趙仁德， 李忠玉， 何金奎

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制學(xué)院， 山東 青島 266580)

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風(fēng)力機(jī)輸出特性的實驗室模擬

趙仁德， 李忠玉， 何金奎

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制學(xué)院， 山東 青島 266580)

摘要：為了滿足高?！帮L(fēng)力發(fā)電”課程實驗教學(xué)的需要，本文以西門子S7-300PLC和S120變頻器為核心，構(gòu)建了風(fēng)力機(jī)輸出特性的實驗室模擬系統(tǒng)。通過在S7-300PLC中實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)模擬算法編程，使S120變頻器按照風(fēng)力機(jī)的輸出特性對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。穩(wěn)態(tài)和動態(tài)實驗結(jié)果驗證了風(fēng)力機(jī)模擬的有效性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；風(fēng)力發(fā)電；變頻器

Establishment of a Lab Simulator of Wind Turbine

ZHAO Ren-de, LI Zhong-yu, HE Jin-kui

(CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580，China)

Abstracts: A lab simulator of wind turbine is established based on Siemens S7-300PLC and S120 frequency converter to fulfill the requirement of experiment teaching in Wind Energy Generation course in university. Simulation algorithm is implemented by programming in S7-300PLC. The output torque of the electrical motor is controlled according to the wind turbine output characteristic by S120 frequency converter. The steady state and dynamic experiments were carried out and the results show the validity of the lab simulator.

Keywords:wind turbine； wind energy generation； frequency converter

0引言

隨著國家對可再生能源重視程度的提高，各高校相繼開設(shè)了“風(fēng)力發(fā)電”課程。該課程需要實驗環(huán)節(jié)配套，而如何在實驗室中模擬風(fēng)力機(jī)的輸出特性，是“風(fēng)力發(fā)電”實驗教學(xué)的關(guān)鍵問題。

很多文獻(xiàn)對風(fēng)力機(jī)模擬的原理進(jìn)行了闡述，而且提出了各種風(fēng)力機(jī)實驗室模擬的方案，如基于直流電動機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬[1,2]，基于異步電動機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬等[3-5]。這些方案均需要研制相應(yīng)的電動機(jī)控制器，實現(xiàn)難度較大，更適合于科研，而不太適合于本科教學(xué)。為此，本文設(shè)計了一種基于西門子S7-300 PLC、S120變頻器和三相異步電動機(jī)的風(fēng)力機(jī)輸出特性模擬方案，學(xué)生通過PLC編程就可以實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的模擬。

1風(fēng)力機(jī)的輸出特性

設(shè)空氣密度為ρ，風(fēng)輪葉片半徑為r，風(fēng)速為v，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速為ωwt。則風(fēng)力機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率和機(jī)械轉(zhuǎn)矩為

Pmech=0.5Cp(λ,β)ρr2v3

(1)

(2)

式中Cp(λ,β)是風(fēng)能利用系數(shù)，它反映風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能的效率。當(dāng)風(fēng)速確定時，風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)能只與風(fēng)能利用系數(shù)有關(guān)。由文獻(xiàn)[6]可知：

(3)

其中，

(4)

葉尖速比λ是風(fēng)輪葉片尖端的線速度與風(fēng)速之比：

(5)

當(dāng)槳葉節(jié)距角β不變時，風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ,β)是葉尖速比λ的函數(shù)，如圖1所示，存在著一個最佳葉尖速比λopt，對應(yīng)最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax。

圖1　風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系

2風(fēng)力機(jī)模擬的原理

根據(jù)公式(2)～(5)給出的風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速、風(fēng)輪半徑、槳葉節(jié)距角、空氣密度和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系可知，在空氣密度和風(fēng)輪半徑已知的情況下，風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩只與風(fēng)速v、槳葉節(jié)距角β和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ωwt有關(guān)。從而得到如圖2所示的風(fēng)力機(jī)模擬的原理示意圖。設(shè)定風(fēng)速v、槳葉節(jié)距角β以及實時測得的電動機(jī)轉(zhuǎn)速ωwt，根據(jù)風(fēng)力機(jī)模型計算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令，對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，可實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)輸出特性的模擬。電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)響應(yīng)和精度決定了風(fēng)力機(jī)模擬的效果。

圖2　風(fēng)力機(jī)模擬原理示意圖

3風(fēng)力機(jī)模擬的實現(xiàn)

根據(jù)圖2給出的風(fēng)力機(jī)模擬原理，以西門子S7-300 PLC和S120變頻器為控制核心，構(gòu)建了風(fēng)力機(jī)的實驗室模擬系統(tǒng)，如圖3所示。上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)與S7-300 PLC建立通信，主要起人機(jī)交互的作用，設(shè)置風(fēng)速、槳葉節(jié)距角等參數(shù)，控制風(fēng)力機(jī)模擬的起、停，并把PLC返回的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示。S7-300 PLC根據(jù)編碼器測得的轉(zhuǎn)速信息，進(jìn)行計算，得到轉(zhuǎn)矩指令，將轉(zhuǎn)矩指令通過工業(yè)現(xiàn)場總線(PROFIBUS)傳送到S120變頻器，S120變頻器通過對異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，實現(xiàn)對風(fēng)力機(jī)輸出特性的模擬。

圖3　風(fēng)力機(jī)實驗室模擬系統(tǒng)的構(gòu)成

具體實施方案如下：

(1)監(jiān)控界面：利用西門子組態(tài)軟件WinCC對監(jiān)控畫面進(jìn)行組態(tài)設(shè)計。人機(jī)交互界面在WinCC/Graphics Designer中創(chuàng)建，界面中涉及的變量在WinCC/Tag Management/SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE中定義，為完成上位機(jī)與PLC之間的通信，選擇在TCP/IP連接方式下創(chuàng)建變量組。變量的名稱、大小與PLC中變量相同，即可實時對PLC中變量實施操作。

(2)S7-300 PLC的相關(guān)設(shè)置：PLC是整個控制系統(tǒng)的樞紐，實現(xiàn)變頻器控制、風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型建立以及與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳遞的功能。S7-300 PLC采用結(jié)構(gòu)化編程，可以調(diào)用系統(tǒng)集成的程序塊SFC58、SFC59 ，通過PROFIBUS非周期性通訊方式讀取變頻器參數(shù)，在其參數(shù)應(yīng)答表中設(shè)置參數(shù)值與控制字，可讀取S7-300變頻器中電流、轉(zhuǎn)速等信息。系統(tǒng)功能塊SFC14可設(shè)置變頻器給定轉(zhuǎn)矩參數(shù)p2003與給定轉(zhuǎn)速參數(shù)p2000。風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立通過SCL程序?qū)崿F(xiàn)，將上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳遞的設(shè)置參數(shù)如風(fēng)速v、風(fēng)輪半徑r經(jīng)公式(2)～(5)計算得到給定轉(zhuǎn)矩值Tref，功能塊SFC14獲取Tref的地址即可實現(xiàn)變頻器轉(zhuǎn)矩給定。

(3)S120變頻器的相關(guān)設(shè)置：在西門子變頻器配置軟件SIMATIC Manager/S7T Config中，轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制切換與參數(shù)r2090關(guān)聯(lián)，相應(yīng)位置1即可選擇轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型計算得到的轉(zhuǎn)矩，可通過在轉(zhuǎn)矩設(shè)定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值關(guān)聯(lián)參數(shù)r2050實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的給定。

4實驗結(jié)果

為驗證風(fēng)力機(jī)模擬的有效性，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)實驗研究。設(shè)定空氣密度為1.29 kg/m3，風(fēng)輪半徑為5米，槳葉節(jié)距角為0°。實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4為風(fēng)速6 m/s時，風(fēng)力機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩與功率隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化的曲線，圖4(a)中曲線1為計算得到的風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線，即發(fā)給S120變頻器的轉(zhuǎn)矩指令，曲線2為實測的異步電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線，由圖可以看出，曲線2與曲線1之間的誤差很小，這說明，實際輸出轉(zhuǎn)矩能夠很好地模擬風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。圖4(b)為異步電動機(jī)輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線，符合風(fēng)力機(jī)的輸出特性。

(a)轉(zhuǎn)矩曲線　　　　　(b)功率曲線圖4　風(fēng)速6m/s時風(fēng)力機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩與功率曲線

圖5為風(fēng)速從5 m/s突變?yōu)? m/s時，風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，圖5(a)中曲線1為風(fēng)速為5 m/s時計算得到的風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線，曲線2為風(fēng)速為6 m/s時計算得到的風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線，曲線3為實測的異步電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線，由圖可以看出，風(fēng)速變化時，曲線3能夠快速地從跟蹤曲線1變化為跟蹤曲線2而且跟蹤的速度較快，這說明，實際輸出轉(zhuǎn)矩能夠快

速、準(zhǔn)確地模擬風(fēng)速變化時風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。圖5(b)為兩種風(fēng)速切換時異步電動機(jī)輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線，符合風(fēng)力機(jī)的輸出特性。

(a)轉(zhuǎn)矩曲線　　　(b)功率曲線圖5　風(fēng)速突變時風(fēng)力機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩與功率曲線

5結(jié)語

本文為適應(yīng)實驗教學(xué)的需要，以西門子S7-300PLC和S120變頻器為核心，構(gòu)建了風(fēng)力機(jī)的實驗室模擬系統(tǒng)，并進(jìn)行了實驗研究，實驗結(jié)果表明，該方案不僅簡單、可靠，有良好的動、靜態(tài)性能，而且能夠?qū)崟r地顯示風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，便于學(xué)生直觀地掌握風(fēng)力機(jī)的輸出特性。

參考文獻(xiàn)：

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[6]Siegfried Heier, “Grid Integrationof Wind Energy Conversion Systems,”[M] John Wiley & Sons Ltd,1998, ISBN 0-471-97143-X

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0686(2016)01-0118-03

中圖分類號：TK89

收稿日期:2014-11-06;修回日期:2016-01- 11基金項目：中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項目(項目編號：JY-B201420)

第一作者：趙仁德(1976-)，男，博士，副教授，主要從事電機(jī)控制方面的教學(xué)和科研工作，E-mail:zhaorende@126.com