基于PLC的大型風(fēng)電機組主控系統(tǒng)的設(shè)計

張 楠,潘德源

(山西大同大學(xué) 機電工程學(xué)院,山西 大同 037003)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)能作為清潔且可再生的能源進(jìn)入了人們的視野，經(jīng)濟效益日益顯現(xiàn)[1]，可編程控制技術(shù)(PLC)也被廣泛應(yīng)用到包括風(fēng)力發(fā)電等多個領(lǐng)域。眾所周知，風(fēng)力發(fā)電過程中存在風(fēng)向改變的隨機性較大、風(fēng)力大小不穩(wěn)定等不確定性，通過PLC對發(fā)電機組進(jìn)行啟動控制、偏航控制、溫度控制、變壓器控制，可實現(xiàn)對發(fā)電系統(tǒng)的控制[2]。

1 風(fēng)電機組主控系統(tǒng)整體設(shè)計

主控系統(tǒng)是整個風(fēng)力發(fā)電機組的核心部分，它控制著風(fēng)電機組中每一個模塊的運行狀態(tài)，通常由多個檢測模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，程序控制模塊和執(zhí)行部件模塊組成[3]。

1.1 發(fā)電機啟動模塊

發(fā)電機啟動模塊是風(fēng)電機組的“總開關(guān)”[4]。機組啟動后風(fēng)速傳感器將對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，然后把所采集的風(fēng)速模擬值送至PLC，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后做數(shù)據(jù)對比。若此參數(shù)不在設(shè)定范圍內(nèi)，PLC報警，人工停機；如果此參數(shù)在設(shè)定的范圍內(nèi)，發(fā)電機啟動模塊動作，系統(tǒng)開始運行。風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Wind turbine master control system

1.2 偏航控制模塊

偏航控制模塊要實現(xiàn)的功能是通過控制偏航電機使風(fēng)輪平面與風(fēng)向垂直，以達(dá)到風(fēng)能的最大利用率。工作時通過檢測裝置采集外界風(fēng)向參數(shù)，將此參數(shù)送至PLC并做A/D轉(zhuǎn)換后，PLC以此計算風(fēng)向夾角，并與設(shè)定值進(jìn)行比對，判斷是否需要調(diào)整葉片角度。如果需要調(diào)整，PLC會對偏航驅(qū)動裝置發(fā)出控制信號，偏航驅(qū)動裝置根據(jù)所接收到的信號要求改變角度，使風(fēng)向夾角達(dá)到最佳[5]。在本次設(shè)計中機艙水平軸與風(fēng)向夾角處于145°～215°范圍內(nèi)的偏航控制，控制流程敘述如下：PLC首先發(fā)出偏航電機啟動信號，當(dāng)偏航電機啟動后，發(fā)電機經(jīng)制動停止。偏航電機共有兩個，一個驅(qū)動風(fēng)輪向右偏航，另一個驅(qū)動風(fēng)輪向左偏航。當(dāng)風(fēng)向與水平軸夾角介于145°～180°之間時，驅(qū)動風(fēng)輪向右偏航的電機工作；當(dāng)風(fēng)向與水平軸夾角介于180°～215°之間時，驅(qū)動風(fēng)輪向左偏航的電機工作。PLC通過控制偏航電機持續(xù)工作時間來達(dá)到驅(qū)動風(fēng)輪修正角度的目的，通過計算旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)所需時間能夠知道，當(dāng)葉片偏轉(zhuǎn)10°通常需要30 s，這主要是由電機的工作頻率以及齒輪的齒數(shù)所決定的[6]。

1.3 溫度控制模塊

本設(shè)計中溫度控制采用閉環(huán)控制，溫度檢測裝置將機艙環(huán)境參數(shù)送至PLC，A/D轉(zhuǎn)換之后，與設(shè)定值進(jìn)行比對。機艙內(nèi)各部件的溫度受氣體壓力的波動影響，穩(wěn)定性較差，使用閉環(huán)控制能夠最大程度抑制各種干擾因素的影響，使控制更加有效[7],機艙和塔架內(nèi)部溫度閉環(huán)主控系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖中sp(t)是給定值,pv(t)是溫度傳感器的反饋值,由此我們可以得到一個PID控制的關(guān)系,如公式(1)所示:

(1)

式中:Kp為比例系數(shù),Ki=Kp·T/Ti,T為采樣周期,Kd=Kp·Td/T。

分解開來:

1)比例調(diào)節(jié)器

y(t)=Kp·e(t) .

式中:e(t)為當(dāng)前的溫差,y(t)為當(dāng)前輸出的控制信號。

2)積分調(diào)節(jié)器

式中:Ti為積分時間。

3)微分調(diào)節(jié)器

y(t)=Kd·d(e(t))/dt,Kd=Kp·Td.

式中:Td為微分時間。

為了能夠更好的對上述公式進(jìn)行處理,就必須將連續(xù)的算式離散化為周期采樣偏差算式,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)為當(dāng)前輸出的控制信號;y(k-1)為前一次輸出的控制信號;e(k)為當(dāng)前的溫差;e(k-1)為一次前的溫差;e(k-2)為二次前的溫差。

使用PID控制,關(guān)鍵在于確定PID控制參數(shù)。在生產(chǎn)現(xiàn)場中,PID參數(shù)基于工程經(jīng)驗來進(jìn)行反復(fù)測試,從0開始逐步增加微分常數(shù),與此同時對比例系數(shù)和積分時間進(jìn)行整定,經(jīng)過反復(fù)的測試,最終確定比例系數(shù)為0.1,積分時間為3.0,實驗過程中,溫控系統(tǒng)出現(xiàn)了滯后性的特點,最終確定微分系數(shù)為0.0,采樣時間定為0.1 s。確定了PID控制參數(shù)后,即可用公式(1)中設(shè)置參數(shù)并計算,參數(shù)整定之后階躍響應(yīng)見圖3。

圖3 溫控PID參數(shù)整定階躍響應(yīng)圖Fig.3 Step response of parameter setting of temperature control PID

本系統(tǒng)機艙與塔架的環(huán)境相似，可采用相同的參數(shù)值，在機艙和塔架內(nèi)設(shè)有兩個溫度控制單元，具體控制流程如圖4所示，啟動送風(fēng)電動機，打開進(jìn)氣閥，冷空氣開始對室內(nèi)降溫，持續(xù)一段時間后關(guān)閉閘門。為了使控制室內(nèi)溫度恒定，每隔一定時間進(jìn)行排氣，按下停止按鈕后，關(guān)閉電機和排氣門。

圖4 溫度閉環(huán)控制流程圖Fig.4 Temperature closed-loop control flow chart

本溫控系統(tǒng)中設(shè)有兩個溫度測量輸入點，兩個冷卻電機工作測量輸入點，兩個排氣閥工作測量輸出點，一個模擬量輸入模塊EM231監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、機艙和塔架內(nèi)部溫度，而另一個模擬量輸出模EM232監(jiān)測機艙和塔架內(nèi)部進(jìn)氣閥進(jìn)氣狀態(tài)，進(jìn)氣閥內(nèi)設(shè)有三個控制按鈕，分別實現(xiàn)啟動、停止和急停，溫控系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 溫控系統(tǒng)圖Fig.5 Temperature control system

1.4 變壓器控制模塊

變壓器控制模塊的作用就是要保證發(fā)電機的電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓。變壓器啟動之前須保證發(fā)電機正常運行;當(dāng)變壓器要停止時,需要先停止發(fā)電機運轉(zhuǎn),然后再按下變壓器停止按鈕。變壓器控制流程如圖6所示。

圖6 變壓器控制流程圖Fig.6 Transformer control flow chart

2 系統(tǒng)程序設(shè)計

風(fēng)機主控系統(tǒng)主要流程如圖7所示。當(dāng)發(fā)電機正常啟動后,首先是偏航自動控制,保證獲得最大風(fēng)能利用;然后是針對機艙和塔架內(nèi)部溫度進(jìn)行PID控制,最后進(jìn)行變壓器控制,圖8為偏航控制系統(tǒng)的順序控制流程圖。

圖7 系統(tǒng)流程框圖Fig.7 System flow chart

圖8 偏航控制系統(tǒng)的順序控制流程圖Fig.8 Sequence control flow chart for yaw control system

2.1 發(fā)電機啟動控制程序設(shè)計

發(fā)電機啟動程序中包括主控系統(tǒng)的總開關(guān)、所測環(huán)境風(fēng)速的模擬值、與系統(tǒng)中預(yù)設(shè)風(fēng)速值的比對、啟動偏航電機和顯示等幾部分,圖9為系統(tǒng)總啟動、模擬量轉(zhuǎn)換梯形圖。

發(fā)電機啟動程序中需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換關(guān)系式如公式(3)所示:

A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0.

(3)

式中:A為模擬量值;D為數(shù)字量值;Am-A0表示模擬量標(biāo)準(zhǔn)電信號值,可以有儀表讀出;Dm-D0表示轉(zhuǎn)換后數(shù)值,這個數(shù)值大小與模擬量標(biāo)準(zhǔn)電信號呈線性對應(yīng)關(guān)系,將公式(2)逆應(yīng)用,可以得到需要的數(shù)字量。

圖9表示了風(fēng)速模擬量轉(zhuǎn)換過程,得到風(fēng)速數(shù)字量VD220,PLC拿得到的VD220數(shù)值與允許正常啟動風(fēng)速數(shù)值進(jìn)行比對,如果符合風(fēng)速范圍,發(fā)出啟動指令,輸出點Q0.0輸出高電平,驅(qū)動發(fā)電機啟動;否則,輸出點Q0.5輸出高電平,發(fā)出報警指令。

圖9 系統(tǒng)總啟動、模擬量轉(zhuǎn)換梯形圖Fig.9 Ladder diagram of system startup and analog signal conversion

2.2 偏航主控系統(tǒng)程序設(shè)計

將此次設(shè)計偏航角度范圍分成7部分：145°～215°時分別對應(yīng)繼電器M0.3—M1.1，如圖10所示，當(dāng)風(fēng)向與水平軸夾角處于145°～155°時，中間繼電器M0.3輸出高電平，Q0.2輸出高電平，計時器T37同時啟動，Q0.2輸出高電平后形成自鎖，向右偏航電機持續(xù)工作90 s，當(dāng)計時器T37計時停止，時間繼電器斷開，Q0.2自鎖解除，停止輸出高電平，向右偏航電機工作結(jié)束，表示已驅(qū)動風(fēng)輪對準(zhǔn)風(fēng)向(在誤差范圍內(nèi))。其他角度的控制與上述類似，不再贅述。當(dāng)角度處于171°～189°時，表示風(fēng)向與風(fēng)輪所在平面近乎垂直，此時風(fēng)向處于合理誤差范圍內(nèi)，PLC接收相應(yīng)信號后在中間繼電器M0.6輸出高電平，并在輸出點Q0.4輸出高電平，風(fēng)向合適指示燈工作。當(dāng)風(fēng)向處于189°～215°時，工作程序與在145°～171°時相似，只是輸出點位驅(qū)動電機不同，此時工作電機為左偏航電機，限于篇幅，也不做贅述。

2.3 溫度控制程序設(shè)計

在此次主控系統(tǒng)設(shè)計中，總體來講，溫度控制設(shè)計相對最為復(fù)雜。針對機艙和塔架兩部分溫度控制，這里采取機艙溫控加以初步設(shè)計，圖11表示機艙溫度控制梯形圖。在機艙溫度控制程序中，機艙溫控啟動按鈕占用輸入點位I1.0，停止按鈕占用輸入點位I1.1，急停按鈕占用輸入點位I1.2，使用M2.0中間繼電器，M2.0使用置位復(fù)位指令，同樣實現(xiàn)自鎖功能，占用輸出點位Q1.0對冷卻機發(fā)出控制指令。當(dāng)I1.0為高電平，中間繼電器M2.0置位，Q1.0閉合，機艙溫度主控系統(tǒng)啟動；當(dāng)I1.1為高電平，中間繼電器M2.0復(fù)位；當(dāng)發(fā)生突變情況時，按下急停按鈕，I1.2為高電平，Q1.0復(fù)位，同時停止所有輸出，冷卻機停止工作，機艙溫控系統(tǒng)停止。當(dāng)檢測到的溫度大于設(shè)定值，則控制輸出模塊EM232輸出對應(yīng)模擬量AQW0，使機艙進(jìn)氣閥繼續(xù)進(jìn)氣；當(dāng)檢測到溫度小于等于預(yù)設(shè)值，則置I1.2為0，使機艙溫控系統(tǒng)停止。因塔架內(nèi)部溫度控制方式與此相似，不再贅述。

圖10 偏航角度順序控制梯形圖Fig.10 Ladder diagram of yaw angle sequence control

2.4 變壓器控制程序設(shè)計

變壓器啟動模塊設(shè)計中，變壓器啟動之前要保證發(fā)電機啟動，防止損壞變壓器，所以變壓器控制程序中采用了常見的“起保?！痹O(shè)計，同時在設(shè)計中加入了變壓器自鎖功能，這種設(shè)計相對來說比較簡單。當(dāng)發(fā)電機正常運行時，啟動語句中的常開觸頭閉合并自鎖，在停止語句中的常閉觸頭斷開，輸出高電平驅(qū)動變壓器啟動；需要停止變壓器時，按下停止按鈕，停止語句中的常開觸頭閉合并自鎖，在啟動語句中的常閉觸頭斷開，輸出高電平驅(qū)動變壓器停止。

圖11 機艙溫度控制程序圖Fig.11 Cabin temperature control diagram

3 結(jié)束語

通過應(yīng)用PLC對風(fēng)電機組主控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，對發(fā)電機的啟?？刂?，不同風(fēng)速時葉片的偏航控制、機艙和塔架的內(nèi)部溫度控制以及變壓器電壓控制等環(huán)節(jié)進(jìn)行程序設(shè)計，對機組葉片偏航角度范圍控制塔架、機艙的溫度控制著重分析，基于可編程控制器的控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，編程方便，抗干擾能力強，可靠性較高，維護(hù)方便，可以有效提高風(fēng)能利用效率，對于提高風(fēng)電機組的發(fā)電量，減小風(fēng)電成本具有重要意義。