寧平華,夏興國,張慶豐

(馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽馬鞍山243031)

風(fēng)力發(fā)電風(fēng)向跟蹤負(fù)荷控制系統(tǒng)算法設(shè)計與實現(xiàn)

寧平華,夏興國,張慶豐

(馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽馬鞍山243031)

為實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主動迎風(fēng)提高發(fā)電效率，提出一種以西門子PLC為核心的風(fēng)向跟蹤與葉片方向控制的算法。該算法包括IFL智能軟件濾波、PID控制及ODM輸出調(diào)度等部分?；谠撍惴ǖ娘L(fēng)向跟蹤負(fù)荷控制系統(tǒng)能夠快速、精準(zhǔn)實現(xiàn)各種偏航控制任務(wù)，自動偏航僅需3 s便能實現(xiàn)，超調(diào)量指標(biāo)可控制在5%以內(nèi)，且在偏航結(jié)束后能使葉輪旋轉(zhuǎn)平面與來流風(fēng)向保持垂直，誤差控制在±1°內(nèi)。此外，還具備自動解纏繞和風(fēng)暴發(fā)生時側(cè)風(fēng)以保護(hù)設(shè)備的安全等功能。

風(fēng)力發(fā)電；主動迎風(fēng)；風(fēng)向跟蹤；PLC；PID控制

Abstract：In order to realize an active windward movement of the leaf in wind turbine generator to improve the generation efficiency,the paper put forward a wind direction tracking and leaf orientation algorithm with a Siemens PLC as its core.The algorithm includes IFL intelligent software filter,PID control and ODM output scheduling,etc.The wind direction tracking and load control system based on this algorithm can quickly and accurately fulfill various yaw control tasks.Automatic yaw process generally takes about 3 seconds,the overshoot can be controlled under 5%,and the angle between leaf plane and wind flow direction can be 90(±1) degrees.In addition,it also has the function of automatic unwrapping and crosswind to keep equipment safety in a wind storm.

Key words：wind power generation;active windward movement;wind direction tracking;programmable logic controller;PID control

風(fēng)能是一種干凈的可再生能源。風(fēng)能作為一種新的、安全可靠的潔凈能源，其優(yōu)越性已為越來越多的人所認(rèn)識[1-3]。風(fēng)力機(jī)在發(fā)電時葉輪平面需與風(fēng)向垂直以獲取較大的風(fēng)能，因此隨著風(fēng)向的變化需調(diào)整葉輪平面使之迎風(fēng)。調(diào)整葉輪平面進(jìn)行迎風(fēng)有主動迎風(fēng)和被動迎風(fēng)2種。由于風(fēng)向存在離散性，被動迎風(fēng)時葉輪平面頻繁擺動。在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，因調(diào)向力矩大，葉輪平面頻繁擺動對調(diào)向機(jī)構(gòu)的壽命影響嚴(yán)重，故一般采用主動迎風(fēng)。主動迎風(fēng)需根據(jù)風(fēng)向和葉輪平面法線方向確定調(diào)向，雖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但迎風(fēng)過程可控。

本文主要內(nèi)容就是研究主動迎風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)向跟蹤控制算法及軟件實現(xiàn)，使迎風(fēng)調(diào)向準(zhǔn)確穩(wěn)定，對延長風(fēng)力設(shè)備調(diào)向機(jī)構(gòu)的壽命和提高發(fā)電量均具有實際意義[4-6]。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)組成及偏航系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)基本包括風(fēng)力機(jī)槳葉、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、控制、偏航及剎車等組成部分。其中偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的伺服系統(tǒng)的一部分，它具有以下功能：其一，穩(wěn)定的風(fēng)向跟蹤功能；其二，當(dāng)電纜發(fā)生纏繞時，具有自動解除纏繞功能。偏航系統(tǒng)工作原理為：通過風(fēng)傳感器采集風(fēng)向、風(fēng)速信號，并將信號送至PLC，由PLC計算風(fēng)向與機(jī)艙當(dāng)前位置之間的夾角，判斷機(jī)艙位置是否需要調(diào)整，以及需要調(diào)整時最短的調(diào)整路徑[7-12]。

2 風(fēng)向跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計方案

整個控制系統(tǒng)由硬件和軟件部分組成。硬件部分由風(fēng)傳感器、PLC、上位機(jī)、偏航電機(jī)、偏航編碼器等硬件組成。上位機(jī)軟件使用Visual Basic 編制而成，對整個系統(tǒng)起監(jiān)測和控制的作用。

系統(tǒng)采用S7-300 PLC 作為系統(tǒng)主控制站，利用Step7軟件編制控制程序，作為系統(tǒng)的直接數(shù)字控制中心，并通過RS-485總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)各組成部分主要功能如下說明。

1) 風(fēng)傳感器 系統(tǒng)選用FT702LT風(fēng)傳感器，在設(shè)置好基準(zhǔn)風(fēng)向之后，它能夠準(zhǔn)確將風(fēng)向和風(fēng)速信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA 電流，并將信號傳送至PLC。為了避免自然風(fēng)流經(jīng)風(fēng)機(jī)時產(chǎn)生的葉輪湍流對測量結(jié)果的擾動，風(fēng)傳感器通常安裝在測風(fēng)塔上。

2) 偏航編碼器 系統(tǒng)使用倍加福PVM58N絕對值編碼器，通過聯(lián)軸器與風(fēng)力機(jī)短艙相連。偏航時，短艙帶動編碼器一起轉(zhuǎn)動。短艙的每一個機(jī)械位置都與1個具有唯一性的編碼相對應(yīng)，并被快速、準(zhǔn)確地以Profibus-DP通訊方式將其傳送至PLC系統(tǒng)存儲區(qū)中。

3) 偏航電機(jī) 系統(tǒng)采用YTJ-90-4/300 單相異步齒輪減速電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動風(fēng)力機(jī)短艙和葉輪隨風(fēng)向的變化而旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)跟風(fēng)、對風(fēng)與解纜等任務(wù)。它具有體積小、負(fù)載特性優(yōu)、調(diào)速范圍寬、機(jī)械特性硬及既有機(jī)械又有電子的無級調(diào)速等諸多優(yōu)點(diǎn)。

4)西門子S7-300系列PLC 作為直接數(shù)字控制中心，接收基準(zhǔn)風(fēng)向信號、風(fēng)向風(fēng)速信號和風(fēng)力機(jī)短艙位置信號，經(jīng)過算法處理生成控制指令并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)信號發(fā)送給偏航電機(jī)，同時與上位機(jī)保持實時數(shù)據(jù)通訊。

5) 上位機(jī)監(jiān)控程序 通過上位機(jī)監(jiān)控程序?qū)⑾到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)故障等信息以數(shù)據(jù)、圖形或表格等形式直觀顯現(xiàn)，對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，在需要時還可以通過對PLC的邏輯處理過程進(jìn)行過程性干預(yù)控制，以防風(fēng)暴等意外狀況破壞整個發(fā)電系統(tǒng)。

3 控制系統(tǒng)的軟件功能

整個軟件功能結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。

風(fēng)向角、偏航角均以正北為0°，以順時針方向由南—西—北—東到南為-180°～180°。偏航電機(jī)轉(zhuǎn)動范圍為順時針0°→180°和逆時針-180°→0°，任一方向到達(dá)極限后需反轉(zhuǎn)360°再重新調(diào)節(jié)。由此產(chǎn)生的2種偏轉(zhuǎn)情況見圖3所示。

圖2 軟件功能結(jié)構(gòu)流程圖

圖3 2種偏轉(zhuǎn)情況

負(fù)荷控制算法描述如下說明。

1)實際進(jìn)行風(fēng)向測量中伴有虛假信號，在軟件中采用IFL濾波器剔除噪聲點(diǎn)。

2)整個負(fù)荷控制規(guī)律為：

a.升負(fù)荷(控制偏差為正)情況。在實際角度RD較小時，偏航控制作用弱，此時需增大增益快速調(diào)節(jié)負(fù)荷；RD較大時，則正常調(diào)節(jié)。

b.降負(fù)荷(控制偏差為負(fù))情況。在實際角度RD較小時，偏航控制作用弱，此時需增大增益快速調(diào)節(jié)負(fù)荷；RD較大時，則正常調(diào)節(jié)。在控制偏差較大時，為防止超負(fù)荷需進(jìn)一步增大增益。

根據(jù)以上2個原則，設(shè)置FX1～FX4系數(shù)。

c.FX5～FX6設(shè)置控制方向。當(dāng)RD﹥0時，為正作用；RD﹤0時，為反作用。另外，還可添加控制死區(qū)。

d.FX7～FX8設(shè)置ODM模塊的正、反向動作閾值。正向閾值根據(jù)RD的余弦值確定；反向閾值加入負(fù)荷偏差修正；在超負(fù)荷且負(fù)荷增加時，適當(dāng)減少反向閾值以快速限制負(fù)荷。

e.FX9設(shè)置回轉(zhuǎn)閾值。當(dāng)超負(fù)荷時，設(shè)置大回轉(zhuǎn)閾值，禁止回轉(zhuǎn)。

3)ODM輸出調(diào)度管理模塊。對輸出進(jìn)行平滑處理，并處理回轉(zhuǎn)、超馳、過“0”等特殊情況。

4)SSRV為軟伺服模塊，根據(jù)指令反饋情況控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

前饋值功能子模塊軟件結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 前饋值功能子模塊結(jié)構(gòu)流程圖

當(dāng)遭遇極端大風(fēng)天氣，風(fēng)速超過最大值時，系統(tǒng)執(zhí)行90°側(cè)風(fēng)以防電壓過高使發(fā)電機(jī)組燒毀。

在執(zhí)行側(cè)風(fēng)程序時，先會將自動偏航指令屏蔽，再控制以最短路徑調(diào)整到側(cè)風(fēng)位置，側(cè)風(fēng)操作完成后馬上抱緊偏航閘。如果大風(fēng)風(fēng)向發(fā)生變化時，繼續(xù)進(jìn)行追蹤，始終保持側(cè)風(fēng)，以確保發(fā)電機(jī)組安全。

剎車功能子模塊結(jié)構(gòu)流程圖見圖5。

圖5 剎車功能子模塊結(jié)構(gòu)流程圖

4 軟件主要功能塊流程圖

該項目在具體實現(xiàn)過程中，由于前期調(diào)試過程中一些函數(shù)功能的系數(shù)不確定性以及高級語言的便利性，先采用Visual Basic高級編程語言編寫實現(xiàn)上述軟件功能，最后通過PLC控制單元直接輸出控制對象。

在VB編程的程序?qū)崿F(xiàn)上述功能并調(diào)試實現(xiàn)功能后，最后將上述軟件移植到S7-300的PLC中，其中一部分復(fù)雜的算法控制用ST語言來編寫，PLC的主程序還是采用PLC的梯形圖編程方式實現(xiàn)。

由于在項目實現(xiàn)過程采用多種語言，為實現(xiàn)通用可移植性，主要函數(shù)均采用C語言來描述。其中自動偏航子程序的流程圖如圖6所示。

圖6 自動偏航子程序的流程圖

5 結(jié)語

本文針對某電力公司中小型風(fēng)力機(jī)科研項目設(shè)計出一種風(fēng)向跟蹤負(fù)荷控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)性價比高。樣機(jī)實測結(jié)果表明：系統(tǒng)性能穩(wěn)定高、故障率低；該系統(tǒng)能實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)向跟蹤及偏航控制任務(wù)，3 s內(nèi)便能完成自動偏航過程，且超調(diào)量指標(biāo)在5%以內(nèi)；系統(tǒng)不存在在目標(biāo)位置來回振蕩現(xiàn)象；系統(tǒng)調(diào)整完成后，能使葉輪旋轉(zhuǎn)平面與來流風(fēng)向基本保持垂直，角度偏差控制在±1°

內(nèi)。同時，該系統(tǒng)還具備自動解纏繞和風(fēng)暴發(fā)生時側(cè)風(fēng)以保護(hù)設(shè)備安全等功能。

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責(zé)任編輯：陳 亮

Algorithm Design and Realization of Wind Direction Tracking and Load Control in Wind Power Generation System

NING Pinghua,XIA Xingguo,ZHANG Qingfeng

(Maanshan Technical College,Maanshan 243031)

10.3969/j.issn.1671- 0436.2015.06.004

2015- 09- 14

安徽省高校省級優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)項目(2013SQRL145ZD)

寧平華(1982— )，男，碩士，講師。

TM83

A

1671- 0436(2015)06- 0016- 05