基于PLC的全功率風力發電實驗平臺

廖勝超， 朱凌云， 孫培德

(東華大學信息科學與技術學院，上海 201620)

0 引言

風電設備投入使用之前都是經過了好幾年測試的，而我國很多風機推入市場之前還沒來得及進行測試，隱患肯定存在。要研究風力發電控制技術需要大量的試驗研究，最準確的實驗方法當然是將風電機組置于風電場，做真實的風電實驗。但是，考慮到下述原因，真實的風電實驗很難實施:①風速條件無法人為控制。某些風電實驗需要偶發的特殊風速條件，長時間等待實驗條件必然耽誤科研進度;②風速、風向隨機波動，且不易精確測量，影響風電實驗的數據分析;③單臺實驗風機的安裝維護成本很高，特別是大型風電機組的研究;④對于不成熟的控制實驗存在安全隱患。上述因素使得大部分風電研究，特別是風電控制研究很難進行現場實驗驗證，因此，大多數實驗室無法具備風場環境或者風電機組實驗條件，這不利于一些新穎的理論和技術的研究。為了加快風力發電技術的發展，加強風力發電技術的研發能力，必須進行風力發電模擬技術研究，建設風力發電實驗的模擬平臺［1］。

目前，國內很多機構與高校都已經建設了大、小功率的風力發電模擬平臺，同時也進行了風力發電技術的仿真研究。除使用原動機作為風力機風輪模擬部分以外，其他電氣結構部分基本與真實風力發電機相同［2］。

本文使用異步電動機作為原動機，異步電機作為風力發電機，四象限變頻器連接異步電機和電網，四象限變頻器連接電機的一側使用磁通矢量控制給定發電機轉速，原動機的控制方式為閉環轉矩控制。使用四象限變頻器大大減小了系統的復雜性，同時也是未來技術的發展方向。軟件上使用一個固定風速情境下的轉矩和轉速模型，實現手動追蹤最大功率點，即通過手動調節異步風力發電機的轉速來調整回饋的功率達到峰值，驗證方法為觀察實際工作點沿著理想曲線運動，最終效果理想穩定。

1 系統原理及硬件設計

本系統采用異步電機變頻拖動單元來寬范圍模擬風力發電機運行轉速，用戶可根據需要調節拖動單元轉速來達到模擬風速變化引起的發電機轉速變化。通過開放式主控系統，用戶可以根據自己的實驗需求給定發電機轉矩，通過變流系統控制異步發電機的功率輸出，達到變速恒頻風力機組的并網或離網發電等過程各參數的實驗研究。

系統分為拖動單元、控制單元、發電單元、測速單元，原理圖如圖1所示。

(1)拖動單元。由一臺二象限變頻器ATV71及其控制的4 kW異步電動機(風力機)組成，功能是模擬系統因風速變化而引起的轉速轉矩變化。

(2)控制單元。由施耐德Modicon M340可編程控制器(PLC)、觸摸屏XBTGT2330和PC機組成，功能主要是分析系統狀態，控制系統運行，實現數據模擬。

(3)發電單元。由ABB的四象限變頻器ACS800及其控制的3 kW全功率異步發電機組成，功能是實現風機并網或離網發電過程。

(4)測速單元。速度編碼器，其提供的連接軸上的實際轉速傳遞給ATV71，再通過CANopen總線傳遞給PLC。

圖1 系統硬件原理圖

圖1中，觸摸屏相當于操作面板，控制風力機和異步發電機的啟動、停止以及轉速給定;觸摸屏與PC通過以太網相聯，觸摸屏與PLC掛在同一個以太網交換機上;觸摸屏通過和PC通信，實現其上的程序下載和調試;觸摸屏通過和PLC通信，相互交換各自程序需要的數據。PC機主要的作用是編程調試，并且利用組態軟件實現數據的監視作用，其與PLC的通信方式為以太網。PLC中的電源模塊提供整個控制系統中24 V DC的供電;CPU模塊的以太網和CANopen接口接受外部各種輸入和輸出信號，CANopen通信接口和ATV71變頻器(U3)連接，PLC的模擬輸出模塊給定四象限變頻器(U2)頻率，開關量輸出模塊給定四象限變頻器控制異步發電機的起停信號。U2連接三相電網和異步發電機，機側使用磁通矢量控制來控制連接軸的轉速。變頻器U3控制風力機的啟停的信號和速度大小由PLC的Canopen總線給定，其轉速/轉矩控制切換由PLC開關量輸出模塊給定。兩電機的調速范圍從0～1 500 r/min，通過一個連接軸相連接。連接軸上的速度由速度編碼器測得后給U3，然后由U3將速度值提供給PLC。

近年來，變頻器的電網側采用PWM整流和逆變技術，使得變頻器的電網、電機側都可以實現能量的雙向流動，即實現變頻器的四象限運行［4］。當電機處于回饋制動狀態時，其中再生的能量經逆變器中開關元件和續流二極管向中間濾波電容充電，使中間電流電壓升高，此時電網側變換器中的開關元件在PWM的控制下將能量饋入到電網。同時，由于PWM整流器電流閉環控制作用，使電網電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了網側諧波污染。

系統的基本運行過程:打開所有設備電源，使U3工作在速度控制模式，通過觸摸屏和PLC給出U2和U3的給定轉速，然后點擊觸摸屏上啟動電機按鈕，使兩電機提速到指定轉速，這時穩定運行的軸上的轉矩幾乎為0。通過觸摸屏和PLC使U3工作在轉矩控制模式，轉矩給定由PLC根據風機特性和當前電機轉速實時計算獲得。為使模擬風力機的電機達到設定的轉速，U3自動調整輸出頻率和電壓，使得連接軸的轉速大于發電機的同步轉速，發電機工作在回饋制動狀態。風力機的發電功率回饋給四象限變頻器U2，并輸送到電網，可以通過四象限變頻器U2的面板觀測到回饋功率的值。調節U2的輸出頻率(即發電機的同步轉速)，風力機的轉速和轉矩隨之根據風機特性而改變。

2 系統軟件設計

圖2描述了系統軟件的總流程，包括PLC中UnityPro軟件的梯形圖結合ST語言的編程、觸摸屏中Vijeo Designer的編程和上位機中的 Vijeo Citect的cicode編程。

圖2 系統軟件流程圖

(1)觸摸屏的UI界面。啟動按鈕用于同時啟動2個電機，并保持同一速度，當到達想要調速的大致區間后，開啟風力機的轉矩控制，使得回饋制動的功率始終保持在穩定的值，關于風力機的模型和其控制策略在后續的研究可以繼續調整。

(2)風力機特性的模擬。根據貝茲理論，風機實際得到的功率與風速的3次方有關。在風速ν下運行時，單位時間內捕獲的風能為

式中:ρ為空氣密度;R為風輪葉片半徑;Cp為風能利用系數，反映了風機利用風能的效率;Cp是葉尖速比λ和漿距角β的函數，

ωT為風輪旋轉機械角速度，

本系統初步設定了一個固定的風力模型用于驗證系統基本運行效果，本文模擬的風力機速度轉矩模型:

式中:T*為軸承上的轉矩，即轉矩給定/額定轉矩Tm;n為軸的轉速，實驗中，n變化0～750 r/min。

在轉矩正常情況下，穩態時換算得到的風力機的功率為

風力機期望的轉矩-轉速和功率-轉速特性曲線以及實時運行工作點如圖3所示。實驗表明，調整四象限變頻器電機側的頻率和電壓，工作點便沿著風機的特性曲線變動，表明系統工作符合期望，可以承擔后續研究任務。適當調整工作點，可使風機處于最大功率點。

圖3 上位機監視界面

3 結語

通過調速觀察回饋的功率，符合理想的規律，最大功率點在500 r/min左右，四象限變頻器面板顯示回饋的功率在24%左右，即回饋功率在0.72 kW左右。由于一定的技術原因，還未能實現四象限變頻器和PLC的總線通信，四象限變頻器實際回饋給電網的功率數值只能通過變頻器的面板讀取，不能夠將所有有用的數據統一傳遞給主控系統進行統一管理分析。

由于本文的工作重點在于全功率異步風力發電機實驗平臺的建立，后續研究可以通過改變速度轉矩換算的公式，模擬實際情況下風速的變化，進行各種控制算法性能的探索。平臺目前為止還只能實現手動尋找最大功率點，后續還可以進行編程實現自動追蹤最大功率點的實驗。

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