本文引用格式：李林,于惠钧,张发明,等.Bachmann PLC在XE82-2000型风电机组控制系统中的应用[J]. 新型工业化，2017，17（4）：13-17.DOI：10.19335/j.cnki.2095-69.2017.04.003Bachmann PLC在XE82-2000型风电机组控制系统中的应用李林，于惠钧，张发明，黄建鹏，田淑慧（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲，412007）摘要：风力发电技术已经成为世界各国大力研究并发展普及新能源的主要方向，在风力发电机组控制系统中，采用可编程控制器（PLC）作为主控器，稳定性良好、抗干扰性强；文章介绍了Bachmann公司的PLC在风电机组控制系统中的运行原理；分析控制系统的软硬件组成，并介绍了主控软件的主要功能和运行状态。实验表明，系统稳定性和灵敏性良好。关键词：风力发电；PLC；主控器Application of Bachmann PLC in Wind Turbine Control SystemLI Lin, YU Hui-jun, ZHANG Fa-ming，HUANG Jian-peng，TIAN Shu-hui(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan , 412007)Abstract: Wind power generation technology has become the world’s major research and development of new energy sources in the main direction, in the wind turbine control system, the use of programmable controller (PLC) as the master, good stability, strong anti-interference; The operation principle of Bachmann PLC in the control system of wind turbine is analyzed, and the hardware and software components of the control system are analyzed, and the main functions and operating status of the main control software are introduced. Experiments show that the system stability and sensitivity are good.Key words: Wind power; PLC; Main controllerCitation: LI Lin, YU Hui-jun, ZHANG Fa-ming, et al. Application of Bachmann PLC in Wind Turbine Control System [J]. The Journal of New Industrialization，2017，17（4）：13-17. 0 引言世界能源问题日益严重，环境问题也越来越令人头疼，新能源的开发利用也就越来越得到世界各国科学家的深入研究。而风能作为新能源中出类拔萃的一种，得到各国的大力研究与发展。地球上富含的风能能量庞大，总量约为2.74×109 MW，而可利用的风能资源大约为2×107MW[1]。目前，风力发电产业在各国的发展态势良好，各国也都在进行风电技术的革新，成果显著，不过海上风电的发展还不够乐观[2]。在风电机组控制系统中，风力发电系统的复杂结构，风力大小的时变、非线性以及整个设备运行环境的恶劣性，共同决定了需要选择的控制器必须具备稳定性好、抗干扰能力强、控制方式灵活等属性[3]，逻辑控制器（PLC）就显现了巨大的优势。1 XE系列风电机组介绍基金项目： *湖南省自科基金（2017JJ4022）。作者简介： 李林（1991-），男，在读研究生，研究方向为复杂机电系统的信息集成和协制。通讯作者： 于惠钧（1975-），男，湖南工业大学教授。研究方向为系统保护与自动化技术。设计与研究新型工业化·2017年第4期13湘电风能有限公司针对某些风电场所处的高温、高寒、高海拔、高盐雾、砂尘以及台风地区等恶劣环境，开发出了XE72-2000、XE82-2000、XE87-2000、XE93-2000等2MW不同叶轮直径直驱型风力发电机组。XE系列直驱风电机组的技术优势有以下几方面： 1）适应能力强，拥有分别适应低温环境的低温型和适应高盐雾地区的常温型；承受能力强，可承受最大风速是70m/s；调速范围宽，尤其在风速较低的时候，相比于异步双馈型机组，气动效率更高；2）设计安全，进行维护时可直接在机舱等内部空间工作；3）无增速齿轮箱的设计彻底解决了齿轮箱容易发生故障的问题；减少了传动链中大部分的机械部件，使得整机结构简单，维修方便，大大提高了工作效率；永磁同步发电机有效解决了励磁损耗问题，提高了效率；风机中无碳刷和滑环，不会出现滑环故障及清扫碳刷碳粉的问题；4）变速恒频控制系统利用风能的效率更高；全功率变流器大幅度减少了输送到电网的高次谐波，大大提高了电源质量；本控制系统就是针对兆瓦级直驱型风力发电机组XE82-2000风力发电机组所设计的。2 系统总体设计方案2.1 系统组成控制系统作为风电机组的神经中枢，可以根据风速、风向对整个风机系统进行实时控制；自动启动风机或停机；自动控制偏航并稳定输出电压和频率，实现最优功率[4]；实时监控各部件的运行情况，根据实时状况进行报警甚至停机。湘电集团拟选用Bachmann公司的MX213系列PLC作为XE82-2000风电机组控制系统的控制核心，分布式结构控制组件，硬件组件构成主要包括：主控系统控制柜、机舱控制柜、轮毂控制柜[5]。主控系统在塔基内，包含着主PLC。控制软件运行在主PLC和轮毂PLC内。轮毂PLC负责风机变桨控制算法和变桨系统的控制，通过现场总线（CAN）与主PLC通信。主PLC和数据采集与监控系统（SCADA）之间通过交换机交互数据。本地操作屏作为主PLC与变频器的操作界面。机舱控制柜位于机舱内，包含机舱远程I/O站。机舱远程I/O站通过跳码编码器HCS 200毫米光纤与主控系统通信。轮毂控制柜位于轮毂内，包含轮毂PLC。变桨控制算法和变桨执行机构和传感器I/O运行在该PLC、轮毂PLC和主控PLC之间通过经由滑环的CAN总线通信。风力发电机组的控制系统包括主控系统、数据采集和监控系统、变桨系统、偏航系统、上位机监视系统。PLC作为控制系统的CPU，也作为连接各个风电机组的其余部件的桥梁，保证机组运行的效率。系统结构见图1。设计与研究2.2 系统工作原理控的风向自动进行判断并调整叶片的正常工作位置[6]。风电机组整个系统启动前先进行系统及系统程序初始化，然后是系统自检，自我检查其连接的各种外设及其硬件有无错误，同时检查风向、风速等系统参数有无错误，一切正常，则启动系统。系统启动后，第一项工作就是对电网的所有参数进行检查，然后的工作是进行所有计数器的设置和初始化输出14《新型工业化》开放式获取期刊：www.chinaxxgyh.com图1 系统结构Fig. 1 system structure在风力发电控制系统中，控制核心为主控PLC，监控风向的变化是控制系统的首要功能，根据监机构，进而运行风电机组。风机的桨距角自动回到0°，风轮启动。数据采集系统的主要作用是将由传感器和风向标等风机上所有检测装置对风向参数检测的的数据进行汇总分析并向控制核心即主PLC进行交付；偏航系统主要是服从主PLC根据风向参数进行分析并作出判断的命令对风机进行偏航或解缆等运作[7]。上位机实时远程监测风机运行的各种数据，并将反馈的风机转速信号输入PLC，以判断可否并网[8]。当风机系统正常运行后，控制系统实时检测风机数据并判断是否达到甚至超过风机运行的风速极限、进而决定偏航与否甚至执行制动。当平均风速（5min）大于切入风速（3.5m/s）时，控制系统根据实际风向参数进行自动偏航，使机舱始终处于正对风位置，即叶轮自动处于迎风位置。当平均风速（10 min）大于切入风速（3.5m/s）时，制动器自动松开，风机正常运行。当瞬时风速大于切出风速（25m/s）或风机出现问题时，保护装置自动动作进行制动，系统停止运行，叶轮转入侧风的保护状态。3 控制系统基本逻辑状态及软件设计3.1 控制系统基本逻辑状态风力发电机组的基本逻辑状态包括运行、待机、停机和紧急停机状态4种。机组每种工作状态的特征描述：1）运行状态：即风机正常运行的状态，也是风机大部分时间的工作状态。当平均风速（10 min）大于切入风速而小于切出风速时，即风速的大小满足风机的运行要求，则控制系统控制接通并网接触器，整流器运行，偏航系统控制并调整风轮对风，变桨系统控制并调整桨距角[9]，逆变器投入运行，机组并网并输送电能。2）待机状态：平均风速（5 min）达不到于切入风速的标准，则接通并网接触器，而整流器暂时停止工作，变桨系统控制桨距角为15°，偏航系统控制风轮对风，风电机组空转。3）停机状态：当母线电压低到既定幅值时，逆变器停止运行，并网接触器随之断开连接，变桨系统控制叶片桨距角为90°，电机空转，整流器停止运作。4）紧急停机状态：制动电阻接入，其他动作与停机状态类似。3.2 PLC软件设计我们选用了Bachmann公司的PLC作为主控制器。表1介绍了塔基内的主PLC模块。表2介绍了主PLC的软件配置。表1 主PLC模块Tab.1 PLC modules of main controllerMX213FM211DIO248AIO288CPU光纤通信模块数字输入 / 输出模块模拟量输入 / 输出模块表2 主PLC软件配置Tab.2 Main PLC software configuration站号1111槽号1+234+56卡号型号MX213描述CPU Pentium 133 MHz; 32MB DRAM; 256K SRAMFast Bus Master Fibre Optic communication Digital I/O ,48 channelsAnalog I/O, 8 inputs, 8 outputs356FM211DIO248AIO288机舱远程I/O站通过FAST BUS光纤通信链路与主控系统后台通信。配置上，机舱远程I/O站作为第二节点直接与主控系统交互信息。机舱远程I/O站软件配置见表3。风速信号未从计数模块输入，采用机舱DIO248模块数字信号中断的方式触发，以单独的中断触发任务运行。轮毂PLC与机舱远程I/O站通过CAN总线通信。轮毂和机舱之间CANOPEN总线速率为500kbits/s，轮毂PLC到主控PLC的刷新时间为100ms。轮毂PLC软件配置见表4。设计与研究新型工业化·2017年第4期15表3 机舱远程I/O软件配置Tab.3 Engine room remote I/O software configuration站号222222表4 轮毂PLC软件配置Tab.4 Wheels PLC software configuration站号1槽号12345+67卡号171819202223型号CM202EM203PTAI216AIO288DIO248FS211/N描述CAN Open bus masterEthernet master 10 Mb/sAnalog I/O, 16 channelsAnalog I/O, 8 inputs, 8 outputsDigital I/O ,48 channelsFast Bus slave with integrated power supply槽号1卡号12346型号MX213ISI202ISI202PTAI216DIO2描述CPU Pentium 133 MHz; 32MB DRAM; 256K SRAMEncoder SSI+incremental, 2 channelsEncoder SSI+incremental, 2 channelsAnalog I/O, 16 channelsDigital I/O , channels11112345+63.3 PLC任务及软件功能Bachmann PLC支持所有5种IEC61131-3声明的编程语言。在IEC61131-3标准中，软件模块基于程序组织单元（POU），本设计系统定义了基于位置的POU组合模块组：风机状态模块变频器模块机舱模块轮毂模块考虑到结构化和算法移植的需要，本控制系统采用的是结构化文本（SFC）编写，并采用Bachmann软件运动控制器（Software Motion Controller , SMC）实现叶片在风机启动和停机过程的运动控制。风机PLC中包含的任务种类见表5。除了以上基于位置的模块组，还有基于功能的模块组分布：事件处理模块硬件模块用户界面模块报告模块仿真模块库a.主控顺序模块功能任务Main PLC programSMCWind speedRotor PLC program表5 风机PLC包含的任务种类Tab.5 Wind turbine PLC contains the type of task执行方式周期同步中断外部事件中断周期100ms时间100ms8ms当收到手动起机、手动停机、自动重启或自动停止（跳闸信号、扭缆、高风速、自动紧急变桨测试）命令时，主顺序控制模块将同时协调变桨控制、偏航控制、变频器控制及辅助器件的控制（油泵和风扇）的工作。b.偏航控制模块功能偏航控制模块用于机舱不同情况下的定位：1）当事件触发主控禁止进行安全偏航时，“禁止偏航”状态有效，进入低摩擦力制动（刹车)2）当取消禁止偏航命令时，如没有别的动作要求，则“预备”状态有效，进行低摩擦力制动3）当选择手动偏航时，状态处于“手动偏航”进行低摩擦制动，可以进行手动“左偏航”及“右偏航”4）当选择自动偏航时，状态处于“自动偏航”高摩擦力制动有效，偏航控制使机舱自动对风，机 设计与研究舱定向后，进行高摩擦力制动。5）当超高风速时，偏航处于“自动暴风停机”状态，向主控顺序模块发出“停机自动重启”信号，机舱转向上风向，移动时，高摩擦力制动完全放开，机舱到达上风向后，再施加低摩擦力制动，一直到风速降为安全风速。之后释放低摩擦力制动，机舱调整为下风向。6）一旦“自动偏航”时扭缆超限，偏航处于“自动解缆”状态，同时向主控顺序发出“停机自动重启”信号，同时偏航控制依据当前风速启动机舱解缆至合适位置，当解缆完成而且此时机舱处于下风向，机舱再次进入“自动偏航”状态。16《新型工业化》开放式获取期刊：www.chinaxxgyh.comc.变频器模块功能变频器模块可根据控制方式（手动/自动）和主顺序的状态，变频器激活相应的状态，保证了变频器与主顺序控制的一致。变频器有控制发电开关的权利（根据轮毂转速，风机跳闸命令），也影响主顺序控制的状态；变频器控制模块的变频器水冷控制模块，可以检测温度，液体压力等；该模块也可以控制风扇，水冷泵，其冷却能力也可以进行调整。变频器事件模块的功能是当变频控制系统给跳闸字置位时，就会通过CAN通讯发给风机主控PLC，这样就可以针对每个位进行事件的设置/处理。4 总结主控程序以100ms为周期运行。主控顺序模块，变频器控制模块，轮毂顺序模块和偏航控制模块构成了控制程序的主干。主控顺序模块控制风机的启停机和自动重启功能，同时变频器系统，变桨系统和偏航系统协调配合风机的控制操作[10]。主控顺序模块负责在不同的操作阶段与变频器控制模块，轮毂顺序模块和偏航控制模块的相互通讯，例如，在收到启动命令后，变频器开启，自动偏航开启，变桨系统收到启动变桨命令，叶片变桨至工作位置。轮毂事件模块发出的故障信号直接引起轮毂顺序模块的状态，同时也影响主控顺序模块的状态，引起主控顺序模块跳转至停机状态。Bachmann PLC在风电控制系统中运行良好，实用性强。目前XE82-2000型风力发电机组已经得到大量生产使用，并运行在风场一线。根据现场反馈运行良好。参考文献[1] 金利祥，张德华，陈绍聂，等.基于PLC的风力发电机组控制系统研究[J].机电工程，2012，2.29（2）：188-191. 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