倍福PLC在小型風力發電機組控制系統中的應用

張相考 厲偉

(1.沈陽工業大學研究生學院,遼寧沈陽 110870; 2.沈陽工業大學,遼寧沈陽 110870)

倍福PLC在小型風力發電機組控制系統中的應用

張相考1厲偉2

(1.沈陽工業大學研究生學院,遼寧沈陽 110870; 2.沈陽工業大學,遼寧沈陽 110870)

風力發電機組控制系統是風力發電機組的控制核心,已成為各國工程研究人員的重要研究對象,而基于PLC風力發電機組控制系統的設計應用是未來風力發電的發展方向。本文主要介紹了倍福(Beckhoff)PLC在100KW風力發電機組控制系統中的配置,通過網絡結構圖詳細介紹了塔下主控系統、變流器、塔上控制系統、變槳控制系統之間相互聯系,并列舉了倍福PLC端子模塊在風力發電機組安全鏈和信息采集方面的應用。

風電機組 控制 倍福PLC 安全鏈 端子模塊

1 引言

風力發電機組控制系統是綜合性的系統。尤其是并網運行的風力發電機組,不僅要監視電網、風況和機組運行數據,對機組進行并網脫網控制,還要根據風速和風向變化對機組進行優化控制[1]。由于風力發電控制系統的性能要求較高,選用PLC作為其主控制器可以用簡單的程序實現復雜的邏輯控制,同時還具有穩定性高的特點,完全能夠滿足風力發電機組控制系統的要求。本文主要介紹倍福PLC在小型風力發電機組控制系統的應用。

2 控制系統介紹

2.1 控制系統硬件組成及通訊

某100KW永磁直驅風力發電機組控制系統由塔上控制柜和塔下控制柜兩部分組成。塔下控制柜作為控制系統的主站,PLC的主控器采用德國倍福(Beckhoff)公司的嵌入式PC,信號采集通過總線端子模塊實現。塔下控制柜的倍福PLC通訊接口有四個,第一個是CAN通訊接口,通過CAN總線連接到VACON變流器的OPT-C6通訊模塊,實現與變流柜之間的通訊；第二個是多模光纖通訊接口,實現與塔上控制柜之間的通訊；第三個是RS232接口,用于和在線式UPS通訊。PLC通過RS232串口通訊來開啟或關閉UPS；第四個是以太網接口,此接口用來下載程序和連接塔下以太網交換機。塔上控制柜的倍福PLC有兩個通訊接口,一個是與塔下控制柜實現光纖通訊的接口；另一個是CAN 通訊接口,與變槳系統和振動模塊之間連接,實現了它們之間的CAN總線通訊。

塔上和塔下的以太網交換機使用光纖相連接,塔下交換機用于連接監控觸摸屏、風場總監控室、無線發送數據模塊、還可以作為調試接口。工作人員進入機艙后將PC連接到塔上的交換機可以對風電機組進行調試和監控。某100KW永磁直驅風力發電機組控制系統的硬件配置結構如圖一所示。

(圖一) 硬件配置結構圖

塔下控制柜主要控制柜體照明、塔下通風風扇、變流器風扇及塔下主電源等執行機構；塔上控制柜主要控制發電機、變槳、偏航及機艙風扇、剎車等執行機構。硬件系統由倍福(Beckhoff)系列模塊構成,主要采用的模塊有主控制器嵌入式PC CX5020、數字量I/O模塊、模擬量I/O模塊、通信模塊、三相功率測量模塊、特殊功能模塊等。塔上和塔下模塊通過總線耦合模塊連接形成的主站與變流柜從站、變槳從站以及監控觸摸屏構成整個風電機組的控制系統。

主控制系統網絡結構如圖二所示。

(圖二) 主控制系統網絡結構

由主控制系統網絡結構圖可知,塔下控制柜內的CAN通訊主站模塊EL6751通過CANopen協議與位于變流柜內的CAN通訊從站OPT-C6通訊模塊進行通訊。塔上控制柜內的CAN通訊主站模塊EL6751通過CANopen協議與變槳系統的CAN通訊從站OPT-C6通訊模塊和振動模塊進行通訊。

2.2 控制系統自動化系統結構

100KW 風力發電系統的自動化控制系統采用倍福(Beckhoff)的TwinCAT軟件來實現。

控制系統框圖如圖三所示。

由圖三控制系統框圖可知,它是一個典型的、先進的集散控制系統。它既能對現場實現分散控制,又能對機組運行的自動化、狀態的監控、機組管理實現集中控制。這樣把系統不可靠因素對系統影響降低到最低限度,使機組正常可靠運行[2]。

控制系統組成分三級:(1)工業現場控制級——由永磁同步發電

(圖三) 控制系統框圖

機、變流器以及CX5020嵌入式PC、安全鏈系統組成；(2)基礎自動化控制級——由TwinCAT軟件組成；(3)上位監控級——由工業控制計算機組成,采用三維力控的工控組態軟件進行設計。

3 倍福模塊在100KW永磁直驅風力發電機組安全系統中的應用

100KW永磁直驅風電機組控制系統的安全鏈控制功能通過數字量輸入模塊和PLC內部程序來實現。塔上塔下急停按鈕與串入安全繼電器,急停按鈕動作時安全繼電器使安全鏈斷開,倍福PLC得到信號之后會發出相應指令同時通過CAN總線給CAN從站發送相應通訊數據。

100KW永磁直驅風電機組串入安全鏈的信號有:(1)超速模塊:風輪轉速超速時,超速模塊內的觸點作出相應動作；(2)振動開關:機艙振動過大,振動開關斷開；(3)變槳系統緊停:變槳變頻器故障,變槳系統安全鏈斷開；(4)偏航扭攬開關:偏航扭攬限位開關動作；(5)自動復位繼電器:PLC輸出復位信號時候,安全鏈復位；(6)手動并網斷路器:手動并網斷路器的輔助觸點串入安全鏈；(7)自動并網接觸器:自動并網接觸器由網側變流器控制,其輔助觸點串入安全鏈。

上述塔上和塔下安全鏈信號串聯在一起,塔下安全鏈正常以后反饋給倍福PLC信號,然后倍福PLC自動復位塔上安全鏈信號。塔上塔下安全鏈反饋給倍福PLC的信號都正常,則PLC會根據程序進行邏輯運算然后發出相應指令或通訊數據。當安全鏈不正常時,倍福PLC會發出以下信號:(1)發出安全鏈急停信號給變槳系統,變槳系統以最快的速度驅動葉片至順槳位置(90°)；(2)當葉輪轉速小于3r/min時,抱閘系統執行剎車動作；(3)變流器停止工作。

倍福PLC在風力發電機組控制系統信息采集方面的應用:倍福PLC中的EL3403端子模塊可以測量電網中的所有電氣數據。例如電網的三相電壓值和電流值。通過EL3403模塊還可以計算每相的有功功率和能量損耗。EL1502端子模塊內部是一個加/減計數器模塊用來計算二進制脈沖,并且此模塊以電氣隔離的形式將計數器狀態傳到上層的設備中。倍福PLC預裝的程序通過EL1502模塊接收的接近開關的脈沖個數來計算風輪的轉速。EL3204是4通道PT100輸入端子模塊,此模塊可以直接連接電阻型傳感器。通過EL3204模塊倍福PLC可以測量發電機、塔上/塔下控制柜的溫度,并將這些溫度值發送給監控觸摸屏[3]。

4 結語

在調試和運行100KW永磁直驅風力發電機組控制系統過程中,可以發現倍福PLC作為風電機組控制系統的主控制器,編程方便,可實施性強。倍福PLC模塊化設計使其結構緊湊,堅固可靠,安裝及接線非常方便,維護便捷,若某模塊損壞,直接用模塊備件替換即可,編寫的程序等其它不需作任何變動即可投入正常運行狀態。應用倍福PLC,通過倍福PLC自動化TwinCAT能夠直接觀測出系統的運行情況,為維護人員查找故障提供了極大的方便,從而縮短了對系統的維護時間[4]。

[1]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京:機械工業出版社,2002.

[2]MD-030.00-A,W2000 風力發電機組操作運行手冊.

[3]倍福PLC模塊選型手冊.

[4]朱曙.基于PLC的風力發電控制系統研究[J].電子測量技術,2009.3.