風(fēng)電機組及控制系統(tǒng)1內(nèi)容基礎(chǔ)導(dǎo)論E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制2E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制●系統(tǒng)環(huán)境的熟悉及硬件組態(tài)●Step7與WinCC界面的數(shù)據(jù)傳輸●利用WinCC編寫風(fēng)力發(fā)電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態(tài)●風(fēng)力發(fā)電機偏航控制●風(fēng)力發(fā)電機啟動控制●風(fēng)力發(fā)電機恒速變槳功率控制●風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)監(jiān)控3E-WindTurbine運行環(huán)境

E-WindTurbine應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠?qū)︼L(fēng)機在風(fēng)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(tǒng)滿足的情景再現(xiàn)與工程再現(xiàn)使得人機具有良好的交互方式，逼真的表現(xiàn)形式使得學(xué)習(xí)人員感受到風(fēng)場環(huán)境并可以對風(fēng)電設(shè)備進行操控從而達到教學(xué)/培訓(xùn)的效果。45通過三維可視化界面可以觀察到風(fēng)力發(fā)電機組的主要部件：(1)風(fēng)機全貌、塔基、虛擬風(fēng)向指示(2)機艙內(nèi)部、控制柜、齒輪箱、發(fā)電機、液壓系統(tǒng)、偏航電機(3)機艙外部風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計(4)輪轂及葉片(5)輪轂內(nèi)變槳系統(tǒng)及控制柜(6)故障引起的十余種現(xiàn)象6塔基7艙內(nèi)發(fā)電機8風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計9變槳系統(tǒng)10傳動系統(tǒng)冷卻水溫度過高故障11偏航齒圈故障12E-WindTurbine設(shè)計參數(shù)13E-WindTurbine中風(fēng)向角的范圍是180°~180°，定義正北方向為風(fēng)向角0°方向。風(fēng)向從正北方向順時針變化時，風(fēng)向角正向增加，正南方向為180°方向；風(fēng)向從正北方向逆時針變化時，風(fēng)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(fēng)輪主軸順時針旋轉(zhuǎn)時，偏航角正向增加；風(fēng)輪主軸逆時針旋轉(zhuǎn)時，偏航角反向增加。15風(fēng)電機組及控制系統(tǒng)16內(nèi)容基礎(chǔ)導(dǎo)論E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制17E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制●系統(tǒng)環(huán)境的熟悉及硬件組態(tài)●Step7與WinCC界面的數(shù)據(jù)傳輸●利用WinCC編寫風(fēng)力發(fā)電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態(tài)●風(fēng)力發(fā)電機偏航控制●風(fēng)力發(fā)電機啟動控制●風(fēng)力發(fā)電機恒速變槳功率控制●風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)監(jiān)控18建立WinCC與S7-1200的連接(1)雙擊“添加新設(shè)備”，選擇“PC系統(tǒng)”，選擇“SIMATICHMI運行系統(tǒng)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(wǎng)”中的“常規(guī)IE”，屬性里的以太網(wǎng)地址子網(wǎng)選擇已經(jīng)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(jīng)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(cè)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(shè)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(xiàn)“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(shù)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(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸這里列出4種常用的數(shù)據(jù)連接，可在此基礎(chǔ)上進行其他嘗試。（1）I/O域：用來顯示AI數(shù)據(jù)和設(shè)置AO數(shù)據(jù)。在“屬性”→“常規(guī)”→“過程”→“變量”中進行變量選擇，類型與格式設(shè)置；“類型”選擇默認的“輸入/輸出”即為AI，設(shè)置為“輸入”即為AO。如圖所示：252627（2）圓：用來顯示DI數(shù)據(jù)。選擇“動畫”→“插入新動畫”→“外觀”，如圖所示；再進行變量連接及設(shè)置變量范圍，參見圖。28（3）按鈕：用來給DO數(shù)據(jù)賦值。選擇“事件”→“單擊”→“設(shè)置變量”，如圖所示，若不選擇“設(shè)置變量”，而選擇“激活屏幕”，就可實現(xiàn)監(jiān)控畫面間的切換；再進行變量連接及設(shè)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(shè)置。在“屬性”→“值軸”設(shè)置所要顯示數(shù)據(jù)的名稱和顯示范圍；在“屬性”→“趨勢”設(shè)置所要顯示數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)源”以及對應(yīng)的“值軸”，如圖所示：。3031風(fēng)電機組及控制系統(tǒng)32內(nèi)容基礎(chǔ)導(dǎo)論E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制33E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制●系統(tǒng)環(huán)境的熟悉及硬件組態(tài)●Step7與WinCC界面的數(shù)據(jù)傳輸●利用WinCC編寫風(fēng)力發(fā)電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態(tài)●風(fēng)力發(fā)電機偏航控制●風(fēng)力發(fā)電機啟動控制●風(fēng)力發(fā)電機恒速變槳功率控制●風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)監(jiān)控34風(fēng)力發(fā)電機組的工作狀態(tài)

(1)運行狀態(tài)(2)暫停狀態(tài)(3)停機狀態(tài)(4)緊急停機狀態(tài)35運行狀態(tài)

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

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(tǒng)不工作自動冷卻系統(tǒng)不工作37暫停狀態(tài)

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(tài)葉尖擾流器釋放葉輪已經(jīng)停止或空轉(zhuǎn)冷卻系統(tǒng)自動冷卻38緊急停機狀態(tài)

對定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機組，當(dāng)葉輪低于一定轉(zhuǎn)速后，施加制動。對變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組，制動裝置松開。只有當(dāng)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(fēng)電機組及控制系統(tǒng)41內(nèi)容基礎(chǔ)導(dǎo)論E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制42E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制●系統(tǒng)環(huán)境的熟悉及硬件組態(tài)●Step7與WinCC界面的數(shù)據(jù)傳輸●利用WinCC編寫風(fēng)力發(fā)電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態(tài)●風(fēng)力發(fā)電機偏航控制●風(fēng)力發(fā)電機啟動控制●風(fēng)力發(fā)電機恒速變槳功率控制●風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)監(jiān)控43新建項目（1）在STEP7中創(chuàng)建一個新的項目。雙擊TIAPortalV11，默認啟動選項，選擇“創(chuàng)建新項目”，輸入項目名稱，選擇路徑，如圖所示：44（2）點擊“創(chuàng)建”按鈕，出現(xiàn)“開始”菜單選項，選擇“組態(tài)設(shè)備”，如圖所示：

45（3）出現(xiàn)“設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)”菜單，選擇“添加新設(shè)備”選項，進行CPU組態(tài)。點擊PLC，SIMATICS7-1200”→“CPU”→“CPU1214CDC/DC/Rly”→“6ES7214-1HE30-0XB0”，硬件版本選擇V2.2（必須根據(jù)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(shè)備視圖”畫面，在右側(cè)“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(wǎng)線接口”，在“屬性”選項卡中，在“以太網(wǎng)地址”選項中選擇“添加新子網(wǎng)”，“IP地址”和“子網(wǎng)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(wǎng)，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(wǎng)”，“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(shè)備中，再安裝PM125的設(shè)備描述文件，在STEP7的”“選項”菜單中選擇“安裝設(shè)備描述文件(GSD)”，方法如圖所示。如果已經(jīng)安裝過PM125V20.GSD文件，本步驟可忽略。50（8）在右側(cè)“硬件目錄”中，找到PM125模塊，拖入“網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)選擇已經(jīng)建立好的“PROFIBUS_1”，“地址”選擇為“7”；然后展開“設(shè)備視圖”與“屬性”窗口之間的“設(shè)備概覽”窗口，進行IO配置，從右側(cè)“硬件目錄”中拖入4個通用模塊到“設(shè)備概覽”區(qū)，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(xiàn)IO數(shù)據(jù)傳輸，IB2暫存入MB12，再將MB12中的值傳遞給QB6；程序段2實現(xiàn)所要發(fā)送的字節(jié)數(shù)設(shè)置，將16賦值給QB7。如圖所示：55通訊測試在將程序下載到設(shè)備之前，請確認計算機IP地址已改為“192.168.0.XXX”,子網(wǎng)掩碼為“255.255.255.0”；并在“控制面板”中的“設(shè)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(shè)備，接口選擇根據(jù)實際網(wǎng)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(tài)的地址。如圖所示：57

將E-WT軟件打開，新建恒速變槳距風(fēng)力發(fā)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(jiān)視”按鈕，若通訊成功，寄存器和IO點上有數(shù)據(jù)流通過，效果如圖所示：58風(fēng)電機組及控制系統(tǒng)59內(nèi)容基礎(chǔ)導(dǎo)論E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制60E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制●系統(tǒng)環(huán)境的熟悉及硬件組態(tài)●Step7與WinCC界面的數(shù)據(jù)傳輸●利用WinCC編寫風(fēng)力發(fā)電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態(tài)●風(fēng)力發(fā)電機偏航控制●風(fēng)力發(fā)電機啟動控制●風(fēng)力發(fā)電機恒速變槳功率控制●風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)監(jiān)控61偏航及偏航系統(tǒng)的工作原理●偏航主要有兩個功能：一是使風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向，通過控制風(fēng)輪的迎風(fēng)面始終與風(fēng)向垂直實現(xiàn)最大限度捕獲風(fēng)能；二是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組由于偏航作用，機艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時，自動解除纏繞。●風(fēng)力發(fā)電機組無論處于運行狀態(tài)還是待機狀態(tài)（風(fēng)速>4m/s），均要求能主動對風(fēng)。偏航系統(tǒng)是一隨動系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)輪軸線偏離一個角度時，控制系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的確認后，會控制偏航電動機將風(fēng)輪調(diào)整到與風(fēng)向一致的方位。偏航控制系統(tǒng)框圖如下圖所示：62偏航系統(tǒng)框圖63●就偏航控制本身而言，對響應(yīng)速度和控制精度并沒有要求，但在對風(fēng)過程中風(fēng)力發(fā)電機組是作為一個整體轉(zhuǎn)動的，具有很大的轉(zhuǎn)動慣量，從穩(wěn)定性考慮，需要設(shè)置足夠的阻尼。●在風(fēng)輪前部或機艙一側(cè)，裝有風(fēng)向儀（風(fēng)標(biāo)），當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組的航向（風(fēng)輪主軸的方向）與風(fēng)標(biāo)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(fēng)向已改變，控制器發(fā)出向左或向右調(diào)向的指令，直到偏差消除?！裼卸喾N方式可以監(jiān)視電纜纏繞情況，除了在控制軟件上編入調(diào)向計數(shù)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(guān)，將其觸點與電纜束連接，當(dāng)電纜束隨機艙轉(zhuǎn)動到一定程度即拉動開關(guān)。

64掌握風(fēng)力發(fā)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?！袷謩悠绞侵溉藶榈膶︼L(fēng)機偏航方向進行控制，通過更改左右偏航的設(shè)定值即可，請注意在給偏航信號置1后，要及時復(fù)位，否則容易造成左右偏航信號同時為1導(dǎo)致偏航控制紊亂；●自動偏航主要是通過計算風(fēng)向角與偏航角的差值大小來區(qū)分如何快速解纜、快速對風(fēng)，這就需要對整個風(fēng)機的偏航控制要有一個較深的理解。●風(fēng)機的偏航流程圖如圖所示：

6566偏航控制的程序設(shè)計根據(jù)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(xiàn)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(fēng)機按照預(yù)想的方向進行偏航；自動偏航時通過測試風(fēng)速和風(fēng)向，通過判定風(fēng)速的大小是否達到最小風(fēng)速的要求來決定是否偏航，通過計算風(fēng)向角與偏航角的差值來決定偏航的方式。各接口設(shè)定如圖所示：67偏航程序功能塊端口設(shè)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(diào)用后的功能塊73調(diào)用后，應(yīng)在OB100中對以下三個位號賦初值，如圖74風(fēng)電機組及控制系統(tǒng)75內(nèi)容基礎(chǔ)導(dǎo)論E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制76E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制●系統(tǒng)環(huán)境的熟悉及硬件組態(tài)●Step7與WinCC界面的數(shù)據(jù)傳輸●利用WinCC編寫風(fēng)力發(fā)電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態(tài)●風(fēng)力發(fā)電機偏航控制●風(fēng)力發(fā)電機啟動控制●風(fēng)力發(fā)電機恒速變槳功率控制●風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)監(jiān)控77恒速變槳距風(fēng)力發(fā)電機組啟動的工作原理變距風(fēng)輪的槳葉在靜止時，槳距角為90°，這時氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，整個槳葉實際上是一塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)速達到啟動風(fēng)速時，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪開始啟動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變槳距系統(tǒng)的槳距角給定值由發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號控制。轉(zhuǎn)速控制器按照發(fā)電機轉(zhuǎn)速的大小，相應(yīng)改變槳距角設(shè)定值的大小。變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的槳距角參考值，調(diào)整槳距角，進行所謂的速度控制。其控制系統(tǒng)框圖如圖所示，轉(zhuǎn)速控制的給定值是恒定的，即同步轉(zhuǎn)速。7879風(fēng)力發(fā)電機組的啟動控制程序●完成啟動邏輯●完成并網(wǎng)前的槳距角控制●初始化設(shè)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(fēng)速是否達到最低啟動風(fēng)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(fù)位啟動信號，如圖所示。818283若10s內(nèi)機械剎車故障，則啟用安全停車（后續(xù)實驗中將會實現(xiàn)），如圖所示：84對風(fēng)完成，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速到達一定轉(zhuǎn)速后，如350r/min，手動調(diào)節(jié)槳距角到0°，如圖所示：85當(dāng)槳距角小于1°且發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到1500r/min左右時，進行并網(wǎng)發(fā)電，將控制器方式設(shè)置為自動，并將相關(guān)信號復(fù)位，如圖所示8687若并網(wǎng)故障，則啟用安全停車，如圖所示：88并網(wǎng)之前的槳距角梯形圖控制程序若并網(wǎng)故障，則啟用安全停車，如圖所示：89在“對風(fēng)”（風(fēng)機正向迎風(fēng)）結(jié)束后設(shè)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(jīng)FC106轉(zhuǎn)換，輸出控制槳距角，如圖所示：919293風(fēng)機并網(wǎng)后再次確認PID控制器設(shè)定為自動模式，如圖所示94初始化設(shè)置在OB100中進行信號初始化設(shè)置，它是在OB1運行之前預(yù)先給某些信號賦初值。程序如圖所示9596此外，還應(yīng)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(diào)用通過在主程序中給定啟動信號，實行對啟動程序的調(diào)用，如圖所示：98其他上述程序中FB2的功能是求平均值函數(shù)，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(shè)定方法為在“添加新塊”中選擇“數(shù)據(jù)塊”，按圖設(shè)置即可。101風(fēng)電機組及控制系統(tǒng)102內(nèi)容基礎(chǔ)導(dǎo)論E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制103E-WT風(fēng)力發(fā)電機組控制●系統(tǒng)環(huán)境的熟悉及硬件組態(tài)●Step7與WinCC界面的數(shù)據(jù)傳輸●利用WinCC編寫風(fēng)力發(fā)電機控制流程●E-WT與PLC的硬件連接及控制器硬件組態(tài)●風(fēng)力發(fā)電機偏航控制●風(fēng)力發(fā)電機啟動控制●風(fēng)力發(fā)電機恒速變槳功率控制●風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)監(jiān)控104風(fēng)力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)的工作原理風(fēng)力發(fā)電機組通過槳距角控制來提高風(fēng)電機組效率和消除因空氣密度變化產(chǎn)生的最大穩(wěn)態(tài)功率變化。通過改變槳距角從而改變風(fēng)速在葉片上的行程，也就是使葉片對風(fēng)或側(cè)風(fēng)。從空氣動力學(xué)角度考慮，當(dāng)風(fēng)速過高時，只有通過調(diào)整槳葉槳距，改變氣流對葉片的攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，才能使功率輸出保持穩(wěn)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(diào)節(jié)。變槳距控制多用于大型風(fēng)力發(fā)電機組。采用全槳變距的風(fēng)力發(fā)電機組，并網(wǎng)后可對功率進行控制，使風(fēng)力機的啟動性能和功率輸出特性都有顯著改善。功率調(diào)節(jié)的好壞，與葉片變距速度有關(guān)。105程序編寫及下載示例程序采用“帶有調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)的PID控制器。實驗五中已經(jīng)介紹了PID的調(diào)用和組態(tài)，但是如果想要實現(xiàn)自動控制，還需