张相考 厉伟

(1.沈阳工业大学研究生学院,辽宁沈阳 110870; 2.沈阳工业大学,辽宁沈阳 110870)

倍福PLC在小型风力发电机组控制系统中的应用

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(1.沈阳工业大学研究生学院,辽宁沈阳 110870; 2.沈阳工业大学,辽宁沈阳 110870)

风力发电机组控制系统是风力发电机组的控制核心,已成为各国工程研究人员的重要研究对象,而基于PLC风力发电机组控制系统的设计应用是未来风力发电的发展方向。本文主要介绍了倍福(Beckhoff)PLC在100KW风力发电机组控制系统中的配置,通过网络结构图详细介绍了塔下主控系统、变流器、塔上控制系统、变桨控制系统之间相互联系,并列举了倍福PLC端子模块在风力发电机组安全链和信息采集方面的应用。

风电机组 控制 倍福PLC 安全链 端子模块

1 引言

风力发电机组控制系统是综合性的系统。尤其是并网运行的风力发电机组,不仅要监视电网、风况和机组运行数据,对机组进行并网脱网控制,还要根据风速和风向变化对机组进行优化控制[1]。由于风力发电控制系统的性能要求较高,选用PLC作为其主控制器可以用简单的程序实现复杂的逻辑控制,同时还具有稳定性高的特点,完全能够满足风力发电机组控制系统的要求。本文主要介绍倍福PLC在小型风力发电机组控制系统的应用。

2 控制系统介绍

2.1 控制系统硬件组成及通讯

某100KW永磁直驱风力发电机组控制系统由塔上控制柜和塔下控制柜两部分组成。塔下控制柜作为控制系统的主站,PLC的主控器采用德国倍福(Beckhoff)公司的嵌入式PC,信号采集通过总线端子模块实现。塔下控制柜的倍福PLC通讯接口有四个,第一个是CAN通讯接口,通过CAN总线连接到VACON变流器的OPT-C6通讯模块,实现与变流柜之间的通讯；第二个是多模光纤通讯接口,实现与塔上控制柜之间的通讯；第三个是RS232接口,用于和在线式UPS通讯。PLC通过RS232串口通讯来开启或关闭UPS；第四个是以太网接口,此接口用来下载程序和连接塔下以太网交换机。塔上控制柜的倍福PLC有两个通讯接口,一个是与塔下控制柜实现光纤通讯的接口；另一个是CAN 通讯接口,与变桨系统和振动模块之间连接,实现了它们之间的CAN总线通讯。

塔上和塔下的以太网交换机使用光纤相连接,塔下交换机用于连接监控触摸屏、风场总监控室、无线发送数据模块、还可以作为调试接口。工作人员进入机舱后将PC连接到塔上的交换机可以对风电机组进行调试和监控。某100KW永磁直驱风力发电机组控制系统的硬件配置结构如图一所示。

(图一) 硬件配置结构图

塔下控制柜主要控制柜体照明、塔下通风风扇、变流器风扇及塔下主电源等执行机构；塔上控制柜主要控制发电机、变桨、偏航及机舱风扇、刹车等执行机构。硬件系统由倍福(Beckhoff)系列模块构成,主要采用的模块有主控制器嵌入式PC CX5020、数字量I/O模块、模拟量I/O模块、通信模块、三相功率测量模块、特殊功能模块等。塔上和塔下模块通过总线耦合模块连接形成的主站与变流柜从站、变桨从站以及监控触摸屏构成整个风电机组的控制系统。

主控制系统网络结构如图二所示。

(图二) 主控制系统网络结构

由主控制系统网络结构图可知,塔下控制柜内的CAN通讯主站模块EL6751通过CANopen协议与位于变流柜内的CAN通讯从站OPT-C6通讯模块进行通讯。塔上控制柜内的CAN通讯主站模块EL6751通过CANopen协议与变桨系统的CAN通讯从站OPT-C6通讯模块和振动模块进行通讯。

2.2 控制系统自动化系统结构

100KW 风力发电系统的自动化控制系统采用倍福(Beckhoff)的TwinCAT软件来实现。

控制系统框图如图三所示。

由图三控制系统框图可知,它是一个典型的、先进的集散控制系统。它既能对现场实现分散控制,又能对机组运行的自动化、状态的监控、机组管理实现集中控制。这样把系统不可靠因素对系统影响降低到最低限度,使机组正常可靠运行[2]。

控制系统组成分三级:(1)工业现场控制级——由永磁同步发电

(图三) 控制系统框图

机、变流器以及CX5020嵌入式PC、安全链系统组成；(2)基础自动化控制级——由TwinCAT软件组成；(3)上位监控级——由工业控制计算机组成,采用三维力控的工控组态软件进行设计。

3 倍福模块在100KW永磁直驱风力发电机组安全系统中的应用

100KW永磁直驱风电机组控制系统的安全链控制功能通过数字量输入模块和PLC内部程序来实现。塔上塔下急停按钮与串入安全继电器,急停按钮动作时安全继电器使安全链断开,倍福PLC得到信号之后会发出相应指令同时通过CAN总线给CAN从站发送相应通讯数据。

100KW永磁直驱风电机组串入安全链的信号有:(1)超速模块:风轮转速超速时,超速模块内的触点作出相应动作；(2)振动开关:机舱振动过大,振动开关断开；(3)变桨系统紧停:变桨变频器故障,变桨系统安全链断开；(4)偏航扭揽开关:偏航扭揽限位开关动作；(5)自动复位继电器:PLC输出复位信号时候,安全链复位；(6)手动并网断路器:手动并网断路器的辅助触点串入安全链；(7)自动并网接触器:自动并网接触器由网侧变流器控制,其辅助触点串入安全链。

上述塔上和塔下安全链信号串联在一起,塔下安全链正常以后反馈给倍福PLC信号,然后倍福PLC自动复位塔上安全链信号。塔上塔下安全链反馈给倍福PLC的信号都正常,则PLC会根据程序进行逻辑运算然后发出相应指令或通讯数据。当安全链不正常时,倍福PLC会发出以下信号:(1)发出安全链急停信号给变桨系统,变桨系统以最快的速度驱动叶片至顺桨位置(90°)；(2)当叶轮转速小于3r/min时,抱闸系统执行刹车动作；(3)变流器停止工作。

倍福PLC在风力发电机组控制系统信息采集方面的应用:倍福PLC中的EL3403端子模块可以测量电网中的所有电气数据。例如电网的三相电压值和电流值。通过EL3403模块还可以计算每相的有功功率和能量损耗。EL1502端子模块内部是一个加/减计数器模块用来计算二进制脉冲,并且此模块以电气隔离的形式将计数器状态传到上层的设备中。倍福PLC预装的程序通过EL1502模块接收的接近开关的脉冲个数来计算风轮的转速。EL3204是4通道PT100输入端子模块,此模块可以直接连接电阻型传感器。通过EL3204模块倍福PLC可以测量发电机、塔上/塔下控制柜的温度,并将这些温度值发送给监控触摸屏[3]。

4 结语

在调试和运行100KW永磁直驱风力发电机组控制系统过程中,可以发现倍福PLC作为风电机组控制系统的主控制器,编程方便,可实施性强。倍福PLC模块化设计使其结构紧凑,坚固可靠,安装及接线非常方便,维护便捷,若某模块损坏,直接用模块备件替换即可,编写的程序等其它不需作任何变动即可投入正常运行状态。应用倍福PLC,通过倍福PLC自动化TwinCAT能够直接观测出系统的运行情况,为维护人员查找故障提供了极大的方便,从而缩短了对系统的维护时间[4]。

[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]MD-030.00-A,W2000 风力发电机组操作运行手册.

[3]倍福PLC模块选型手册.

[4]朱曙.基于PLC的风力发电控制系统研究[J].电子测量技术,2009.3.