升過程中有一定的超調(diào)量并能夠平滑地衰減至設(shè)定值,最終趨于穩(wěn)定；圖9(b)中曲線的比例增益增加到1.8,積分時間不變,通過觀察曲線可以看出,與圖9(a)相比,曲線的上升時間有所減小,曲線衰減至設(shè)定值的時間變短,即增大比例增益后系統(tǒng)反應(yīng)更加靈敏,調(diào)節(jié)速度加快；圖9(c)中曲線的比例增益不變,積分時間增加到500 s,從圖中可以看出,功率衰減的幅度變小,存在比較大的穩(wěn)態(tài)誤差,得到的功率曲線不理想。

圖8 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制曲線

圖9 風(fēng)機(jī)輸出功率控制曲線

5 結(jié)束語

本文主要介紹了由西門子公司設(shè)計(jì)研發(fā)的E-Wind Turbine風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺,在詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)備組成及開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)上,以變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究象,模擬了風(fēng)機(jī)的啟動、偏航、轉(zhuǎn)速和功率控制等完整流程,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,控制方案可行,控制結(jié)果良好。

References)

[1] 王鵬，王武，張?jiān)?風(fēng)力發(fā)電仿真實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)及應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(4)：81-82.

[2] 羅承先.世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與前景預(yù)測[J].中外能源，2012，17(3)：24-25.

[3] 李軍軍，吳政球，譚勛瓊，等.風(fēng)力發(fā)電及其技術(shù)發(fā)展綜述[J].電力

建設(shè)，2011，32(8)：64.

[4] 袁明洋，冉慶行. 風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀及其在我國中部地區(qū)的推廣研究[J]. 科技世界，2014(28)：144-145.

[5] 趙勇強(qiáng),李俊峰,許洪華.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與趨勢分析[J].中國科技產(chǎn)業(yè)，2006(2)：69-71.

[6] 胡冰.并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2014(3)：137.

[7] 金鑫.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)建模與仿真研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[8] 嚴(yán)干貴，王茂春，穆鋼，等.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行建模及其無功靜態(tài)調(diào)節(jié)能力研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2008，23(7)：98-99.

[9] 黃子龍.風(fēng)電建模及海上風(fēng)電場并網(wǎng)規(guī)劃原則研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[10] 吳吟蕭.基于風(fēng)速預(yù)估的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[11] 張毅，鄭穎楠.基于動態(tài)功率偏差調(diào)節(jié)的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略[J].電源學(xué)報，2013(2)：110-114.

[12] 陳忠維.垂直軸風(fēng)力機(jī)葉尖速比分析研究[J].可再生能源，2008，26(5)：76-77.

[13] 汪萍萍.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

Wind power control system based on E-Wind Turbine experiment platform

Gao Zhe, Wang Pei, Zhao Yanhua, Liu Ting

(College of Light Industry,Liaoning University,Shenyang 110036， China)

The large scale,the high cost of site training and the high danger coefficient are the characteristics of wind power generation system,hence it is necessary to investigate the wind power generation control based on the wind power simulation equipment.Taking the E-Wind Turbine experiment platform as an example,the structure and the implementation method control scheme of the experiment platform on the double-fed wind power generation system with the variable speed and pitch are addressed in detail.By the integrated development environment PORTAL STEP 7,the yaw,speed control and power control are achieved based on S7-1200 series of PLC.By the analysis of the experimental results,the designed wind power generation system can simulate effectively the various control requirements of the actual wind power motor,providing a very efficient means of control scheme on wind power generation system.

double-fed wind power generation system; E-Wind Turbine experiment platform; variable speed and pitch; S7-1200 series of PLC

2014- 12- 30 修改日期：2015- 01- 19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61304094)

高哲(1983—)，男，遼寧沈陽，工學(xué)博士，講師，主要從事分?jǐn)?shù)階控制系統(tǒng)、智能優(yōu)化方法及電力系統(tǒng)復(fù)雜性分析方面研究.

E-mail：gaozhe83@gmail.com

TM614

A

1002-4956(2015)7- 0091- 05