風電機組及控制系統1內容基礎導論E-WT風力發電機組控制風光互補發電系統控制2E-WT風力發電機組控制●系統環境的熟悉及硬件組態●Step7與WinCC界面的數據傳輸●利用WinCC編寫風力發電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態●風力發電機偏航控制●風力發電機啟動控制●風力發電機恒速變槳功率控制●風力發電機組運行狀態監控3E-WindTurbine運行環境

E-WindTurbine應用虛擬現實技術，能夠對風機在風場運行過程中的多種工作條件及故障模式進行實時仿真，該系統滿足的情景再現與工程再現使得人機具有良好的交互方式，逼真的表現形式使得學習人員感受到風場環境并可以對風電設備進行操控從而達到教學/培訓的效果。45通過三維可視化界面可以觀察到風力發電機組的主要部件：(1)風機全貌、塔基、虛擬風向指示(2)機艙內部、控制柜、齒輪箱、發電機、液壓系統、偏航電機(3)機艙外部風向標、風速計(4)輪轂及葉片(5)輪轂內變槳系統及控制柜(6)故障引起的十余種現象6塔基7艙內發電機8風向標、風速計9變槳系統10傳動系統冷卻水溫度過高故障11偏航齒圈故障12E-WindTurbine設計參數13E-WindTurbine中風向角的范圍是180°~180°，定義正北方向為風向角0°方向。風向從正北方向順時針變化時，風向角正向增加，正南方向為180°方向；風向從正北方向逆時針變化時，風向角反向增加，正南方向為-180°方向。14E-WindTurbine中偏航角的范圍是1800°~1800°，同樣定義正北方向為偏航角0°方向。風輪主軸順時針旋轉時，偏航角正向增加；風輪主軸逆時針旋轉時，偏航角反向增加。15風電機組及控制系統16內容基礎導論E-WT風力發電機組控制風光互補發電系統控制17E-WT風力發電機組控制●系統環境的熟悉及硬件組態●Step7與WinCC界面的數據傳輸●利用WinCC編寫風力發電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態●風力發電機偏航控制●風力發電機啟動控制●風力發電機恒速變槳功率控制●風力發電機組運行狀態監控18建立WinCC與S7-1200的連接(1)雙擊“添加新設備”，選擇“PC系統”，選擇“SIMATICHMI運行系統軟件”，選擇“WinCCRTProfessional”，如圖所示：19點擊確定后，對PC站進行通信模塊配置，選擇“PROFINET/以太網”中的“常規IE”，屬性里的以太網地址子網選擇已經建立好的“PN/IE_1”，IP地址默認。如圖所示：

20首先確保在PLC變量表中已經建立了E-WT對象里的變量，如I3.0、I3.1，然后在PC站中新建畫面，從右側基本對象中隨意拖入一個對象，如圓，接著選擇“動畫”→“插入新動畫”→“外觀”，再進行變量連接及設置變量范圍，如圖所示21將PC站名改為計算機名，雙擊打開“HMI變量”中的“連接”，將名稱同樣改為計算機名，并確定“訪問點”為”CP-TCPIP”，如圖所示：22下載程序，運行E-WT，可通過運行計算機“開始菜單”→“程”→“SiemensAutomation”→“RuntimeSystems”→“WinCCRuntimeProfessionalV11”→“WinCCChannelDiagnostics”組件來進行測試，若通訊成功，則會出現“綠色對號”，如圖所示：23或者點擊“開始仿真”按鈕，運行WinCC畫面，若數值顯示正確，則也表示通訊成功，如圖所示：24建立WinCC畫面，實現數據傳輸這里列出4種常用的數據連接，可在此基礎上進行其他嘗試。（1）I/O域：用來顯示AI數據和設置AO數據。在“屬性”→“常規”→“過程”→“變量”中進行變量選擇，類型與格式設置；“類型”選擇默認的“輸入/輸出”即為AI，設置為“輸入”即為AO。如圖所示：252627（2）圓：用來顯示DI數據。選擇“動畫”→“插入新動畫”→“外觀”，如圖所示；再進行變量連接及設置變量范圍，參見圖。28（3）按鈕：用來給DO數據賦值。選擇“事件”→“單擊”→“設置變量”，如圖所示，若不選擇“設置變量”，而選擇“激活屏幕”，就可實現監控畫面間的切換；再進行變量連接及設置變量范圍。29（4）f(t)趨勢視圖：用來顯示曲線。需要對“屬性”中的“值軸”和“趨勢”進行設置。在“屬性”→“值軸”設置所要顯示數據的名稱和顯示范圍；在“屬性”→“趨勢”設置所要顯示數據的“數據源”以及對應的“值軸”，如圖所示：。3031風電機組及控制系統32內容基礎導論E-WT風力發電機組控制風光互補發電系統控制33E-WT風力發電機組控制●系統環境的熟悉及硬件組態●Step7與WinCC界面的數據傳輸●利用WinCC編寫風力發電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態●風力發電機偏航控制●風力發電機啟動控制●風力發電機恒速變槳功率控制●風力發電機組運行狀態監控34風力發電機組的工作狀態

(1)運行狀態(2)暫停狀態(3)停機狀態(4)緊急停機狀態35運行狀態

制動裝置松開允許機組運行和發電允許機組發電機并網葉尖擾流器收回機組自動偏航冷卻系統自動工作36停機狀態

制動裝置松開葉尖擾流器釋放液壓泵保持工作壓力自動偏航系統不工作自動冷卻系統不工作37暫停狀態

制動裝置松開液壓泵保持工作壓力自動偏航處于激活狀態葉尖擾流器釋放葉輪已經停止或空轉冷卻系統自動冷卻38緊急停機狀態

對定槳恒速風力發電機組，當葉輪低于一定轉速后，施加制動。對變速恒頻風力發電機組，制動裝置松開。只有當急停按鈕被按下時，才施加制動。安全鏈斷開所有的主控制器輸出量被禁止計算機依然運行，并測量所有輸入量39利用WinCC編寫開停機流程界面

40風電機組及控制系統41內容基礎導論E-WT風力發電機組控制風光互補發電系統控制42E-WT風力發電機組控制●系統環境的熟悉及硬件組態●Step7與WinCC界面的數據傳輸●利用WinCC編寫風力發電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態●風力發電機偏航控制●風力發電機啟動控制●風力發電機恒速變槳功率控制●風力發電機組運行狀態監控43新建項目（1）在STEP7中創建一個新的項目。雙擊TIAPortalV11，默認啟動選項，選擇“創建新項目”，輸入項目名稱，選擇路徑，如圖所示：44（2）點擊“創建”按鈕，出現“開始”菜單選項，選擇“組態設備”，如圖所示：

45（3）出現“設備與網絡”菜單，選擇“添加新設備”選項，進行CPU組態。點擊PLC，SIMATICS7-1200”→“CPU”→“CPU1214CDC/DC/Rly”→“6ES7214-1HE30-0XB0”，硬件版本選擇V2.2（必須根據實際硬件版本選擇，否則出錯），如圖所示：46（4）點擊“添加”按鈕，即進入“設備視圖”畫面，在右側“硬件目錄”進行信號板和通信模塊配置。選擇“信號板”→“AQ”→“AQ1×12”→“6ES7232-4HA30-0XB0”；再選擇“通信模塊”→“PROFIBUS”→“CM1243-5”→“6GK7243-5DX30-0XE0”。如圖所示：47（5）然后進行通訊地址配置，選中CPU的“網線接口”，在“屬性”選項卡中，在“以太網地址”選項中選擇“添加新子網”，“IP地址”和“子網掩碼”選擇默認的“192.168.0.1”和“255.255.255.0”即可（若各試驗臺間連接到同一局域網，則IP地址不能相同），如圖所示：

48（6）同理，選中通信模塊的“PROFIBUS接口”，在“PROFIBUS地址”選項中選擇“添加新子網”，“地址”選擇默認的“2”即可，如圖所示：49（7）接下來對E-WT的PROFIBUSDP模塊PM125進行配置。首先將PM125的描述文件“PM125V20.GSD”放到移動設備中，再安裝PM125的設備描述文件，在STEP7的”“選項”菜單中選擇“安裝設備描述文件(GSD)”，方法如圖所示。如果已經安裝過PM125V20.GSD文件，本步驟可忽略。50（8）在右側“硬件目錄”中，找到PM125模塊，拖入“網絡視圖”，與“PROFIBUS_1”相連接，并對它進行分配，如圖所示：51（9）雙擊“Slave_1PM125”，對PM125進行地址配置及IO配置。在“PROFIBUS地址”選項中，子網選擇已經建立好的“PROFIBUS_1”，“地址”選擇為“7”；然后展開“設備視圖”與“屬性”窗口之間的“設備概覽”窗口，進行IO配置，從右側“硬件目錄”中拖入4個通用模塊到“設備概覽”區，依次進行DI、AI、DO、AO配置。DI地址為2-4，長度為3；AI地址為256-319，長度為32；DO地址為6-9，長度為4；DI地址為272-285，長度為7；其中，DI配置過程如圖所示：

52：

53PM125配置完成的整體效果圖如圖所示：54通訊程序編寫在Main[OB1]中編寫如下三段程序。其中，程序段1和程序段3實現IO數據傳輸，IB2暫存入MB12，再將MB12中的值傳遞給QB6；程序段2實現所要發送的字節數設置，將16賦值給QB7。如圖所示：55通訊測試在將程序下載到設備之前，請確認計算機IP地址已改為“192.168.0.XXX”,子網掩碼為“255.255.255.0”；并在“控制面板”中的“設置PG/PC接口”已改為CP-TCPIP通訊方式，如圖所示：56將程序下載到設備，接口選擇根據實際網卡確定，隨著程序的下載，S7-1200CPU的地址也會隨之改變成軟件中所組態的地址。如圖所示：57

將E-WT軟件打開，新建恒速變槳距風力發電機組，進行DP通訊配置，完成后點擊外控，運行即可。在STEP7畫面，點擊“啟用/停止監視”按鈕，若通訊成功，寄存器和IO點上有數據流通過，效果如圖所示：58風電機組及控制系統59內容基礎導論E-WT風力發電機組控制風光互補發電系統控制60E-WT風力發電機組控制●系統環境的熟悉及硬件組態●Step7與WinCC界面的數據傳輸●利用WinCC編寫風力發電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態●風力發電機偏航控制●風力發電機啟動控制●風力發電機恒速變槳功率控制●風力發電機組運行狀態監控61偏航及偏航系統的工作原理●偏航主要有兩個功能：一是使風輪跟蹤變化穩定的風向，通過控制風輪的迎風面始終與風向垂直實現最大限度捕獲風能；二是當風力發電機組由于偏航作用，機艙內引出的電纜發生纏繞時，自動解除纏繞。●風力發電機組無論處于運行狀態還是待機狀態（風速>4m/s），均要求能主動對風。偏航系統是一隨動系統，當風向與風輪軸線偏離一個角度時，控制系統經過一段時間的確認后，會控制偏航電動機將風輪調整到與風向一致的方位。偏航控制系統框圖如下圖所示：62偏航系統框圖63●就偏航控制本身而言，對響應速度和控制精度并沒有要求，但在對風過程中風力發電機組是作為一個整體轉動的，具有很大的轉動慣量，從穩定性考慮，需要設置足夠的阻尼。●在風輪前部或機艙一側，裝有風向儀（風標），當風力發電機組的航向（風輪主軸的方向）與風標指向偏離時，控制器開始計時。偏航時間達到一定值時，即認為風向已改變，控制器發出向左或向右調向的指令，直到偏差消除。●有多種方式可以監視電纜纏繞情況，除了在控制軟件上編入調向計數程序外，還可在電纜處直接安裝傳感器，最簡單的傳感器是一個行程開關，將其觸點與電纜束連接，當電纜束隨機艙轉動到一定程度即拉動開關。

64掌握風力發電機組的偏航控制過程●偏航控制主要分為手動偏航和自動偏航。●手動偏航是指人為的對風機偏航方向進行控制，通過更改左右偏航的設定值即可，請注意在給偏航信號置1后，要及時復位，否則容易造成左右偏航信號同時為1導致偏航控制紊亂；●自動偏航主要是通過計算風向角與偏航角的差值大小來區分如何快速解纜、快速對風，這就需要對整個風機的偏航控制要有一個較深的理解。●風機的偏航流程圖如圖所示：

6566偏航控制的程序設計根據上面的流程圖，編寫偏航控制程序。本示例程序用SCL語言實現了手動偏航與自動偏航。手動偏航時通過人為給出偏航信號，使風機按照預想的方向進行偏航；自動偏航時通過測試風速和風向，通過判定風速的大小是否達到最小風速的要求來決定是否偏航，通過計算風向角與偏航角的差值來決定偏航的方式。各接口設定如圖所示：67偏航程序功能塊端口設置68示例代碼69示例代碼70示例代碼71示例代碼72編譯調用后的功能塊73調用后，應在OB100中對以下三個位號賦初值，如圖74風電機組及控制系統75內容基礎導論E-WT風力發電機組控制風光互補發電系統控制76E-WT風力發電機組控制●系統環境的熟悉及硬件組態●Step7與WinCC界面的數據傳輸●利用WinCC編寫風力發電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態●風力發電機偏航控制●風力發電機啟動控制●風力發電機恒速變槳功率控制●風力發電機組運行狀態監控77恒速變槳距風力發電機組啟動的工作原理變距風輪的槳葉在靜止時，槳距角為90°，這時氣流對槳葉不產生轉矩，整個槳葉實際上是一塊阻尼板。當風速達到啟動風速時，槳葉向0°方向轉動，直到氣流對槳葉產生一定的攻角，風輪開始啟動。在發電機并入電網以前，變槳距系統的槳距角給定值由發電機轉速信號控制。轉速控制器按照發電機轉速的大小，相應改變槳距角設定值的大小。變槳距系統根據給定的槳距角參考值，調整槳距角，進行所謂的速度控制。其控制系統框圖如圖所示，轉速控制的給定值是恒定的，即同步轉速。7879風力發電機組的啟動控制程序●完成啟動邏輯●完成并網前的槳距角控制●初始化設置

80啟動控制邏輯部分的梯形圖程序啟動過程中，首先判定風速是否達到最低啟動風速要求（4m/s），若沒達到，則不啟動；若達到，則啟動，松開機械剎車且啟用自動偏航，并及時復位啟動信號，如圖所示。818283若10s內機械剎車故障，則啟用安全停車（后續實驗中將會實現），如圖所示：84對風完成，當發電機轉速到達一定轉速后，如350r/min，手動調節槳距角到0°，如圖所示：85當槳距角小于1°且發電機轉速達到1500r/min左右時，進行并網發電，將控制器方式設置為自動，并將相關信號復位，如圖所示8687若并網故障，則啟用安全停車，如圖所示：88并網之前的槳距角梯形圖控制程序若并網故障，則啟用安全停車，如圖所示：89在“對風”（風機正向迎風）結束后設定PID控制器手動輸出值為30°，如圖所示：90再將手動輸出值經FC106轉換，輸出控制槳距角，如圖所示：919293風機并網后再次確認PID控制器設定為自動模式，如圖所示94初始化設置在OB100中進行信號初始化設置，它是在OB1運行之前預先給某些信號賦初值。程序如圖所示9596此外，還應將在偏航實驗中的偏航方式初始化更改為手動，如圖所示：97主程序調用通過在主程序中給定啟動信號，實行對啟動程序的調用，如圖所示：98其他上述程序中FB2的功能是求平均值函數，程序如圖所示：99100上述程序中用到的延時計時器為IEC_TIMER類型，設定方法為在“添加新塊”中選擇“數據塊”，按圖設置即可。101風電機組及控制系統102內容基礎導論E-WT風力發電機組控制風光互補發電系統控制103E-WT風力發電機組控制●系統環境的熟悉及硬件組態●Step7與WinCC界面的數據傳輸●利用WinCC編寫風力發電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態●風力發電機偏航控制●風力發電機啟動控制●風力發電機恒速變槳功率控制●風力發電機組運行狀態監控104風力發電機組變槳系統的工作原理風力發電機組通過槳距角控制來提高風電機組效率和消除因空氣密度變化產生的最大穩態功率變化。通過改變槳距角從而改變風速在葉片上的行程，也就是使葉片對風或側風。從空氣動力學角度考慮，當風速過高時，只有通過調整槳葉槳距，改變氣流對葉片的攻角，從而改變風力發電機組獲得的空氣動力轉矩，才能使功率輸出保持穩定。變槳距控制主要是通過改變翼型迎角變化，使翼型升力變化來進行調節。變槳距控制多用于大型風力發電機組。采用全槳變距的風力發電機組，并網后可對功率進行控制，使風力機的啟動性能和功率輸出特性都有顯著改善。功率調節的好壞，與葉片變距速度有關。105程序編寫及下載示例程序采用“帶有調節功能的通用PID控制器PID_Compact”，PID_Compact功能塊提供了一種可在自動和手動模式下進行調節的PID控制器。實驗五中已經介紹了PID的調用和組態，但是如果想要實現自動控制，還需