E-WT风力发电机组控制

风电机组及控制系统1内容基础导论E-WT风力发电机组控制风光互补发电系统控制2E-WT风力发电机组控制●系统环境的熟悉及硬件组态●Step7与WinCC界面的数据传输●利用WinCC编写风力发电机控制流程●E-WT与PLC的硬件连接及控制器硬件组态●风力发电机偏航控制●风力发电机启动控制●风力发电机恒速变桨功率控制●风力发电机组运行状态监控3E-WindTurbine运行环境

E-WindTurbine应用虚拟现实技术，能够对风机在风场运行过程中的多种工作条件及故障模式进行实时仿真，该系统满足的情景再现与工程再现使得人机具有良好的交互方式，逼真的表现形式使得学习人员感受到风场环境并可以对风电设备进行操控从而达到教学/培训的效果。45通过三维可视化界面可以观察到风力发电机组的主要部件：(1)风机全貌、塔基、虚拟风向指示(2)机舱内部、控制柜、齿轮箱、发电机、液压系统、偏航电机(3)机舱外部风向标、风速计(4)轮毂及叶片(5)轮毂内变桨系统及控制柜(6)故障引起的十余种现象6塔基7舱内发电机8风向标、风速计9变桨系统10传动系统冷却水温度过高故障11偏航齿圈故障12E-WindTurbine设计参数13E-WindTurbine中风向角的范围是180°~180°，定义正北方向为风向角0°方向。风向从正北方向顺时针变化时，风向角正向增加，正南方向为180°方向；风向从正北方向逆时针变化时，风向角反向增加，正南方向为-180°方向。14E-WindTurbine中偏航角的范围是1800°~1800°，同样定义正北方向为偏航角0°方向。风轮主轴顺时针旋转时，偏航角正向增加；风轮主轴逆时针旋转时，偏航角反向增加。15风电机组及控制系统16内容基础导论E-WT风力发电机组控制风光互补发电系统控制17E-WT风力发电机组控制●系统环境的熟悉及硬件组态●Step7与WinCC界面的数据传输●利用WinCC编写风力发电机控制流程●E-WT与PLC的硬件连接及控制器硬件组态●风力发电机偏航控制●风力发电机启动控制●风力发电机恒速变桨功率控制●风力发电机组运行状态监控18建立WinCC与S7-1200的连接(1)双击“添加新设备”，选择“PC系统”，选择“SIMATICHMI运行系统软件”，选择“WinCCRTProfessional”，如图所示：19点击确定后，对PC站进行通信模块配置，选择“PROFINET/以太网”中的“常规IE”，属性里的以太网地址子网选择已经建立好的“PN/IE_1”，IP地址默认。如图所示：

20首先确保在PLC变量表中已经建立了E-WT对象里的变量，如I3.0、I3.1，然后在PC站中新建画面，从右侧基本对象中随意拖入一个对象，如圆，接着选择“动画”→“插入新动画”→“外观”，再进行变量连接及设置变量范围，如图所示21将PC站名改为计算机名，双击打开“HMI变量”中的“连接”，将名称同样改为计算机名，并确定“访问点”为”CP-TCPIP”，如图所示：22下载程序，运行E-WT，可通过运行计算机“开始菜单”→“程”→“SiemensAutomation”→“RuntimeSystems”→“WinCCRuntimeProfessionalV11”→“WinCCChannelDiagnostics”组件来进行测试，若通讯成功，则会出现“绿色对号”，如图所示：23或者点击“开始仿真”按钮，运行WinCC画面，若数值显示正确，则也表示通讯成功，如图所示：24建立WinCC画面，实现数据传输这里列出4种常用的数据连接，可在此基础上进行其他尝试。（1）I/O域：用来显示AI数据和设置AO数据。在“属性”→“常规”→“过程”→“变量”中进行变量选择，类型与格式设置；“类型”选择默认的“输入/输出”即为AI，设置为“输入”即为AO。如图所示：252627（2）圆：用来显示DI数据。选择“动画”→“插入新动画”→“外观”，如图所示；再进行变量连接及设置变量范围，参见图。28（3）按钮：用来给DO数据赋值。选择“事件”→“单击”→“设置变量”，如图所示，若不选择“设置变量”，而选择“激活屏幕”，就可实现监控画面间的切换；再进行变量连接及设置变量范围。29（4）f(t)趋势视图：用来显示曲线。需要对“属性”中的“值轴”和“趋势”进行设置。在“属性”→“值轴”设置所要显示数据的名称和显示范围；在“属性”→“趋势”设置所要显示数据的“数据源”以及对应的“值轴”，如图所示：。3031风电机组及控制系统32内容基础导论E-WT风力发电机组控制风光互补发电系统控制33E-WT风力发电机组控制●系统环境的熟悉及硬件组态●Step7与WinCC界面的数据传输●利用WinCC编写风力发电机控制流程●E-WT与PLC的硬件连接及控制器硬件组态●风力发电机偏航控制●风力发电机启动控制●风力发电机恒速变桨功率控制●风力发电机组运行状态监控34风力发电机组的工作状态

(1)运行状态(2)暂停状态(3)停机状态(4)紧急停机状态35运行状态

制动装置松开允许机组运行和发电允许机组发电机并网叶尖扰流器收回机组自动偏航冷却系统自动工作36停机状态

制动装置松开叶尖扰流器释放液压泵保持工作压力自动偏航系统不工作自动冷却系统不工作37暂停状态

制动装置松开液压泵保持工作压力自动偏航处于激活状态叶尖扰流器释放叶轮已经停止或空转冷却系统自动冷却38紧急停机状态

对定桨恒速风力发电机组，当叶轮低于一定转速后，施加制动。对变速恒频风力发电机组，制动装置松开。只有当急停按钮被按下时，才施加制动。安全链断开所有的主控制器输出量被禁止计算机依然运行，并测量所有输入量39利用WinCC编写开停机流程界面

40风电机组及控制系统41内容基础导论E-WT风力发电机组控制风光互补发电系统控制42E-WT风力发电机组控制●系统环境的熟悉及硬件组态●Step7与WinCC界面的数据传输●利用WinCC编写风力发电机控制流程●E-WT与PLC的硬件连接及控制器硬件组态●风力发电机偏航控制●风力发电机启动控制●风力发电机恒速变桨功率控制●风力发电机组运行状态监控43新建项目（1）在STEP7中创建一个新的项目。双击TIAPortalV11，默认启动选项，选择“创建新项目”，输入项目名称，选择路径，如图所示：44（2）点击“创建”按钮，出现“开始”菜单选项，选择“组态设备”，如图所示：

45（3）出现“设备与网络”菜单，选择“添加新设备”选项，进行CPU组态。点击PLC，SIMATICS7-1200”→“CPU”→“CPU1214CDC/DC/Rly”→“6ES7214-1HE30-0XB0”，硬件版本选择V2.2（必须根据实际硬件版本选择，否则出错），如图所示：46（4）点击“添加”按钮，即进入“设备视图”画面，在右侧“硬件目录”进行信号板和通信模块配置。选择“信号板”→“AQ”→“AQ1×12”→“6ES7232-4HA30-0XB0”；再选择“通信模块”→“PROFIBUS”→“CM1243-5”→“6GK7243-5DX30-0XE0”。如图所示：47（5）然后进行通讯地址配置，选中CPU的“网线接口”，在“属性”选项卡中，在“以太网地址”选项中选择“添加新子网”，“IP地址”和“子网掩码”选择默认的“192.168.0.1”和“255.255.255.0”即可（若各试验台间连接到同一局域网，则IP地址不能相同），如图所示：

48（6）同理，选中通信模块的“PROFIBUS接口”，在“PROFIBUS地址”选项中选择“添加新子网”，“地址”选择默认的“2”即可，如图所示：49（7）接下来对E-WT的PROFIBUSDP模块PM125进行配置。首先将PM125的描述文件“PM125V20.GSD”放到移动设备中，再安装PM125的设备描述文件，在STEP7的”“选项”菜单中选择“安装设备描述文件(GSD)”，方法如图所示。如果已经安装过PM125V20.GSD文件，本步骤可忽略。50（8）在右侧“硬件目录”中，找到PM125模块，拖入“网络视图”，与“PROFIBUS_1”相连接，并对它进行分配，如图所示：51（9）双击“Slave_1PM125”，对PM125进行地址配置及IO配置。在“PROFIBUS地址”选项中，子网选择已经建立好的“PROFIBUS_1”，“地址”选择为“7”；然后展开“设备视图”与“属性”窗口之间的“设备概览”窗口，进行IO配置，从右侧“硬件目录”中拖入4个通用模块到“设备概览”区，依次进行DI、AI、DO、AO配置。DI地址为2-4，长度为3；AI地址为256-319，长度为32；DO地址为6-9，长度为4；DI地址为272-285，长度为7；其中，DI配置过程如图所示：

52：

53PM125配置完成的整体效果图如图所示：54通讯程序编写在Main[OB1]中编写如下三段程序。其中，程序段1和程序段3实现IO数据传输，IB2暂存入MB12，再将MB12中的值传递给QB6；程序段2实现所要发送的字节数设置，将16赋值给QB7。如图所示：55通讯测试在将程序下载到设备之前，请确认计算机IP地址已改为“192.168.0.XXX”,子网掩码为“255.255.255.0”；并在“控制面板”中的“设置PG/PC接口”已改为CP-TCPIP通讯方式，如图所示：56将程序下载到设备，接口选择根据实际网卡确定，随着程序的下载，S7-1200CPU的地址也会随之改变成软件中所组态的地址。如图所示：57

将E-WT软件打开，新建恒速变桨距风力发电机组，进行DP通讯配置，完成后点击外控，运行即可。在STEP7画面，点击“启用/停止监视”按钮，若通讯成功，寄存器和IO点上有数据流通过，效果如图所示：58风电机组及控制系统59内容基础导论E-WT风力发电机组控制风光互补发电系统控制60E-WT风力发电机组控制●系统环境的熟悉及硬件组态●Step7与WinCC界面的数据传输●利用WinCC编写风力发电机控制流程●E-WT与PLC的硬件连接及控制器硬件组态●风力发电机偏航控制●风力发电机启动控制●风力发电机恒速变桨功率控制●风力发电机组运行状态监控61偏航及偏航系统的工作原理●偏航主要有两个功能：一是使风轮跟踪变化稳定的风向，通过控制风轮的迎风面始终与风向垂直实现最大限度捕获风能；二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。●风力发电机组无论处于运行状态还是待机状态（风速>4m/s），均要求能主动对风。偏航系统是一随动系统，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制系统经过一段时间的确认后，会控制偏航电动机将风轮调整到与风向一致的方位。偏航控制系统框图如下图所示：62偏航系统框图63●就偏航控制本身而言，对响应速度和控制精度并没有要求，但在对风过程中风力发电机组是作为一个整体转动的，具有很大的转动惯量，从稳定性考虑，需要设置足够的阻尼。●在风轮前部或机舱一侧，装有风向仪（风标），当风力发电机组的航向（风轮主轴的方向）与风标指向偏离时，控制器开始计时。偏航时间达到一定值时，即认为风向已改变，控制器发出向左或向右调向的指令，直到偏差消除。●有多种方式可以监视电缆缠绕情况，除了在控制软件上编入调向计数程序外，还可在电缆处直接安装传感器，最简单的传感器是一个行程开关，将其触点与电缆束连接，当电缆束随机舱转动到一定程度即拉动开关。

64掌握风力发电机组的偏航控制过程●偏航控制主要分为手动偏航和自动偏航。●手动偏航是指人为的对风机偏航方向进行控制，通过更改左右偏航的设定值即可，请注意在给偏航信号置1后，要及时复位，否则容易造成左右偏航信号同时为1导致偏航控制紊乱；●自动偏航主要是通过计算风向角与偏航角的差值大小来区分如何快速解缆、快速对风，这就需要对整个风机的偏航控制要有一个较深的理解。●风机的偏航流程图如图所示：

6566偏航控制的程序设计根据上面的流程图，编写偏航控制程序。本示例程序用SCL语言实现了手动偏航与自动偏航。手动偏航时通过人为给出偏航信号，使风机按照预想的方向进行偏航；自动偏航时通过测试风速和风向，通过判定风速的大小是否达到最小风速的要求来决定是否偏航，通过计算风向角与偏航角的差值来决定偏航的方式。各接口设定如图所示：67偏航程序功能块端口设置68示例代码69示例代码70示例代码71示例代码72编译调用后的功能块73调用后，应在OB100中对以下三个位号赋初值，如图74风电机组及控制系统75内容基础导论E-WT风力发电机组控制风光互补发电系统控制76E-WT风力发电机组控制●系统环境的熟悉及硬件组态●Step7与WinCC界面的数据传输●利用WinCC编写风力发电机控制流程●E-WT与PLC的硬件连接及控制器硬件组态●风力发电机偏航控制●风力发电机启动控制●风力发电机恒速变桨功率控制●风力发电机组运行状态监控77恒速变桨距风力发电机组启动的工作原理变距风轮的桨叶在静止时，桨距角为90°，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到启动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始启动。在发电机并入电网以前，变桨距系统的桨距角给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按照发电机转速的大小，相应改变桨距角设定值的大小。变桨距系统根据给定的桨距角参考值，调整桨距角，进行所谓的速度控制。其控制系统框图如图所示，转速控制的给定值是恒定的，即同步转速。7879风力发电机组的启动控制程序●完成启动逻辑●完成并网前的桨距角控制●初始化设置

80启动控制逻辑部分的梯形图程序启动过程中，首先判定风速是否达到最低启动风速要求（4m/s），若没达到，则不启动；若达到，则启动，松开机械刹车且启用自动偏航，并及时复位启动信号，如图所示。818283若10s内机械刹车故障，则启用安全停车（后续实验中将会实现），如图所示：84对风完成，当发电机转速到达一定转速后，如350r/min，手动调节桨距角到0°，如图所示：85当桨距角小于1°且发电机转速达到1500r/min左右时，进行并网发电，将控制器方式设置为自动，并将相关信号复位，如图所示8687若并网故障，则启用安全停车，如图所示：88并网之前的桨距角梯形图控制程序若并网故障，则启用安全停车，如图所示：89在“对风”（风机正向迎风）结束后设定PID控制器手动输出值为30°，如图所示：90再将手动输出值经FC106转换，输出控制桨距角，如图所示：919293风机并网后再次确认PID控制器设定为自动模式，如图所示94初始化设置在OB100中进行信号初始化设置，它是在OB1运行之前预先给某些信号赋初值。程序如图所示9596此外，还应将在偏航实验中的偏航方式初始化更改为手动，如图所示：97主程序调用通过在主程序中给定启动信号，实行对启动程序的调用，如图所示：98其他上述程序中FB2的功能是求平均值函数，程序如图所示：99100上述程序中用到的延时计时器为IEC_TIMER类型，设定方法为在“添加新块”中选择“数据块”，按图设置即可。101风电机组及控制系统102内容基础导论E-WT风力发电机组控制风光互补发电系统控制103E-WT风力发电机组控制●系统环境的熟悉及硬件组态●Step7与WinCC界面的数据传输●利用WinCC编写风力发电机控制流程●E-WT与PLC的硬件连接及控制器硬件组态●风力发电机偏航控制●风力发电机启动控制●风力发电机恒速变桨功率控制●风力发电机组运行状态监控104风力发电机组变桨系统的工作原理风力发电机组通过桨距角控制来提高风电机组效率和消除因空气密度变化产生的最大稳态功率变化。通过改变桨距角从而改变风速在叶片上的行程，也就是使叶片对风或侧风。从空气动力学角度考虑，当风速过高时，只有通过调整桨叶桨距，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，才能使功率输出保持稳定。变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化，使翼型升力变化来进行调节。变桨距控制多用于大型风力发电机组。采用全桨变距的风力发电机组，并网后可对功率进行控制，使风力机的启动性能和功率输出特性都有显著改善。功率调节的好坏，与叶片变距速度有关。105程序编写及下载示例程序采用“带有调节功能的通用PID控制器PID_Compact”，PID_Compact功能块提供了一种可在自动和手动模式下进行调节的PID控制器。实验五中已经介绍了PID的调用和组态，但是如果想要实现自动控制，还需