摘要：对风电机组点对点封闭结构和随机非线性问题，提出了风电机组的开放移动控制结构和功率曲线ＬＵＴ线性化方法。在风电机组线性化转矩和变桨开放移动控制结构框架里，基于软件PLC控制器作为主控系统的核心，采用ET200S输入输出模块用于采集设备信息及控制的输出，从而完成整个系统的硬件设计，在软件算法设计上利用先进的MAT- LAB设计核心控制功能。
关键词：风电机组；移动控制结构；主控系统设计
风电机组经历了恒速定桨感应式风机、变桨阻抗变速风机、功率电子变流器替代转子阻抗变速的双馈风机、及全功率直驱变速风机四代风机概念的发展变化。风机的控制依据均来自空气动力学理论，但其控制系统结构和相应的控制器设计方法却是多种多样的。关于风电场监测和控制的国际标准，风电机组控制系统目前还没有可供参考的设计依据和开发标准。基于PLC设计的控制技术逐渐成为发展趋势。风力发电技术是将风能转换为机械能，进而再将机械能转化为电能的技术，随着风力发电技术不断发展，风力发电机组得到了越来越多的应用。
一、风电机组的开放移动控制结构
移动控制从工业革命开始，从电机反馈控制、数字移动控制，基于PLC、现场总线、工业网络等技术的发展，现在的移动控制系统已成为从设计到编程工业标准的开放系统。移动控制系统主要由主控制器、驱动和执行装置、执行控制器、传感器、机械部件等组成。从风电机组的系统结构上看，风电机组的控制系统是移动控制系统。点对点控制系统的每个执行终端与主控系统的连接是按照某种确定的模式“量身定做”的，因此不同厂家的系统之间不能随意连接。此外，主控制器是单方向的发送控制指令给最靠近的环路，如变桨伺服控制器的位置环。位置环通过自身的封闭系统将控制信息传送给速度环、电流环，最终通过编码器反馈实现电机的执行控制。相比而言，开放系统按照通信标准设计控制器，可实现不同系统间的开放性互连。开放系统的主控制器通过双向通信总线将控制命令同时发送到控制器的各位置环、速度环、和电流流环。与此同时，主控制器通过总线驱动界面同时收到来自各执行控制器的转矩、位置、速度和加速度等信息。这种双向通信方式大大减轻了主控制器信息处理压力，并可高速、同步地传递和反馈控制信息。为了促进开放系统互连的标准化进程，OPC与PLC联合推出对PLC工业移动控制开放系统的OPC标准。该标准的通信结构是一个由装置层、控制层、MESＭ层和ERP层组成次结构通信系统。其横行功能是控制器之间通过现场总线双向交换复杂数据，纵向可通过MESＭ和ERP采集数据,提出风电机组转矩和变桨控制系统的“开放移动控制结构”，如图所示。
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所提出的风电机组“开放移动控制结构”将风机的转矩执行控制器和变桨执行控制器添加到OPC标准的装置层里。转矩执行控制器和变桨执行控制器需通过总线驱动界面接入通信总线PLC主控系统连接和通信。
二、基于PLC 的风电机组主控系统设计
1、主控系统方案设计
（1）主控系统功能介绍。主控系统是风力发电机组的核心部件。其主要实现以下控制: a.保证机组可靠运行、获取最大能量、提供良好的电力质量。b.控制系统需要根据功率以及风速自动进行转速和功率控制; 根据功率因数自动进行无功补偿; c.机组运行过程中，对电网、风况进行检测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，而且能根据记录的数据生成各种图表，反映风力发电机的各项性能指标; 风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信功能。
（2）主控系统硬件架构。根据风电机组的结构与原理将风机主控系统分为三部分，包括机舱控制柜、塔底控制柜及不同信号的传感器。塔底控制柜包含: 690V主电源接入、分配，电网测试、人机交互接口、主控制器、UPS电源、风场通讯、塔底数据采集、变流器通讯。机舱控制柜包含: 传感器接入、数字、模拟 IO、安全链系统、变桨系统通讯、机舱690V电源分配。传感器: 采集风机各功能模块的数字、模拟信号，并传给控制器。
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如上图主控系统框架图。主控系统控制器采用西门子的IPC427D工控机，作为主控系统运行的软PLC。人机界面采用可集成在IPC427D中的WinCC Advanced，并且IPC427D自带DVI显示接口，只需搭配显示器即可，大大降低了成本。主控系统的主要作用是采集设备、环境等状态信息，根据这些信息控制机组的运行，其需要通过IO模块获取外界信息。本系统采用ET200S系列模块，包括机舱及塔底两部分，采集设备状态信息并进行输出控制。同时机舱与塔底通讯通过光纤连接数据传输稳定。与变桨系统的通讯采用Profibus通讯，与变流器系统通讯采用Can-open通讯。
2、主控系统软件设计
（1）控制程序设计。整个系统的软件编程包含两部分，一部分为核心控制算法功能，另一部分为辅助功能(包括外围信号的巡检，人机界面等)，本系统设计采用MATLAB/Simulink实现，其优点在于充分利用MATLAB强大的数据处理能力，实现复杂的算法，代码便于维护，同时不依赖于特定的平台。将系统设计模块化便于维护及仿真测试。基于以上优点在算法设计上采用MATLAB/Simulink，设计时将系统划分为不同的子模块，包括变流器控制、变桨控制、偏航控制、齿轮箱控制、发电机控制、冷却系统控制、发电机系统控制等。在软件设计完成后将其转换为软PLC能够运行的代码。该平台支持多种编程语言SCL，FBD，LAD等。本设计用户应用程序通过SCL编程语言来实现，其优点在于SCL编程灵活，使用方便，并且更类似于高级语言，这样可以应用比较成熟的网络上的其它资源。根据系统的主要功能及辅助功能设计系统的主流程如下: 启动，条件满足进入运行状态，可自动或手动启动; 并网发电，当前状态下风机能够产生电能; 维护，用于现场人员检查维护风机。
（2）人机界面设计。作用是现场工作人员可通过观察风机状态对风机主控系统进行操作，如启停机等。本系统人机界面采用WinCC Advanced，其运行环境为安装在IPC427D中的WinCC Advanced RunTime。该集成环境通过电脑远程登录即可查看人机界面，无需独立的触摸屏系统。编程软件集成与 PortalV13中控制程序的开发在相同的环境上。其优点变量的连接在编程内部进行，不需额外的通讯协议。在界面设计上，在界面的上方显示固定于界面上部，显示了风机当前风速、风向、发电机转速、当前功率、桨叶角度、当前风机状态、偏航模式等信息; 界面左边为固定菜单菜单，由一系列子菜单组成，如: 总览、运行，安全链等各子系统的菜单，进入相应的子菜单后可查看风机各设备的状态信息，能够对设备的参数进行设置。
（3）本测试采用GH－Bladed 软件，GH－Bladed 软件是一款风力发电机组仿真的专业软件，可将风机设计的模型输入到该软件中，通过该软件模拟风机的不同工况，将控制算法作为其控制部分的输入，可有效测试软件算法是否正确，检查控制的准确性，有效避免现场的控制故障。
结束语：
基于软PLC的控制技术在工业控制领域得到了快速发展，其重要特点编程灵活，易于实现复杂的算法，支持多种协议，接口丰富。将其用于风力发电机组的主控系统设计，能够提高主控系统的控制性能。
参考文献：
［1］ 贾茜茜．基于软 PLC 技术的仿真系统设计与应用［J］．自动化与仪器仪表，2018，( 02)： 13．
［2］ 杨建成，傅兴华．风电机组的开放移动控制结构和主控系统设计［J］．重庆大学学报，2018，( 01) : 27－36．
作者简介： 常文君 （1986-10-10），女，身份证号码：13022419861010XXXX 籍贯：河北，职称：中级，学历：本科，研究方向：风力发电机组主控系统设计
论文作者:常文君
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/4/30