趙仁德， 李忠玉， 何金奎

(中國石油大學(華東) 信息與控制學院， 山東 青島 266580)

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風力機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(華東) 信息與控制學院， 山東 青島 266580)

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

關鍵詞：風力機；風力發(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，各高校相繼開設了“風力發(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力機的輸出特性，是“風力發(fā)電”實驗教學的關鍵問題。

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

1風力機的輸出特性

設空氣密度為ρ，風輪葉片半徑為r，風速為v，風力機的轉(zhuǎn)速為ωwt。則風力機軸上輸出的機械功率和機械轉(zhuǎn)矩為

Pmech=0.5Cp(λ,β)ρr2v3

(1)

(2)

式中Cp(λ,β)是風能利用系數(shù)，它反映風力機吸收風能的效率。當風速確定時，風力機吸收的風能只與風能利用系數(shù)有關。由文獻[6]可知：

(3)

其中，

(4)

葉尖速比λ是風輪葉片尖端的線速度與風速之比：

(5)

當槳葉節(jié)距角β不變時，風能利用系數(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，對應最大風能利用系數(shù)Cpmax。

圖1　風能利用系數(shù)與葉尖速比的關系

2風力機模擬的原理

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

圖2　風力機模擬原理示意圖

3風力機模擬的實現(xiàn)

根據(jù)圖2給出的風力機模擬原理，以西門子S7-300 PLC和S120變頻器為控制核心，構(gòu)建了風力機的實驗室模擬系統(tǒng)，如圖3所示。上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)與S7-300 PLC建立通信，主要起人機交互的作用，設置風速、槳葉節(jié)距角等參數(shù)，控制風力機模擬的起、停，并把PLC返回的系統(tǒng)運行狀態(tài)進行顯示。S7-300 PLC根據(jù)編碼器測得的轉(zhuǎn)速信息，進行計算，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的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，實現(xiàn)對風力機輸出特性的模擬。

圖3　風力機實驗室模擬系統(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)控畫面進行組態(tài)設計。人機交互界面在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的相關設置：PLC是整個控制系統(tǒng)的樞紐，實現(xiàn)變頻器控制、風力機數(shù)學模型建立以及與上位機數(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)應答表中設置參數(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可設置變頻器給定轉(zhuǎn)矩參數(shù)p2003與給定轉(zhuǎn)速參數(shù)p2000。風力機數(shù)學模型的建立通過SCL程序?qū)崿F(xiàn)，將上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)傳遞的設置參數(shù)如風速v、風輪半徑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變頻器的相關設置：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關聯(lián)，相應位置1即可選擇轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。風力機數(shù)學模型計算得到的轉(zhuǎn)矩，可通過在轉(zhuǎn)矩設定點轉(zhuǎn)矩設定值關聯(lián)參數(shù)r2050實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的給定。

4實驗結(jié)果

為驗證風力機模擬的有效性，進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)實驗研究。設定空氣密度為1.29 kg/m3，風輪半徑為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為風速6 m/s時，風力機輸出的轉(zhuǎn)矩與功率隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化的曲線，圖4(a)中曲線1為計算得到的風力機的輸出轉(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力機的輸出轉(zhuǎn)矩。圖4(b)為異步電動機輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線，符合風力機的輸出特性。

(a)轉(zhuǎn)矩曲線　　　　　(b)功率曲線圖4　風速6m/s時風力機輸出的轉(zhuǎn)矩與功率曲線

圖5為風速從5 m/s突變?yōu)? m/s時，風力機模擬系統(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為風速為5 m/s時計算得到的風力機的輸出轉(zhuǎn)矩曲線，曲線2為風速為6 m/s時計算得到的風力機的輸出轉(zhuǎn)矩曲線，曲線3為實測的異步電動機輸出轉(zhuǎn)矩曲線，由圖可以看出，風速變化時，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、準確地模擬風速變化時風力機的輸出轉(zhuǎn)矩。圖5(b)為兩種風速切換時異步電動機輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線，符合風力機的輸出特性。

(a)轉(zhuǎn)矩曲線　　　(b)功率曲線圖5　風速突變時風力機輸出的轉(zhuǎn)矩與功率曲線

5結(jié)語

本文為適應實驗教學的需要，以西門子S7-300PLC和S120變頻器為核心，構(gòu)建了風力機的實驗室模擬系統(tǒng)，并進行了實驗研究，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地顯示風力機的運行狀態(tài)，便于學生直觀地掌握風力機的輸出特性。

參考文獻：

[1]卞松江.風力機特性的直流電機模擬[J].北京：太陽能學報,2003,(3):360-364.

[2]劉其輝.基于直流電動機的風力機特性模擬[J].北京:中國電機工程學報,2006,(7):134-139.

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[4]姚春光.基于鼠籠式異步電機的風機模擬實驗平臺研究[J].西安:電力電子技術,2010,(6):23-25.

[5]喬明.基于異步電機的風力機模擬實驗平臺的研究[J].天津:電氣傳動,2009,(1):40-43.

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

文獻標識碼：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(華東)教學改革項目(項目編號：JY-B201420)

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