吉慶昌，張繼芳，劉暐

(河北水利電力學院，河北滄州061001)

基于以太網(wǎng)的風力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究

吉慶昌，張繼芳，劉暐

(河北水利電力學院，河北滄州061001)

風能的能量密度低、波動性大、不能直接儲存等特點，使得風力發(fā)電的控制系統(tǒng)成為保證其在惡劣環(huán)境下也能安全可靠運行的關鍵。在分析風力發(fā)電控制系統(tǒng)基本工作原理的基礎上，設計了以PLC控制邏輯系統(tǒng)為主體的，以以太網(wǎng)為通信系統(tǒng)的風力發(fā)電控制系統(tǒng)，并進行了初步的可行性驗證。結果證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠性強。

風力發(fā)電；可編程邏輯控制器；數(shù)字信號處理；控制系統(tǒng)

風能是一種清潔、實用、經(jīng)濟和環(huán)境友好的可再生能源，與其它可再生能源一樣，風能也是一種具有重要戰(zhàn)略地位的、可持續(xù)性強的能源形式，具有重大的應用潛力。

風能具有能量密度低、波動性大、不能儲存的特點[1]，而且大多數(shù)風力發(fā)電系統(tǒng)都是運行在自然環(huán)境較為惡劣且無人值守的條件下，這對于風力發(fā)電系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)是風能利用的核心機構，是整個風力發(fā)電機組運行的“大腦”，一個良好的風力發(fā)電控制系統(tǒng)可以有效地保障整個機組的可靠運行。

1 系統(tǒng)結構

風能的利用是一個涉入多種學科的綜合應用體系，在這個體系中空氣動力學、氣象學、地理學、結構力學、機械與電氣工程、材料科學都占據(jù)著重要的地位，而一個完善的風力發(fā)電控制系統(tǒng)就更是這些學科的綜合體現(xiàn)。

風力發(fā)電控制系統(tǒng)的核心控制對象是風輪機，而風輪機一般都是工作在環(huán)境不可控的露天自然風場當中，環(huán)境因素復雜多變，整個系統(tǒng)的運行會受到風輪機尾流、塔影、垂直風速變化、偏航、葉片、槳距調節(jié)方式、運行方式(孤立還是并網(wǎng))等多種因素的影響。這就造成了控制系統(tǒng)必須具有一定的復雜性，才可以達到可靠性和安全性的基本要求。

可編程邏輯控制器(PLC)采用一類可編程的存儲器對相應的機械或生產(chǎn)過程進行控制。其內部有豐富的存儲程序，可以有效地執(zhí)行各種邏輯運行，實現(xiàn)各種結構的控制體系，并提供定時、計數(shù)與算術操作等功能[2]。所以選用PLC作為主控制器實現(xiàn)對風力發(fā)電機組的控制可以達到相應的控制要求。

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要結構如圖1所示。主要有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、DSP底層數(shù)據(jù)處理中心、通信系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結構

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成風力發(fā)電系統(tǒng)各部分的數(shù)據(jù)采集工作，主要有風力機組的轉速、發(fā)電機的電壓、直流側電感的電壓和電流、網(wǎng)側的交流電壓、直流母線電壓等。這些數(shù)據(jù)傳送至DSP中進行計算。在本設計的實驗中，選用的DSP是TI公司的TMS320F2812，該芯片是32位定點數(shù)字訊號處理器，其主頻可達150 MHz，采用哈佛總線結構，具有統(tǒng)一的存儲模式，最大可以支持96個外部中斷，主要使用在嵌入式控制應用中，可以很好地完成風力控制器中所需要的采樣及控制等功能。DSP計算后的數(shù)據(jù)可為PLC控制提供相應的數(shù)據(jù)基礎。這些數(shù)據(jù)送入PLC后，依據(jù)PLC內設定的判斷條件進行系統(tǒng)控制，控制命令由PLC下達給DSP后，再轉發(fā)給控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)變槳距、偏航、并網(wǎng)等功能模塊的控制。

通信系統(tǒng)由工業(yè)以太網(wǎng)來擔當。工業(yè)以太網(wǎng)是繼集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制技術之后的一種應用性非常好的通信技術。它繼承了以太網(wǎng)的優(yōu)點，同時又具備了工業(yè)控制的必要條件，具有便于安裝、傳輸速度較高、低能耗高兼容性的優(yōu)點。因此，成為工業(yè)自動化控制方面的主要通信方式。在本設計中，以太網(wǎng)的使用下從底層的數(shù)據(jù)采集開始，上至監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，中間承擔數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理PLC之間數(shù)據(jù)溝通，因此，通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準確、可靠性好的基本要求。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的顯示和控制中心，主要完成設備控制信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理工作。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過程序的分析，生成各種形式的設備運行數(shù)據(jù)文件，可以顯示各生產(chǎn)區(qū)域的動態(tài)畫面及圖形，對相應區(qū)域的設備狀況、物流狀態(tài)進行實時監(jiān)控和動態(tài)的模擬顯示，并且對于故障進行及時報警。

控制系統(tǒng)是實現(xiàn)系統(tǒng)控制的執(zhí)行機構，由各種執(zhí)行器，如繼電器、空氣開關、電磁開關等組成。在風力發(fā)電控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)主要分為三個重要的部分，分別是變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)和并網(wǎng)控制。

2 風力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本工作原理

風力發(fā)電機組有4種工作狀態(tài)：運行狀態(tài)、待機狀態(tài)、停機狀態(tài)和緊急停機狀態(tài)。這四種狀態(tài)的運行過程由PLC進行控制。本研究選用A—B公司CompactLogix L35E型PLC作為機組控制過程的主控制器，并采用A—B公司的RSLOGIX5000進行控制程序的編寫，具體流程如圖2所示。

圖2 風機控制工作原理

在圖2中，可以看到，系統(tǒng)首先進行初始化，并對系統(tǒng)的參數(shù)進行檢查，主要是系統(tǒng)的硬件運行參數(shù)、電網(wǎng)運行參數(shù)等，查看各部分是否有運行異常，如果有，則報警，如果運行參數(shù)正常，則進行風向及風速的測試工作，并依據(jù)風向風速來決定具體的運行狀態(tài)。

當風向及風速在切入風速與切出風速之間時，系統(tǒng)進入運行狀態(tài)，偏航系統(tǒng)對風，變槳距系統(tǒng)根據(jù)風速調節(jié)槳距角，系統(tǒng)進入發(fā)電狀態(tài)，整流器、逆變器工作，并網(wǎng)接觸器投入使用，機組向電網(wǎng)饋送電；當風速低于切入風速時，整個系統(tǒng)由運行狀態(tài)進入待機狀態(tài)，風力發(fā)電機空轉，偏航系統(tǒng)對風，變槳距系統(tǒng)調節(jié)槳距角至15°，整流器停止工作，并網(wǎng)接觸器投入，逆變器工作；當逆變器母線電壓小于設定值時，逆變器停止工作，風力發(fā)電機空轉，槳距角調至90°，整流器不工作，并網(wǎng)接觸器斷開；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，制動電阻投入使用，葉片順槳，整流器、逆變器不工作，并網(wǎng)接觸器斷開。

3 以太網(wǎng)通信設計

風力發(fā)電控制系統(tǒng)的通信采用兩種方式相結合，局部采用CAN現(xiàn)場總線結構，整體采用工業(yè)以太網(wǎng)的方式。在風機和關鍵設備處，利用CAN總線傳輸采集數(shù)據(jù)和控制命令，并提供CAN接口與工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)相連。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)采用三層結構：設備層、控制層和信息層。設備層處于整個通信的最低層，利用核心網(wǎng)絡交換機來實現(xiàn)CAN總線與工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞。同時交換機設定3個1 000 M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)接口和10個100 M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)接口。其中2個1 000 M以太網(wǎng)接口用于構建千兆以太網(wǎng)，另一個備用；10個100 M的接口用以接駁各種型號的傳感器及控制設備的局部CAN接口；第二層為控制層，是工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理中心，由100 M以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至DSP及PLC中進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理；最上一層為信息層，主要是利用TCP/IP協(xié)議，將從控制層傳來的信息傳送至上位機監(jiān)控系統(tǒng)。如果在此過程中涉及遠程監(jiān)控，則需要加入網(wǎng)關，將以太網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)利用因特網(wǎng)進行傳輸。

4 結論

本文提出了基于以太網(wǎng)的風力發(fā)電控制系統(tǒng)，采用的以太網(wǎng)是工業(yè)以太網(wǎng)，具有工作穩(wěn)定性強、數(shù)據(jù)傳輸速率快的優(yōu)點。整個系統(tǒng)采用分層結構，將DSP和PLC分布于以太網(wǎng)的控制層，使系統(tǒng)具有了良好的現(xiàn)場計算與控制能力，同時也有利于系統(tǒng)的擴展。

[1]孫春順.風力發(fā)電系統(tǒng)運行與控制方法研究[D].長沙：湖南大學，2008：36-39.

[2]金利祥，張德華.基于PLC的風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)研究[J].機電工程，2012(2)：189-190.

Study on wind power control system based on Ethernet

JI Qing-chang,ZHANG Ji-fang,LIU Wei
(Hebei University of Water Resources and Electric Engineering,Cangzhou Hebei 061001,China)

The characteristics of low energy density,volatility,not directly storage makes the wind power control system become the key which guarantees the safe and reliable operation in the bad environment.Based on the analysis of the working principle of wind power control system,the wind power control system was designed with the PLC control logic system as the main body and Ethernet as communication system.The preliminary feasibility validation was carried on.The results prove that this system runs stably and reliably.

wind power;PLC;DSP;control system

TM 614

A

1002-087 X(2016)08-1711-02

2016-02-15

吉慶昌(1982—)，男，河北省人，碩士，講師，主要研究方向為自動控制技術、大學生就業(yè)。