小型風(fēng)力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)實驗研究

胡 兵，海 玲，程麗娟，袁 勇，徐立軍，鄭連清

(新疆工程學(xué)院 控制工程學(xué)院，烏魯木齊 830011)

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，能源問題和環(huán)境問題逐漸顯現(xiàn)出來，開發(fā)新能源已經(jīng)成為社會發(fā)展的必然趨勢。風(fēng)能作為一種新型、無污染且儲存量巨大的可持續(xù)利用的清潔能源，受到全世界的普遍關(guān)注。

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，如何提高風(fēng)能利用率、提高風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電效率是值得研究的問題，目前對偏航系統(tǒng)的研究集中在偏航系統(tǒng)控制算法研究[1-2]，控制策略研究[3-4]，控制系統(tǒng)優(yōu)化仿真[5-6]等，這些研究主要偏向于偏航控制系統(tǒng)的仿真分析。在偏航控制系統(tǒng)應(yīng)用方面，鄭欽[7]采用Modbus/TCP通信進行風(fēng)電機組數(shù)據(jù)采集，具有高效和穩(wěn)定的特點。王婷[8]采用基于PLC的小型風(fēng)力發(fā)電機偏航系統(tǒng)具有控制系統(tǒng)安全可靠，能耗更低的優(yōu)點。

基于以上分析，本文提出以PLC為控制核心，采用基于Modbus總線通信的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以步進電機驅(qū)動偏航系統(tǒng)，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的準確迎風(fēng)控制，并通過上位機組態(tài)軟件存儲運行數(shù)據(jù)，為后續(xù)風(fēng)電功率預(yù)測、風(fēng)電場的運行調(diào)度提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)。

1 控制系統(tǒng)原理

根據(jù)空氣流過風(fēng)力機的風(fēng)輪產(chǎn)生動能的原理，得出風(fēng)力機的實際輸出功率為[9]

(1)

其中,

偏航誤差角為

θ=α-β

(2)

其中，α為風(fēng)向角度，β為風(fēng)力機偏航角。

風(fēng)力機在偏航誤差角為θ時的損失功率為[10]

η=(1-cos3θ)×100%

(3)

由式(3)可知θ越小損失功率越小，為了減小損失功率，需要保證風(fēng)力機偏航角跟隨風(fēng)向角的變化而變化，進而最大限度的利用風(fēng)能，提高風(fēng)力機的發(fā)電效率。

2 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)由風(fēng)電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、偏航控制系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)組成，核心控制器為S7-200PLC，通過以太網(wǎng)連接上位機監(jiān)控系統(tǒng)和塔底控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用Modbus總線通信的方式將現(xiàn)場的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)實時傳送到PLC控制器，經(jīng)過運算和處理，控制偏航步進電機轉(zhuǎn)動，從而實時跟蹤風(fēng)向的變化，實現(xiàn)最大功率輸出。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

Modbus總線通信是一種國際開放的總線標準，具有開發(fā)簡單、通用性強、價格便宜、不需要專門的通信模塊等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)各個領(lǐng)域。為此系統(tǒng)的風(fēng)向風(fēng)速傳感器采用Modbus總線通信的方式。常用Modbus總線協(xié)議傳輸模式有Modbus ASCII模式和Modbus RTU模式，系統(tǒng)采用傳輸量數(shù)據(jù)相對較大的Modbus RTU傳輸模式，風(fēng)速、風(fēng)向傳感器的具體參數(shù)如表1所示。

注：V代表實時風(fēng)速值，輸出形式為RS485(Modbus)。

在數(shù)據(jù)通信過程中，Modbus RTU數(shù)據(jù)傳輸模式的報文結(jié)構(gòu)主要由地址域、功能碼域、數(shù)據(jù)域和CRC校驗組成[11]，具體格式如表2所示，可以根據(jù)需要對設(shè)備進行地址讀取與寫入、設(shè)備波特率數(shù)據(jù)讀取與寫入，設(shè)備寄存器數(shù)據(jù)讀取等操作。風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)存儲在傳感器設(shè)備的寄存器中，為寄存器數(shù)據(jù)，風(fēng)速數(shù)據(jù)讀取值為放大10倍的16進制數(shù)，如讀取風(fēng)速傳感器寄存器的數(shù)值為0020，轉(zhuǎn)換為十進制的數(shù)值為32，表示當前風(fēng)速值為3.2 m/s，帶1位小數(shù)位。風(fēng)向數(shù)據(jù)為16進制數(shù)，無小數(shù)位。

表2 Modbus RTU報文格式

在通信的物理連接上，風(fēng)速、風(fēng)向傳感器的RS485接口的A(data+)正B(data-)負端子通過屏蔽通信線連接到PLC通信端口port0口的3正8負上，并保證物理連接的牢固可靠。

2.2 偏航控制系統(tǒng)

偏航系統(tǒng)由步進電機驅(qū)動風(fēng)力機跟隨風(fēng)向的變化而變化，實現(xiàn)自動對風(fēng)。步進電機及其驅(qū)動器與PLC的接線圖如圖2所示，由于PLC的輸出為24V的高電平輸出，步進電機的驅(qū)動器采用共陰極接法。接線圖中步進驅(qū)動器的DIR為方向信號，PUL為脈沖信號，ENA為使能信號，如果使能端低電平，步進電機處于鎖定狀態(tài)，因此可不接線。DIR+脈沖信號接PLC輸出的Q0.0端口，PUL+方向信號接PLC輸出的Q0.2端口。圖中步進驅(qū)動器采用24 V電源供電，為保證步進驅(qū)動器的使用安全，在PLC的輸出端并聯(lián)2KΩ電阻(大于1/8W)進行分壓處理。

圖2 步進電機與PLC接線圖

步進電機依靠脈沖以固定步距角工作，需要步進驅(qū)動器實現(xiàn)脈沖分配、功率放大、旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)方向的改變等功能，為了提高步進電機的精確度，步進電機驅(qū)動器需要設(shè)定細分，細分通過驅(qū)動器上的撥碼開關(guān)實現(xiàn)，細分數(shù)越大，步進電機的速度越精確。其計算公式為

(4)

式中，N為細分數(shù)，φ為步進角，n為細分倍數(shù)。

系統(tǒng)采用的步進電機的步距角為1.8°，為了保證步進電機能以足夠精確的跟隨風(fēng)向保持同步旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)將細分倍數(shù)調(diào)為32倍，其細分數(shù)為6400，相當于發(fā)送給驅(qū)動器6400脈沖步進電機旋轉(zhuǎn)一周。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC軟件設(shè)計

3.1.1 數(shù)據(jù)采集編程

風(fēng)速、風(fēng)向傳感器分別設(shè)置不同的地址，對應(yīng)的Modbus地址均為40001，在S7-200PLC編程時需要安裝Modbus指令庫，調(diào)用 Modbus RTU 主站初始化和控制子程序MBUS_CTRL，調(diào)用兩個Modbus RTU主站讀寫子程序MBUS_MSG，即風(fēng)向MBUS_MSG子程序和風(fēng)速MBUS_MSG子程序，分別用于讀取風(fēng)向數(shù)據(jù)和風(fēng)速數(shù)據(jù)。在MBUS_CTRL子程序中設(shè)置通信波特率Baud設(shè)為9600，校驗方式Parity設(shè)為0，超時時間Timeout設(shè)為1000。風(fēng)向、風(fēng)速MBUS_MSG子程序參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 風(fēng)向、風(fēng)速采集MBUS_MSG子程序參數(shù)設(shè)置

表中Slave為從站(Modbus RTU)地址，系統(tǒng)設(shè)置風(fēng)速傳感器的地址為3，風(fēng)向傳感器的地址為4，RW為讀寫操作，0表示只讀操作，Addr為讀寫從站的數(shù)據(jù)地址，均為40001，Count為通訊的數(shù)據(jù)個數(shù)，每個傳感器只讀取一個數(shù)據(jù)，Count設(shè)置為1，DataPtr為存儲的數(shù)據(jù)指針，風(fēng)速傳感器的數(shù)據(jù)指針設(shè)置為&VB100，風(fēng)向傳感器的數(shù)據(jù)指針設(shè)置為&VB200。調(diào)試成功后讀出的風(fēng)速數(shù)據(jù)存儲在VW100中，風(fēng)向數(shù)據(jù)存儲在VW200中。實際風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集還需要采集溫度、濕度、氣壓、功率等數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要對不同傳感器設(shè)置不同的Modbus地址，依次間隔時間進行數(shù)據(jù)采集。

3.1.2 偏航系統(tǒng)編程

偏航系統(tǒng)由步進電機驅(qū)動，步進電機采用PLS指令編程，程序流程圖如圖3所示。偏航電機工作時要進行初始化處理，初始化處理需要置脈沖控制字節(jié)、設(shè)置脈沖周期、設(shè)置脈沖輸出、脈沖個數(shù)。系統(tǒng)設(shè)置控制字節(jié)SMB67為16#8D，表示允許PTO輸出、單段操作輸入、同步更新、時基為1 ms、可刷新脈沖計數(shù)值、不刷新脈沖寬度值、可刷新周期值；設(shè)置脈沖周期SMW68為1，表示脈沖周期為1 ms；設(shè)置脈沖輸出為0，表示脈沖輸出為Q0.0；脈沖個數(shù)SMD72為本次脈沖數(shù)據(jù)與上次脈沖數(shù)據(jù)的差值的絕對值。若上一次脈沖數(shù)據(jù)大于本次脈沖數(shù)據(jù)，偏航電機正轉(zhuǎn)，否則偏航電機反轉(zhuǎn)。若兩次脈沖數(shù)據(jù)相等，脈沖差值為零，偏航電機維持原位不變。

圖3 系統(tǒng)控制程序流程圖

3.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

風(fēng)電場環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控非常重要，可以為風(fēng)電場的建設(shè)及后續(xù)風(fēng)電場的運行、調(diào)度、決策提供科學(xué)有效的環(huán)境因子數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上位機監(jiān)控采用MCGS組態(tài)軟件，設(shè)計監(jiān)控界面實時監(jiān)控風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，偏航電機運行方位數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理。

4 系統(tǒng)測試與實驗驗證

4.1 風(fēng)速、風(fēng)向modbus通信測試

風(fēng)速、風(fēng)向modbus通信調(diào)試采用串口調(diào)試的方式，對其進行DC12 V供電，將RS485通信端口A、B通過USB To RS485轉(zhuǎn)換器連接至電腦上，通過串口調(diào)試軟件進行通信測試。采用的測試軟件為ComMonitor(串口調(diào)試軟件)，并將串口調(diào)試軟件設(shè)置為9600波特率、無校驗、8數(shù)據(jù)位、1停止位。發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)如表4所示，說明當前風(fēng)速為3.2 m/s，風(fēng)向為900，通信穩(wěn)定，不存在丟包現(xiàn)象。測試成功后，將RS485通信端口A、B連接到S7-200PLC的port0通信端口。

表4 風(fēng)速風(fēng)向Modbus通信測試結(jié)果

4.2 偏航電機測試

偏航電機測試時，先向SMD72設(shè)定脈沖個數(shù)，看偏航電機是否轉(zhuǎn)動，若果不轉(zhuǎn)動，重點檢查硬件接線、細分數(shù)設(shè)定和電流大小設(shè)定等；如果轉(zhuǎn)動，說明電機運行正常，可進入偏航測試。偏航測試之前，調(diào)整風(fēng)向傳感器風(fēng)向標指向正北，同時調(diào)整偏航電機使得風(fēng)力機的機頭也指向正北。之后通過對VD30和VD40賦給不同的值，來觀察偏航電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)是否正確，調(diào)整正確之后，連接時間風(fēng)向數(shù)據(jù)，調(diào)整風(fēng)向的位置，觀察偏航電機是否跟隨風(fēng)向傳感器的變化，多次調(diào)試、多次運行，最終達到系統(tǒng)的控制要求。系統(tǒng)運行過程中，由于風(fēng)能具有隨機性，風(fēng)向變化隨機，隨機的風(fēng)向的變化會導(dǎo)致偏航電機變化的頻繁，為此系統(tǒng)設(shè)計偏航電機延時動作的程序，在風(fēng)向變化延時時間內(nèi)相對穩(wěn)定時，偏航電機才進行偏航動作。

4.3 實驗驗證

測試成功后可連接監(jiān)控界面，系統(tǒng)監(jiān)控界面圖如圖4所示，當前風(fēng)速值為3.6 m/s，風(fēng)向值為450，風(fēng)向處于東北方向，說明系統(tǒng)實現(xiàn)了風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)采集。為了更清楚準確的判斷偏航電機的旋轉(zhuǎn)角度與風(fēng)向是否同步，組態(tài)界面設(shè)計了一個16方位的坐標圖，用于指示偏航電機的位置，當前東北方向的燈亮，說明偏航電機處于東北方向。偏航電機與風(fēng)向傳感器方向保持一致，達到了系統(tǒng)的控制要求。通過改變風(fēng)向傳感器的角度，偏航電機能夠跟隨風(fēng)向傳感器的變化而變化，性能穩(wěn)定。同時通過控制監(jiān)控界面圖中的數(shù)據(jù)采集及處理模塊的按鈕，可以查看風(fēng)速、風(fēng)向原始數(shù)據(jù)、時分鐘數(shù)據(jù)、年月日數(shù)據(jù)，為后期的風(fēng)電場環(huán)境因子數(shù)據(jù)處理提供原始資料。

圖4 系統(tǒng)監(jiān)控界面圖

5 結(jié) 語

實驗系統(tǒng)采用Modbus總線通信實現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)的采集，具有通用性強、成本低的優(yōu)點，結(jié)合上位機組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)存儲，為風(fēng)電場后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)，偏航系統(tǒng)采用步進電機驅(qū)動，具有控制簡單、精確度高的優(yōu)點，系統(tǒng)的運行實現(xiàn)了偏航電機跟隨風(fēng)向變化而變化，為減少功率損失，最大限度的利用風(fēng)能提供了借鑒。