郭懿陽， 王貴成， 關(guān)長亮， 朱 亮， 孫旖琦

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142)

對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)人才的培訓(xùn)一般情況下需要在實際運行的系統(tǒng)上進行操作，這不僅成本高、培訓(xùn)時間長，而且有些故障只有在實際發(fā)生時才有實際操作的機會，因而，導(dǎo)致一部分知識只能停留在感性認識的階段.而且系統(tǒng)規(guī)模越大，復(fù)雜程度越高，則危險系數(shù)越高，特別是造價越昂貴，訓(xùn)練時因操作不當(dāng)而帶來的損失就越大，這些問題使得應(yīng)用傳統(tǒng)培訓(xùn)方式培訓(xùn)學(xué)員的方法費用高、可靠性差.

為解決這些問題，風(fēng)力發(fā)電機仿真設(shè)備WTS應(yīng)運而生.該系統(tǒng)可以真實地模擬風(fēng)力發(fā)電機的工作環(huán)境以及工作過程，并且能夠動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)各部分的運行參數(shù)，使學(xué)員能在真實、安全的環(huán)境下直接地學(xué)習(xí)風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和日常運行管理的知識.

1 WTS實驗平臺

WTS應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠?qū)︼L(fēng)機在風(fēng)場運行過程中的多種工作條件以及故障模式進行實時仿真，該系統(tǒng)滿足的情景再現(xiàn)與工程再現(xiàn)使得人機具有良好的交互方式，逼真的表現(xiàn)形式使得學(xué)習(xí)人員感受到風(fēng)場環(huán)境，并可以對風(fēng)電設(shè)備進行操控，從而達到教學(xué)或者培訓(xùn)的效果.

1.1 WTS實驗平臺介紹

WTS可以仿真模擬常用的風(fēng)力發(fā)電機組:定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機組、變槳距風(fēng)力發(fā)電機組、帶轉(zhuǎn)子動態(tài)電阻器的變槳距風(fēng)力發(fā)電機組、帶雙饋發(fā)電機的變槳距風(fēng)力發(fā)電機組.通過風(fēng)力發(fā)電機組相關(guān)的空氣動力學(xué)模型、機械模型、電氣模型，WTS可以準確地反映風(fēng)力發(fā)電機從啟動到運行、暫停、停機、急停等各個階段的工作狀態(tài)和工作特性.同時，風(fēng)電機組關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)參數(shù)均可以靈活自定義，如葉輪直徑、額定功率、額定轉(zhuǎn)速、同步轉(zhuǎn)速等.

WTS可基于ProfiNet總線技術(shù)與外部控制器通訊，作為控制器的被控對象與之實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互.該硬件在回路仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的情景再現(xiàn)與工程再現(xiàn)能夠提供直觀的視覺表現(xiàn)，對風(fēng)電機組正常運行模式以及故障模式進行實時仿真與監(jiān)控，包括多種類型的風(fēng)機在多種風(fēng)場中運行的多種工作條件，使仿真平臺能夠更貼近實際風(fēng)電機組運行環(huán)境.利用外部控制器進行硬件組態(tài)、調(diào)試和運行控制程序，完成風(fēng)電機組的控制和監(jiān)控要求，省去高昂的設(shè)備費用，對于風(fēng)電教學(xué)或培訓(xùn)具有重要意義.

風(fēng)力發(fā)電機組的主要部件:

(1)風(fēng)機全貌、塔基、虛擬風(fēng)向指示;

(2)機艙內(nèi)部、控制柜、齒輪箱、發(fā)電機、液壓系統(tǒng)、偏航電機;

(3)機艙外部風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計;

(4)輪轂及葉片;

(5)輪轂內(nèi)變槳系統(tǒng)及控制柜.

1.2 完整的風(fēng)力發(fā)電機組運行工況模擬

1.2.1 風(fēng)模擬

用戶可以實時選擇預(yù)定義的風(fēng)速、風(fēng)向;也可以自定義風(fēng)模型，模擬海上、草原等不同的風(fēng)場條件.

標(biāo)準風(fēng):將風(fēng)速預(yù)置為和風(fēng)、清風(fēng)、強風(fēng)和疾風(fēng)4種類型，將風(fēng)向預(yù)置為東、南、西、北、東南、西南、西北、東北8個方向，便于用戶選擇.

基本風(fēng):設(shè)置風(fēng)速的基本值.

隨機風(fēng):設(shè)置風(fēng)速隨機變化時的最大變化幅值，根據(jù)自然風(fēng)的概率分布特性，產(chǎn)生隨機風(fēng)速.

斜坡風(fēng):設(shè)置逐漸增加/減小的風(fēng)速.

陣風(fēng):設(shè)置短時間出現(xiàn)的風(fēng)速.

基本風(fēng)、隨機風(fēng)、斜坡風(fēng)、陣風(fēng)等風(fēng)速的設(shè)置以及方向的設(shè)置均可由用戶輸入.

1.2.2 故障模擬

發(fā)電機系統(tǒng):發(fā)電機溫度過高、發(fā)電機轉(zhuǎn)速劇烈波動、發(fā)電機轉(zhuǎn)速突變.

偏航系統(tǒng):需要機艙動作時無響應(yīng)、機艙非正常擺動.

槳距系統(tǒng):槳距系統(tǒng)齒圈潤滑油液位過低、需要槳葉動作時無響應(yīng).

傳動系統(tǒng)及齒輪箱:風(fēng)輪轉(zhuǎn)速測量劇烈波動、潤滑油液位過低、潤滑油溫度過高、冷卻水溫度過高、風(fēng)輪無法制動.

1.3 可進行的實訓(xùn)項目

(1)風(fēng)機發(fā)電機組運行原理:風(fēng)力發(fā)電機組工作原理、空氣動力學(xué)原理、液壓傳動基本原理、電機拖動與變頻基本原理、偏航系統(tǒng)工作原理、變槳系統(tǒng)工作原理等.

(2)風(fēng)力發(fā)電機組組成結(jié)構(gòu):葉片形狀、安裝及其連接的機械結(jié)構(gòu)，槳距系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，傳動機構(gòu)的機械組成，發(fā)電機、電動機的結(jié)構(gòu)和組成，偏航系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，塔架、機艙內(nèi)/外部結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)等.

(3)風(fēng)力發(fā)電機組控制策略:變槳距風(fēng)電機組啟動轉(zhuǎn)速控制策略、變槳距風(fēng)電機組欠功率控制策略、變槳距風(fēng)電機組額定功率控制策略、變速風(fēng)電機組最優(yōu)功率曲線跟蹤控制策略、風(fēng)電機組偏航控制策略、風(fēng)電機組解纜控制策略、風(fēng)電機組的制動與保護策略.

(4)風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)實施:控制系統(tǒng)硬件選型、控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接、控制系統(tǒng)接線與通訊測試、PLC/DCS編程、HMI組態(tài).

(5)風(fēng)力發(fā)電機組運行:風(fēng)電機組監(jiān)控系統(tǒng)的使用、手動偏航操作、自動偏航控制、手動解纜操作、自動解纜控制、變槳控制、功率控制、并網(wǎng)與脫網(wǎng)操作.

(6)風(fēng)力發(fā)電機組維護

偏航系統(tǒng)維護:偏航系統(tǒng)故障及故障排查、機艙振動故障及故障排查.

變槳系統(tǒng)維護:潤滑油液位過低的故障排查、潤滑油壓力過低的故障排查、潤滑系統(tǒng)故障及故障排查.

發(fā)電機系統(tǒng)維護:發(fā)電機溫度過高的故障排查、冷水溫度過高的故障排查、冷水泵故障及故障排查、冷卻風(fēng)扇故障及故障排查、軸承故障及故障排查.

齒輪箱維護:潤滑油溫度過高的故障排查、潤滑油液位過低的故障排查、冷卻水溫度過低的故障排查、冷水泵故障及故障排查、冷卻風(fēng)扇故障及故障排查、油箱泄漏的故障排查、油箱泵故障及故障排查、主軸轉(zhuǎn)速測量的故障排查、盤式制動器故障及故障排查.

1.4 控制方式

E-Wind Turbine可基于ProfiBus DP總線技術(shù)與外部控制器通訊，作為控制器的被控對象與之實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互.WTS的運行環(huán)境如圖1所示.

圖1 WTS運行環(huán)境Fig.1 The operating environment of WTS

2 實驗平臺的開發(fā)

2.1 實驗過程簡介

2.1.1 開機步驟

(1)檢測到風(fēng)速大于啟動風(fēng)速(4 m/s)時，可以啟動風(fēng)機.

(2)風(fēng)機偏航，自動正對風(fēng)向.風(fēng)向角與風(fēng)機偏航角之差不超過1°，即可認為風(fēng)機已正對風(fēng)向.

(3)自動控制槳距角逐漸到0°，使葉片垂直迎風(fēng).

(4)打開風(fēng)機機械剎車開關(guān)，發(fā)電機開始轉(zhuǎn)動.

(5)當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min時，閉合并網(wǎng)開關(guān)，開始發(fā)電.

2.1.2 停機步驟

1）鈣肥。基肥可畝施硝酸鈣25 kg，每3年施1次；噴施可在落花后至套袋前，用0.3%～0.5%硝酸鈣或氨基酸鈣、腐殖酸鈣噴3～4次。

(1)給出停機信號后，自動控制槳距角到90°.

(2)檢測到功率為0后，將風(fēng)機切出電網(wǎng)，并發(fā)出風(fēng)機機械剎車信號.

2.2 控制任務(wù)

2.2.1 偏航控制

風(fēng)的方向始終處于變化之中，要求設(shè)計偏航控制算法，保證風(fēng)機始終正對風(fēng)向，最大限度地從風(fēng)中獲取能量.當(dāng)風(fēng)向角與風(fēng)機偏航角之差超過5°，即需要進行偏航控制.當(dāng)風(fēng)機偏航超過3圈(±1 080°)時，需設(shè)計解纜控制程序，防止內(nèi)部電纜發(fā)生纏繞.

2.2.2 槳距控制

當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速，風(fēng)機輸出功率過高可能致使硬件設(shè)備受損.設(shè)計功率控制算法，通過變槳距控制限制風(fēng)機吸收的功率，保證機組的安全、穩(wěn)定運行.

2.2.3 風(fēng)機全自動啟動

按照開機步驟實施風(fēng)機全自動開車，保證開車穩(wěn)步進行.在開車過程中，葉片上的升力和阻力與槳距角之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，要保證隨著槳距角的減小，風(fēng)機的升力始終大于阻力，確保風(fēng)機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速.

2.2.4 運行狀態(tài)監(jiān)測

在風(fēng)機整個運行過程中，監(jiān)測電力參數(shù)、風(fēng)力參數(shù)、機組狀態(tài)參數(shù)以及各種反饋信號等，確保風(fēng)機穩(wěn)定運行，在出現(xiàn)風(fēng)速低于啟動風(fēng)速、剎車故障、并網(wǎng)故障等異常運行狀態(tài)時執(zhí)行停機操作.

3 實施策略

3.1 偏航系統(tǒng)實現(xiàn)方法

偏航系統(tǒng)是水平軸式風(fēng)力發(fā)電機組必不可少的組成系統(tǒng)之一.偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個:與風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電效率;提供必要的鎖緊力矩，以保證風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行［1］.偏航系統(tǒng)流程如圖2所示.

因為在實際情況中，海上風(fēng)通過風(fēng)機的葉輪產(chǎn)生的湍流會使監(jiān)測到的風(fēng)向產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致中央處理單元CPU1214C中得到的風(fēng)向值不停地變化，所以，在實驗過程中為了重現(xiàn)真實的風(fēng)向，設(shè)計的風(fēng)向偏差是正負5°，此時就需要偏航控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向的波動自動進行校正［2］.通常，當(dāng)風(fēng)向角與偏航角之間的角度差在5°或10°(可根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整)，便需要進行偏航;需要注意的是，為防止在自動校正過程中由于風(fēng)向偏差的干擾造成電機的頻繁轉(zhuǎn)動，需要設(shè)置死區(qū)來減緩電機頻繁轉(zhuǎn)動次數(shù)［3］.

圖2 偏航系統(tǒng)工作流程Fig.2 The workflow chart of yaw system

值得注意的是，每次偏航任務(wù)都需要將偏航計數(shù)的數(shù)據(jù)傳給控制器，即偏航電機正負旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)在每次偏轉(zhuǎn)時都應(yīng)記錄下來，以便于控制器判斷電機電纜是否處于纏繞狀態(tài)，機艙每次針對風(fēng)向的調(diào)整與調(diào)整的歷史數(shù)據(jù)進行整合，將整合后的數(shù)據(jù)發(fā)往控制器，然后由控制器決定機艙是否進行解纜處理.

3.2 變槳距系統(tǒng)實現(xiàn)方法

變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動性能.當(dāng)功率在額定功率以下時，控制器將葉片槳距角置于0°附近不作變化，可認為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機組，發(fā)電機的功率根據(jù)葉片的氣動性能隨風(fēng)速的變化而變化.當(dāng)功率超過額定功率時，變槳距機構(gòu)開始工作，調(diào)整葉片槳距角，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定值附近，使得額定功率點仍然具有較高的功率系數(shù)［4］.

變槳距風(fēng)力發(fā)電機組在低風(fēng)速時，將葉槳距轉(zhuǎn)動到合適的角度，使風(fēng)輪具有最大的啟動力矩，從而使變槳距風(fēng)力發(fā)電機組比定槳距風(fēng)力發(fā)電機組更容易啟動.具體工作流程如圖3所示.

圖3 變槳距系統(tǒng)工作流程Fig.3 The workflow chart of pitch system

在這里通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)功率恒定輸出.通過電量采集測出當(dāng)前發(fā)電機輸出功率Pe與給定功率P*，相比計算出功率誤差△P.功率的偏差作為PID控制器的輸入量，控制器根據(jù)△P發(fā)出葉片參考槳距角β的命令，然后計算出當(dāng)前槳距角誤差△β=β*-β(當(dāng)前槳距角β)，而后根據(jù)變距機構(gòu)的參數(shù)確定槳距變化速率.參考槳距角限制在0～90°范圍內(nèi)，控制器在這一范圍內(nèi)，按照新的槳距角要求調(diào)解風(fēng)力機槳葉［5］.

3.3 開車停車順序控制

風(fēng)力發(fā)電機組開車、停車順序流程如圖4、圖5所示.

圖4 風(fēng)力發(fā)電機組開車順序流程Fig.4 The sequence flow chart of start-up

圖5 風(fēng)力發(fā)電機組停車順序流程Fig.5 The sequence flow chart of stop

4 硬件連接及組態(tài)

在進行編程之前，為了給后續(xù)進行的程序編譯以及調(diào)試做好鋪墊，首先應(yīng)完成WTS實驗平臺與S7-1200之間的通訊連接.需要定義數(shù)據(jù)發(fā)送機制以及數(shù)據(jù)發(fā)送字節(jié)數(shù)量，還需要Profibus-DP從站提供工程中所需的AI/AO模塊以及DI/DO模塊.其硬件組成為:CPU1214C、WTS Profibus-DP從站通訊模塊:泗博 PM-125，WTS仿真設(shè)備，工程師站ES/操作員站OS.

如圖6所示，GSD device即為PM125通訊模塊，WTS仿真設(shè)備與CPU1214C通過此通訊模塊進行數(shù)據(jù)交換.

圖6 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.6 The network topology

5 程序編寫及HMI設(shè)計

S7-1200的編程環(huán)境類似于S7-200，基本都是通過梯形圖語言(LAD)在程序段內(nèi)進行程序的編寫.根據(jù)實施策略，在變槳距系統(tǒng)中用到的是PID模塊，可以使用S7-1200中的PID_Compact模塊進行變槳距控制，從而保證功率輸出在正常范圍;在偏航系統(tǒng)以及開車、停車階段基本都是采用邏輯判斷，通過LAD編寫算法來實現(xiàn)控制要求.PID模塊與部分程序如圖7、圖8所示.

圖7 PID_Compact模塊簡介Fig.7 The introduction of PID_Compact

圖8 偏航系統(tǒng)部分程序設(shè)計Fig.8 Partial program of the yaw system

待網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、程序編寫、OS畫面組態(tài)全部完成下載之后，開始進行風(fēng)電機組相關(guān)的實驗.點擊啟動按鈕，當(dāng)風(fēng)速大于啟動風(fēng)速之后，風(fēng)機就開始進行偏航操作，由初始的偏航角1 050°向初始風(fēng)向東北風(fēng)偏轉(zhuǎn)，待偏轉(zhuǎn)任務(wù)結(jié)束，風(fēng)機開始放槳，槳距角由初始的90°逐漸到0°，值得注意的是，放槳距過程一定要緩慢，使風(fēng)機葉片充分吸收風(fēng)能盡快將轉(zhuǎn)速提升起來，為后續(xù)的并網(wǎng)發(fā)電任務(wù)做好鋪墊.待轉(zhuǎn)速達到1 500 r/min之后一段時間，風(fēng)機開始并網(wǎng)發(fā)電，此時需要控制功率在300 kW±20 kW之間為最佳.

6 運行結(jié)果及分析

根據(jù)上述操作流程，在實驗中得到以下數(shù)據(jù)及曲線(如圖9所示).由圖9可以看出:風(fēng)電機組在啟動之后經(jīng)過一段時間的偏航控制，風(fēng)機正對風(fēng)向之后，槳距角開始由90°逐漸變化到0°，于此同時，轉(zhuǎn)速也逐漸上升，當(dāng)槳距角到1°時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速達到1 500 r/min，達到并網(wǎng)要求，在PID自動調(diào)節(jié)作用下，風(fēng)機輸出功率在300 kW±20 kW之間波動.當(dāng)風(fēng)速和偏航角發(fā)生變化之后，功率開始大幅度波動，直到風(fēng)向和風(fēng)速再次停止變化，功率再次趨于穩(wěn)定.

在整個過程中，偏航系統(tǒng)能夠隨著風(fēng)向的變化迅速做出反應(yīng)，能夠使風(fēng)機及時地正對不斷變化的風(fēng)向，抗干擾能力較強.不足的是在偏航過程中，通過控制槳距角并不能使風(fēng)電機組的功率穩(wěn)定輸出.造成該現(xiàn)象的原因是由于槳距角變化率較小，不能及時隨著理想槳距角輸出的變化而變化，從而造成了一定的滯后.如果能及時控制槳距角的變化速率，那么功率的輸出會更加理想.

圖9 工況控制曲線Fig.9 The control chart in the final hold by Siemens

7 結(jié)束語

本文以WTS為平臺，以風(fēng)電機組為被控對象，使用S7-1200作為控制設(shè)備，通過對風(fēng)電機組的構(gòu)造以及各部分系統(tǒng)工作原理的分析，指導(dǎo)學(xué)生完成對風(fēng)機的開機過程、自動偏航和變槳距系統(tǒng)等程序的編寫，并利用WINCC V11對人機界面進行了設(shè)計，通過控制器S7-1200對仿真平臺WTS進行了風(fēng)電機組的模擬控制，使學(xué)生能夠更加真實地感受到風(fēng)電現(xiàn)場的各種因素對系統(tǒng)的影響并實施相應(yīng)的措施消除干擾，在較好地完成控制要求的同時也具有良好的教育意義.

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