专利名称:一种风电机组控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电领域，尤其涉及定桨距失速型风电机组的控制系统。
背景技术：
定桨距失速型风电机组是目前风电市场应用较多的机型。一般来讲，风力机通过监测机组自身状态、电网状态及周围环境如温度、风速、风向等情况，综合判断后发出相应控制指令，实现对风力发电机组的控制及保护。目前对失速型风力机的控制往往存在着以下不足之处首先，风电机组往往工作在条件较为恶劣的野外环境，雷电、电磁干扰等会对风电机组特别是电控系统产生危害。目前风电机组的控制器在抗电磁干扰方面存在不足。
其次，由于风电机组单机容量不断扩大，控制需求也在不断增加。现有控制器，如采用单片机或工控机的风电机组控制器，控制功能已经局限在一块控制板上或者集中在工控机的扩展槽上，当控制点数增加时不利于功能的扩展，使得控制器升级的时间和费用都大大增加；同时当控制器出现故障时也不利于故障的查找和维护。
第三，大容量风力发电机，特别是异步感应发电机在直接切入电网时会对机组造成较大的冲击。因此，感应发电机在并网时，需要采用一定的控制手段，使并网冲击减小，目前的并网控制方法仍然需要进一步改进。
第四，当风速变小时，风电机组进入负功率状态，因此，机组需要脱网以减小电力消耗。目前，小风停机的控制方法存在一些问题。如失速型风力机在发电运行中，当遇到风速变小而出现负功率时，通过甩出叶尖(即叶尖扰流器)来执行刹车，当转速降低到较小值后上机械刹车，使机组完全制动，同时收回叶尖。这种方法，对高速闸的磨损较为严重。同时，频繁的使用高速闸刹车对机组的机械冲击也很大。一种控制方法是在转速降低后，收回叶尖，但不上机械刹车，而是保持叶轮的自由轮状态。但是，这在实际中会带来问题。当风速持续长时间较小时，机组采用叶尖刹车降低转速后，如立即收回叶尖，此时电机转速会立即上升，直到达到并网转速后切入电网。由于风速较小，机组并网运行时出现负功率，又要执行甩叶尖的刹车动作，如此反复，造成机组的频繁并网和脱网。短时间并网次数过多，会造成对机组的多次冲击。短时间脱网过多，叶尖频繁收甩，严重影响叶尖的使用寿命。因此迫切需要一种好的控制方法来解决这个问题。
第五，由于风力机控制器不仅仅需要完成对单台风力机的控制，同时还需要为风电场中央控制室集中监控计算机提供通信接口，从而实现对风力机群的集中监控。现有风力机控制器一般采用传统的RS485串行通讯方式或者电话拨号方式，通信速度慢、误码率高。
发明内容本发明所要解决的技术问题是针对以上现有技术的不足之处，提出一种稳定性好，功能扩展方便，控制方法得当，与上位机通讯高速稳定，能在恶劣环境下工作的功能强大的风电机组控制系统。
本发明采用以下技术方案。
本发明包括中心控制器(PLC)、中间继电器板、软并网控制板、操作员面板以及与控制对象相连的接线端子。其中，中心控制器由Siemens公司的S7-300PLC系列模块构成，包括一个电源模块、1个CPU模块、1个开关量输入模块、1个开关量输出模块、1个高速计数模块、1个模拟量输入模块和1个通讯模块。中间继电器板由多个直流线圈继电器构成，用于输入、输出信号的隔离。软并网控制板由89C51单片机系统、同步信号采集电路、定子电流检测电路、触发信号驱动放大电路和光耦隔离电路构成。中间继电器板、软并网控制板分别与中心控制器的输入、输出模块相连接，并通过接线端子与控制对象相连接。
本发明的风电机组控制系统的工作过程描述如下(1)系统上电开始运行自检程序，检查系统状态是否正常。同时检测电网参数，检查电网状态是否正常；(2)若系统和电网状态都正常，系统自动复位，闭合安全链；(3)中心控制器发出启动液压泵命令，液压泵开启，将液压油从油箱中泵出，系统压力开始上升，当系统压力升到设定值时，停止液压泵；(4)中心控制器发出打开叶尖电磁阀命令，液压油进入叶片油缸，依靠油的压力收回叶尖；(5)检测系统各个输入点的参数值，如温度、压力、风速、转速等信号，通过对加热器、液压泵、齿轮油泵的控制，使风电机组各部分的温度、压力保持在设定值范围之内；(6)调用故障检测与处理程序，如各点参数值超出预先设定的范围，则给出故障报警；(7)如没有故障，并且风速达到偏航风速，则启动偏航程序，实现风电机组的自动对风；(7)对风结束后，如风速达到切入风速，则进入风电机组自动启动程序。松高速闸，叶轮在风的升力作用下开始旋转；(8)当转速达到并网转速时，启动软并网程序。闭合电机接触器，软并网控制器按一定的触发角顺序触发可控硅，同时检测并网电流，当并网电流超过设定值，则保持当前触发角不变。随着转速上升，电流下降到允许值以内时，继续触发可控硅，直到可控硅完全导通，这时闭合旁路接触器，切除软并网装置，使风力发电机可靠并入电网，并网过程结束；(9)如果步骤(8)中的并网时间超出预先设定的时间，则启动正常停机程序，终止并网过程；(10)成功并入电网后，根据发电机发出有功的情况，投入电容器，进行无功补偿，使功率保持在标准要求的范围之内；(11)当风速变小时，如果发电机持续一段时间(可设定)发出负功率，则启动小风停机程序。具体过程为当执行小风停机时，甩出叶尖，执行空气刹车，但不执行机械刹车(即不上高速闸)。当电机转速降低到300转/分时，收回叶尖。收回叶尖后，转速可能会立即上升，有可能再次达到并网转速，并切入电网。这时进行1小时倒计时，并记录并网次数。当1小时内并网次数达到4次，则置小电机并网限制标志为1。如果电机转速第5次达到并网转速，而且小电机并网限制标志为1，这时，不执行并网程序，电机维持空转状态，如果电机转速继续上升，达到大电机并网转速，则执行大电机并网程序。当1小时倒计时结束，则清除并网次数的计数，同时清除小电机并网限制标志(标志置0)。
同时，本发明的控制器还提供了支持现场总线技术的PROFIBUS通信接口。
与现有的风电机组控制器相比，本发明具有以下积极效果采用PLC作为中心控制器，功能模块组合结构，稳定性好、便于功能扩展。风电机组控制器之间以及风电机组控制器与远程监控计算机之间采用了面向未来的PROFIBUS现场总线结构，一组通信节点达到126个，通信速率达到1.5Mbps，确保了通讯的快速性和有效性，便于实现远程集中控制。
整个控制器采用集散控制结构，中心控制器PLC作为主控制器负责整个系统的控制与协调，89C51单片机系统作为从CPU系统完成风力发电机的软并网控制，在工作方式上听从主控制器的指令。
中心控制器PLC与控制对象之间设置中间继电器板。中间继电器板上可以设置多个直流线圈继电器，因此可以灵活实现对多路输入/输出信号的隔离，确保了中心控制器的安全。
采用了限流软并网方式，确保了大容量风力发电机切入电网时，过程柔和平稳，减小对整个机组的冲击。
先进实用的小风停机方法，不上机械刹车，减少了对高速闸的磨损；限制1小时内的并网次数，避免了发电机频繁并网、脱网现象的发生。
本发明采用了模块化组合结构，根据输入/输出信号的多少，可以增加或减少I/O模块，硬件组态灵活。
中间继电器板上继电器的数量根据要求可以灵活增减，实现了对不同系统的灵活配置。这种方式确保了中心控制器的安全性，同时，提高了整个系统的抗干扰能力。
图1为本发明风电机组控制器原理结构图。
图2为中间继电器板原理图。
图3为软并网控制原理图。
图4为电流测量单元电路图。
图5为驱动单元中一路驱动电路图。
图6为同步信号获取单元电路图。
图7为软并网控制流程图。
图8为小风停机控制流程图。
图9与中央监控计算机通信网络图。
具体实施方式以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1是本发明风电机组控制器的原理结构图。如图1所示，本发明主要由中心控制器PLC、中间继电器板、软并网控制板、显示操作面板(操作员面板)以及与电量采集模块、外部传感器、外部执行机构、3组反并联晶闸管等模块相连的插拔式接线端子构成，并统一安装在一个防护等级为IP54的箱体内。中心控制器由Siemens公司的S7-300PLC系列模块组成，排在柜体安装板的正中上方。中心控制器PLC主要包括以下模块PS307电源模块，CPU模块315-2DP，数字量输入模块DI，数字量输出模块DO，高速计数模块FM350-2，模拟量输入模块AI，通信模块CP340。中间继电器板和软并网控制板排在中心控制器PLC的下方。柜体最下方是一排易于插拔的接线端子，用于与控制对象和传感器进行信号连接。插拔式接线端子排的1号、2号端子分别与3组反并联晶闸管的1号晶闸管的阴极和门极连接。3号、4号端子分别与3组反并联晶闸管的2号晶闸管的阴极和门极连接。5号、6号端子分别与3组反并联晶闸管的3号晶闸管的阴极和门极连接。7号、8号端子分别与3组反并联晶闸管的4号晶闸管的阴极和门极连接。9号、10号端子分别与3组反并联晶闸管的5号晶闸管的阴极和门极连接。11号、12号端子分别与3组反并联晶闸管的6号晶闸管的阴极和门极连接。13号端子与外部传感器的闸释放信号连接，14号端子与外部传感器的齿轮油位信号连接，15号端子与外部传感器的液压油位信号连接，16号端子与外部传感器的闸磨损信号连接，17号端子与外部传感器的偏航过载信号连接，18号端子与外部传感器的电机反馈信号连接，19号端子与外部传感器的旁路反馈信号连接，20号端子与外部执行机构电机接触器连接，21号端子与外部执行机构旁路接触器连接，22号端子与外部执行机构高速闸刹车连接，23号端子与外部执行机构叶尖电磁阀连接，24号端子与外部执行机构右偏航电机连接，25号端子与外部执行机构左偏航电机连接，26号端子与外部执行机构齿轮泵连接，27号端子与外部执行机构液压泵连接，28号端子与外部传感器风速信号连接，29号端子与外部传感器电机转速信号连接，30号端子与外部传感器叶轮转速信号连接，31号端子与外部传感器电机温度信号连接，32号端子与外部传感器齿轮油温度信号连接，33号端子与外部传感器环境温度信号连接，34号端子与外部传感器风向信号连接，35号端子与外部传感器系统压力信号连接，36号端子与外部传感器叶尖压力信号连接。
中间继电器板与中心控制器PLC的数字量输入模块DI、数字量输出模块DO相连接。软并网控制板与中心控制器PLC的数字量输入模块DI、数字量输出模块DO相连接。高速计数模块FM350-2用来检测风速、电机转速和叶轮转速。模拟量输入模块AI用来检测温度和压力信号。通信模块CP340的RS485端口通过通信电缆与外部传感器电量采集模块连接，用来检测电量参数。整个箱体采用左侧单开门结构，显示操作面板与CPU模块315-2DP的MPI接口相连接，安装在柜门的正中间。CPU模块315-2DP的DP接口用来接入PROFIBUS总线网络，可以连接下一个站点或远程监控PC机。CPU模块315-2DP的MPI接口与显示操作面板相连接。CPU模块315-2DP的DP接口与下一个站点或远程PC机相连接。数字量输入模块DI的9通道与软并网控制板的51OK信号连接；8通道与软并网控制板的END信号连接。
中间继电器板原理如图2所示，PI1~PI8分别为连接到中心控制器PLC的8路数字量输入信号，电源使用PLC24VDC。其具体接线方式为数字量输入模块DI的7通道与中间继电器板的PI1连接；6通道与中间继电器板的PI2连接；5通道与中间继电器板的PI3连接；4通道与中间继电器板的PI4连接；3通道与中间继电器板的PI5连接；2通道与中间继电器板的PI6连接；1通道与中间继电器板的PI7连接。I1~I7为外部输入信号，电源使用外部24VDC。如图1所示，其具体接线方式为I1与图1端子排的13号端子闸释放信号连接；I2与端子排的14号端子齿轮油位连接；I3与端子排的15号端子液压油位连接；I4与端子排的16号端子闸磨损连接；I5与端子排的17号端子偏航过载连接；I6与端子排的18号端子电机反馈连接；I7与端子排的19号端子旁路反馈连接。
以第一路输入信号闸释放信号I1为例。当闸释放时，I1有输入，继电器线圈带电，继电器输出触点吸合，即PI1得电为高电平，中心控制器PLC通过数字量输入模块DI的7通道获得这一信息。由于PI1与I1使用不同的电源，因此实现了外部输入与PLC的隔离。
如图2所示，PO1~PO8分别为连接到PLC的8路数字量输出信号，电源使用PLC24VDC。其具体接线方式为数字量输出模块DO的9通道与软并网控制板的ON/OFF端连接；8通道与中间继电器板的PO8连接；7通道与中间继电器板的PO7连接；6通道与中间继电器板的PO6连接5通道与中间继电器板的PO5连接；4通道与中间继电器板的PO4连接；3通道与中间继电器板的PO3连接；2通道与中间继电器板的PO2连接；1通道与中间继电器板的PO1连接。O1~O8为控制输出信号，用来驱动相应执行机构如电磁阀等，实现相应动作，电源使用外部24VDC。如图1所示，其具体接线方式为O8与插拔式接线端子排的20号端子电机接触器连接；O7与端子排的21号端子旁路接触器连接；O6与端子排的22号端子(高速闸刹车连接；O5与端子排的23号端子叶尖电磁阀连接；O4与端子排的24号端子右偏航电机连接；O3与端子排的25号端子左偏航电机连接；O2与端子排的26号端子齿轮泵连接；O1与端子排的27号端子液压泵连接。
也以第一路输出信号PO1电机接触器为例。当中心控制器PLC需要吸合电机接触器时，第一路PO1输出，PO1为高电平，第一路输出继电器线圈得电，继电器输出触点闭合，O1获得高电平，从而驱动电机接触器吸合电路，电机接触器线圈带电，电机接触器吸合。同样，由于PO1和O1使用不同的电源，因此实现了PLC输出与外部的隔离，提高了系统的抗干扰能力。
高速计数模块FM350-2的3通道与28号端子风速连接，获取风速信号。4通道与29号端子电机转速连接，获取电机转速。5通道与30号端子叶轮转速连接，获取叶轮转速。
模拟量输入模块AI的6通道与31号端子电机温度连接，获取电机温度。模拟量输入模块AI的5通道与32号端子齿轮油温连接，获取齿轮油温度。模拟量输入模块AI的4通道与33号端子环境温度连接，获取环境温度。模拟量输入模块AI的3通道与34号端子风向连接，获取风向信号。模拟量输入模块AI的2通道与35号端子系统压力连接，获取系统压力信号。模拟量输入模块AI的1通道与36号端子叶尖压力连接，获取叶尖压力信号。
通信模块CP340的RS485端口通过一根通信电缆与外部的电量采集模块连接，来获取电网参数。
图3为软并网控制原理图。其组成包括控制核心部分AT89C51单片机单元，电流测量单元，同步信号获取单元，驱动单元，与中心控制器PLC之间的信号交换线路。其具体连接方式是电机定子电流经过电流互感器接到电流测量单元的输入端，电流测量单元的输出接到AT89C51单片机的输入口P3.3(中断管脚INT1)，电网的A，C两相接到同步信号获取单元的输入端，同步信号获取单元的输出syn信号接到AT89C51单片机的输入口P3.2(中断管脚INT0)，中心控制器PLC的数字量输出模块DO的9通道(ON/OFF信号)连接到AT89C51单片机的输入口P3.0，中心控制器PLC的数字量输入模块DI的9通道(51OK信号)连接到AT89C51单片机的输出口P1.6，中心控制器PLC的数字量输入模块DI的8通道(end信号)连接到AT89C51单片机的输出口P1.7。驱动单元与3组反并联的晶闸管连接。
本发明采用了限流软切入并网控制策略。软并网控制核心是Atmel 89C51微处理器，与中心控制器PLC组成集散控制系统。软并网控制板由89C51单片机系统、同步信号获取电路、定子电流测量电路、触发信号驱动电路构成，具有同步信号检测功能、定子电流检测与比较功能。软并网控制的基本原理是在规定的并网时间内，AT89C51单片机向3组反并联的晶闸管发出触发脉冲，控制晶闸管的导通角不断增加，即控制电机的定子电压逐步提高，以达到电机软并网的目的。在控制晶闸管导通角的同时，不断检测定子电流，当定子电流超过预先设定值时，导通角将停止增加，直到电流小于设定值后，再按预先设定的步骤继续进行，直到晶闸管完全导通。当并网时间超过允许的最大值时，报并网时间过长故障，退出并网过程，风电机组执行正常停机。
定子电流经过电流互感器再通过电流测量电路接到AT89C51单片机的P3.3口(中断口INT1)，电流测量单元的电路如图4所示。其连接方式与工作过程为定子电流经过电流互感器转换成低压交流信号VBJ，经过二极管D2IN4007半波整流后，经过10K电阻R51和C5组成的滤波电路，然后与10k的可调电阻RW1分压后接入比较器的反相输入端6，10k的可调电阻RW1的1端接地，2端与R51连接，3端为调节端，与地连接；10K可调电阻RW2的1端接电源Vcc，2端接地，3端分压后接到比较器的正相输入端7，作为设定的比较值。比较器的反相输入端6连接钳位二极管D3后接电源Vcc。比较器的输出端接上拉电阻R52后输出。电源Vcc经电阻R53和发光二极管DGL后输出，主要起指示作用。当定子电流小于设定值，即比较器的反相输入端6小于正相输入端7，则INT1为高电平。由于发光二极管DGL两端的电位相等，因此DGL不导通，二极管DGL不亮，说明电流正常。当定子电流大于设定值，即比较器的反相输入端6大于正相输入端7，则INT1为低电平，向AT889C51单片机发出INT1为低电平的中断请求。
同步信号取自C、A两相之间的线电压，如图6所示。其连接方式及工作过程为电网C、A两相接到变压器T1(690V变230V)的原边，T1的副边接到变压器T2(230V变24V)的原边，T2的副边经R2和C4组成的RC滤波电路后，再经过限流电阻R6后接到三极管3DK7的基极。R6的前端与地之间接稳压管D1。三极管3DK7的发射极接地，集电极经上拉电阻R7接到电源Vcc。同时，集电极经缓冲器7407后输出同步信号SYN。当电网C相电压低于A相电压时，三极管3DK7不导通，不产生同步信号SYN。当电网C相电压高于A相电压时，三极管3DK7导通，产生同步信号SYN，并对AT89C51单片机产生一次外部中断，以此作为触发信号的时间参考点，保证触发信号有序可靠地发出。
触发信号经过驱动电路依次触发3组反并联晶闸管，驱动单元的一路驱动电路如图5所示。其连接方式和工作过程是触发命令信号Trigger1经缓冲器7407和电阻R17后接到光藕TIL117，光藕导通后信号经电阻R29，并经R28分压后接到三极管2SD381的基极。当有触发信号时，三极管基极高电平，输出信号经电阻R35后提供给晶闸管。
图7描述了并网的控制流程，如图7所示，首先执行步骤1，AT89C51单片机设置触发角初值和移相步长。
在步骤2，AT89C51单片机判断是否收到中心控制器PLC发出的并网指令(ON/OFF)，如果收到并网指令则进入步骤3，否则继续侦测。
在步骤3，AT89C51单片机判断是否收到同步单元发出的同步信号，如果检测到同步点，则进入步骤4，否则等待同步点的到来。
在步骤4，AT89C51单片机启动定时器1。
在步骤5，AT89C51单片机计算移相参数。
在步骤6，判断定时器1是否溢出，如果溢出，则进入步骤7，否则等待。
在步骤7，AT89C51单片机向晶闸管发出触发脉冲。
在步骤8，AT89C51单片机判断触发脉冲是否发完，如果发完，进入步骤9，否则回到步骤7，继续发出触发脉冲。
在步骤9，AT89C51单片机通过检测是否收到电流测量单元发出的电流过流中断信号，来判断并网电流是否超过设定值。如果并网电流小于设定值，则进入步骤10，否则触发角不变化。
在步骤10，AT89C51单片机将触发角按设定的触发规律增加一个角度。
在步骤11，AT89C51单片机判断移相控制是否结束，即晶闸管是否完全导通。如果移相控制结束，那么进入步骤12，否则回到步骤3，等待下个工频周期的同步点。
在步骤12，AT89C51单片机向中心控制器PLC发出并网结束命令(END)，并网过程结束。
通过适当地设定触发规律，可以使电机的转矩与负载要求得到较好的匹配，从而使整个并网过程变得柔和，减少了对风电机组的冲击。
本发明对风电机组小风停机采用了合理的控制策略。如图8所示。当执行小风停机时，电机转速降到一定转速时，并不执行机械刹车，而是收回叶尖。同时进行1小时计时，并记录并网次数。当1小时内并网次数达到4次，则置小电机并网限制标志。这样，即使满足小电机并网条件时风力发电机也不会并入电网。当1小时时间到，清除并网限制标志，同时计数器清零。这种控制策略既避免了机组频繁并网和脱网，同时也减轻了对高速闸体的磨损。
小风停机的控制流程如图8所示。
开始执行步骤1，中心控制器PLC检测到风力发电机在一定时间内发出负功率，或者检测到风速持续较小(小于3m/s)，风力发电机发出的功率持续很小(＜10kW)，如果满足上述的小风停机条件，则执行步骤2，否则退出小风停机程序，等待下一次的判断。
在步骤2，中心控制器PLC设置1小时计时标志，即time_flag＝1，同时进行1小时倒计时。
在步骤3，中心控制器PLC执行甩叶尖动作。具体过程为首先数字量输出模块DO的4通道输出0，即中间继电器板的PO4端子为0，继电器线圈失电，对应的继电器触点断开，中间继电器板的O4端子变为低电平，对应端子排的23号端子叶尖电磁阀为低电平，即叶尖电磁阀失电，叶尖甩出。
叶尖甩出后，电机转速很快低于同步速，中心控制器PLC执行脱网动作。具体过程为数字量输出模块DO的7通道和8通道输出都为0，也就是PO7和PO8都为0，相应继电器线圈失电，对应继电器的输出触点断开，使得O7旁路接触器和O8电机接触器变成低电平，旁路接触器和电机接触器断开，风电机组脱网。
在步骤4，中心控制器PLC通过高速计数模块FM350-2的4通道获取电机转速信号，并判断电机转速是否低于300RPM(该值可以通过操作员面板上的人机接口界面来修改)，如果低于，则进入步骤5，否则回到步骤4，重复检测电机转速。
在步骤5，中心控制器PLC发出收叶尖命令。具体过程为数字量输出模块DO的5通道输出为1，中间继电器板的PO5为1，继电器线圈得电，触点吸合，使得中间继电器板的O5端得电，即23号端子叶尖电磁阀带电，叶尖收回。
在步骤6，中心控制器PLC的并网次数计数器的内容加1，即N次数+1。
在步骤7，中心控制器PLC判断并网次数是否大于4，如果大于4，进入步骤8，否则进入步骤9。
在步骤8，中心控制器PLC设置小电机并网限制标志，即Cutin_flag＝1。当该标志为1时，即使满足小电机并网条件，风电机组也不会切入电网。
在步骤9，中心控制器PLC判断1小时计时时间是否到。如果1小时时间到，则进入步骤10，否则子程序过程结束。
在步骤10，中心控制器PLC清除小电机并网限制标志，即Cutin_flag＝0。
在步骤11，中心控制器PLC清除1小时计时标志和并网次数，即time_flag＝1，N次数＝0。子过程结束。
在小风停机控制中，利用小电机并网限制标志Cutin_flag和1小时并网限制次数N次数，有效避免了小风停机过程中的频繁并网现象。同时，在小风停机过程中，不上高速闸即机械刹车，有效保护了闸体，减轻了对机组闸体的维护量。
本发明与中央监控计算机的通信采用了PROFIBUS现场总线技术。应用PROFIBUS现场总线技术的前提条件是总线上的各个节点必须具备支持PROFIBUS现场总线的通信接口和通信协议。在本发明中，风电机组的中心控制器PLC的CPU模块采用Siemens公司的CPU315-2DP模块，支持PROFIBUS现场总线的通信接口和通信协议，因此可以将CPU315-2DP模块作为一个节点接入PROFIBUS现场总线网络。Siemens公司的CP5613通信卡也支持PROFIBUS现场总线的通信接口和通信协议，并可以装入中央监控计算机的主板PCI插槽上。因此可以将插有CP5613通信卡的中央监控计算机作为一个节点接入PROFIBUS现场总线网络。如果PROFIBUS现场总线网络中相连的两个节点距离较远，可以使用光缆传输通信信号。在使用光缆的通信网络中，需要使用光电转换模块OLM。OLM也需要支持PROFIBUS现场总线的通信接口和通信协议。以一个有6台风电机组的风电场为例来说明具体连接方式，如图9所示。对风电机组1来说，CPU模块315-2DP的DP接口与第一个光电转换模块OLM的电气接口通过PROFIBUS电缆连接。第一个光电转换模块OLM的光信号输出端口与第二个光电转换模块OLM的光信号输入端口通过多膜光缆连接。第二个光电转换模块OLM的电气接口通过PROFIBUS电缆连接到风电机组2的中心控制器PLC的CPU模块315-2DP的DP接口。第二个光电转换模块OLM的光信号输出端口与第三个光电转换模块OLM的光信号输入端口通过多膜光缆连接。第三个光电转换模块OLM的电气接口通过PROFIBUS电缆连接到风电机组3的中心控制器PLC的CPU模块315-2DP的DP接口。第三个光电转换模块OLM的光信号输出端口与第四个光电转换模块OLM的光信号输入端口通过多膜光缆连接。第四个光电转换模块OLM的电气接口通过PROFIBUS电缆连接到中央监控计算机的主机的CP5613通信卡上。第四个光电转换模块OLM的光信号输出端口与第五个光电转换模块OLM的光信号输入端口通过多膜光缆连接。第五个光电转换模块OLM的电气接口通过PROFIBUS电缆连接到风电机组4的中心控制器PLC的CPU模块315-2DP的DP接口。第五个光电转换模块OLM的光信号输出端口与第六个光电转换模块OLM的光信号输入端口通过多膜光缆连接。第六个光电转换模块OLM的电气接口通过PROFIBUS电缆连接到风电机组5的中心控制器PLC的CPU模块315-2DP的DP接口。第六个光电转换模块OLM的光信号输出端口与第七个光电转换模块OLM的光信号输入端口通过多膜光缆连接。第七个光电转换模块OLM的电气接口通过PROFIBUS电缆连接到风电机组6的中心控制器PLC的CPU模块315-2DP的DP接口。这样每台机组之间就组成了PROFIBUS通信网络。每台控制器的CPU作为网络的一个节点。在中央监控计算机的主板上插上Siemens CP5613通信卡。CP5613通信卡同样提供了DP接口，具有PROFIBUS-DP网络通信功能。这样，CP5613通信卡也作为一个站点接入网络。值得注意的是，整个网络是总线式结构，并没有主站和子站之分。在硬件组态时，只要分配给每个站点一个合理的地址就可以了。例如对图9所示的通信网络，可以对1~6号机组分别赋予地址4，5，6，7，8，9，中央监控计算机赋予地址3。这样有7个节点的PROFIBUS-DP网络就构成了。中央监控计算机通过PROFIBUS-DP网络就可以获得每台风电机组的运行数据。这里有一个问题，按图9，如果3号节点出现问题，那么即使1，2号节点完好也不能与中央监控机通信了。同样，4号节点出现问题，那么即使5，6号节点完好也不能与中央监控机通信了。这是单向通信的弊端。解决问题的办法是，将1号和6号节点连在一起，组成环形网络，那么即使有个节点出现问题，其他节点仍然能够与中央监控计算机正常通信，提高了整个网络的健壮性。PROFIBUS是一种开放的、完全标准化的现场总线技术，网络配置灵活，数字传输可靠，能在非常恶劣环境中运行，非常适合在大型风电场中使用。
本发明中的控制方法稍加变化就可以应用于变速恒频风电机组。
权利要求
1.一种风电机组控制系统，其特征在于主要包括中心控制器PLC、中间继电器板、软并网控制板、显示操作面板以及插拔式接线端子；中心控制器PLC主要包括PS307电源模块，CPU模块315-2DP，数字量输入模块DI，数字量输出模块DO，高速计数模块FM350-2，模拟量输入模块AI，通信模块CP340；中间继电器板与中心控制器的数字量输入模块DI、数字量输出模块DO相连接；通信模块CP340的RS485端口通过通信电缆与外部传感器电量采集模块连接，软并网控制板与中心控制器的数字量输入模块DI、数字量输出模块DO相连接；显示操作面板与CPU模块315-2DP的MPI接口相连接，插拔式接线端子的另一侧与电量采集模块、外部传感器、外部执行机构、3组反并联晶闸管等模块相连；CPU模块315-2DP的MPI接口与显示操作面板相连接；CPU模块315-2DP的DP接口与下一个站点或远程PC机相连接；数字量输入模块DI的9通道与软并网控制板的51OK信号连接；8通道与软并网控制板的END信号连接。
2.按照权利要求
1所说的风电机组控制系统，其特征在于中间继电器板的PI1~PI8分别为连接到中心控制器PLC的8路数字量输入信号，其中中心控制器PLC的数字量输入模块DI的7通道与中间继电器板的PI1连接，6通道与中间继电器板的PI2连接，5通道与中间继电器板的PI3连接，4通道与中间继电器板的PI4连接，3通道与中间继电器板的PI5连接，2通道与中间继电器板的PI6连接，1通道与中间继电器板的PI7连接；中间继电器板的I1与插拔式接线端子排的13号端子闸释放信号连接，I2与端子排的14号端子齿轮油位连接，I3与端子排的15号端子液压油位连接，I4与端子排的16号端子闸磨损连接，I5与端子排的17号端子偏航过载连接，I6与端子排的18号端子电机反馈连接，I7与端子排的19号端子旁路反馈连接。
3.按照权利要求
1所说的风电机组控制系统，其特征在于中心控制器PLC的高速计数模块FM350-2的3通道与插拔式接线端子排28号端子风速连接，获取风速信号，4通道与29号端子电机转速连接，获取电机转速，5通道与30号端子叶轮转速连接，获取叶轮转速；中心控制器PLC的模拟量输入模块AI的6通道与31号端子电机温度连接，获取电机温度，模拟量输入模块AI的5通道与32号端子齿轮油温连接，获取齿轮油温度，模拟量输入模块AI的4通道与33号端子环境温度连接，获取环境温度，模拟量输入模块AI的3通道与34号端子风向连接，获取风向信号，模拟量输入模块AI的2通道与35号端子系统压力连接，获取系统压力信号，模拟量输入模块AI的1通道与36号端子叶尖压力连接，获取叶尖压力信号；通信模块CP340的RS485端口通过一根通信电缆与电量采集模块连接，获取电网参数。
4.按照权利要求
1所说的风电机组控制系统，其特征在于软并网控制板由89C51单片机系统、同步信号获取电路、定子电流测量电路、触发信号驱动电路构成；定子电流通过电流测量电路接到AT89C51单片机的P3.3口的中断口INT1，定子电流经过电流互感器转换成低压交流信号VBJ，经过二极管D2IN4007半波整流后，经过10K电阻R51和C5组成的滤波电路，然后与10k的可调电阻RW1分压后接入比较器的反相输入端6，10k的可调电阻RW1的1端接地，2端与R51连接，3端为调节端，与地连接；10K可调电阻RW2的1端接电源Vcc，2端接地，3端分压后接到比较器的正相输入端7，作为设定的比较值；比较器的反相输入端6连接钳位二极管D3后接电源Vcc；比较器的输出端接上拉电阻R52后输出；电源Vcc经电阻R53和发光二极管DGL后输出，主要起指示作用；同步信号取自电网C、A两相之间的线电压，电网C、A两相接到变压器T1的原边，T1的副边接到变压器T2的原边，T2的副边经R2和C4组成的RC滤波电路后，再经过限流电阻R6后接到三极管3DK7的基极；R6的前端与地之间接稳压管D1；三极管3DK7的发射极接地，集电极经上拉电阻R7接到电源Vcc；同时，集电极经缓冲器7407后输出同步信号SYN；触发信号经过驱动电路依次触发3组反并联晶闸管，触发命令信号Triggerl经缓冲器7407和电阻R17后接到光藕TIL117，光藕导通后信号经电阻R29，并经R28分压后接到三极管2SD381的基极；插拔式接线端子排的1号、2号端子分别与3组反并联晶闸管的1号晶闸管的阴极和门极连接；3号、4号端子分别与3组反并联晶闸管的2号晶闸管的阴极和门极连接；5号、6号端子分别与3组反并联晶闸管的3号晶闸管的阴极和门极连接；7号、8号端子分别与3组反并联晶闸管的4号晶闸管的阴极和门极连接；9号、10号端子分别与3组反并联晶闸管的5号晶闸管的阴极和门极连接；11号、12号端子分别与3组反并联晶闸管的6号晶闸管的阴极和门极连接。
5.按照权利要求
4所说的风电机组控制系统，其特征在于软并网控制板实现的控制过程如下首先执行步骤1，AT89C51单片机设置触发角初值和移相步长；在步骤2，AT89C51单片机判断是否收到中心控制器PLC发出的并网指令(ON/OFF)，如果收到并网指令则进入步骤3，否则继续侦测；在步骤3，AT89C51单片机判断是否收到同步单元发出的同步信号，如果检测到同步点，则进入步骤4，否则等待同步点的到来；在步骤4，AT89C51单片机启动定时器1；在步骤5，AT89C51单片机计算移相参数；在步骤6，判断定时器1是否溢出，如果溢出，则进入步骤7，否则等待；在步骤7，AT89C51单片机向晶闸管发出触发脉冲；在步骤8，AT89C51单片机判断触发脉冲是否发完，如果发完，进入步骤9，否则回到步骤7，继续发出触发脉冲；在步骤9，AT89C51单片机通过检测是否收到电流测量单元发出的电流过流中断信号，来判断并网电流是否超过设定值。如果并网电流小于设定值，则进入步骤10，否则触发角不变化；在步骤10，AT89C51单片机将触发角按设定的触发规律增加一个角度；在步骤11，AT89C51单片机判断移相控制是否结束，即晶闸管是否完全导通。如果移相控制结束，那么进入步骤12，否则回到步骤3，等待下个工频周期的同步点；在步骤12，AT89C51单片机向中心控制器PLC发出并网结束命令(END)，并网过程结束。
6.按照权利要求
1所说的风电机组控制系统，其特征在于中心控制器PLC对小风停机的控制流程如下在步骤1，中心控制器PLC检测到风力发电机在一定时间内发出负功率，或者检测到风速持续较小(小于3m/s)，风力发电机发出的功率持续很小(＜10kW)，如果满足上述的小风停机条件，则执行步骤2，否则退出小风停机程序，等待下一次的判断；在步骤2，中心控制器PLC设置1小时计时标志，即time_flag＝1，同时进行1小时倒计时；在步骤3，中心控制器PLC执行甩叶尖动作。具体过程为首先数字量输出模块DO的4通道输出0，即中间继电器板的PO4端子为0，继电器线圈失电，对应的继电器触点断开，中间继电器板的O4端子变为低电平，对应端子排的23号端子叶尖电磁阀为低电平，即叶尖电磁阀失电，叶尖甩出；叶尖甩出后，电机转速很快低于同步速，中心控制器PLC执行脱网动作。具体过程为数字量输出模块DO的7通道和8通道输出都为0，也就是PO7和PO8都为0，相应继电器线圈失电，对应继电器的输出触点断开，使得O7旁路接触器和O8电机接触器变成低电平，旁路接触器和电机接触器断开，风电机组脱网；在步骤4，中心控制器PLC通过高速计数模块FM350-2的4通道获取电机转速信号，并判断电机转速是否低于300RPM(该值可以通过操作员面板上的人机接口界面来修改)，如果低于，则进入步骤5，否则回到步骤4，重复检测电机转速；在步骤5，中心控制器PLC发出收叶尖命令。具体过程为数字量输出模块DO的5通道输出为1，中间继电器板的PO5为1，继电器线圈得电，触点吸合，使得中间继电器板的O5端得电，即23号端子叶尖电磁阀带电，叶尖收回；在步骤6，中心控制器PLC的并网次数计数器的内容加1，即N次数+1；在步骤7，中心控制器PLC判断并网次数是否大于4，如果大于4，进入步骤8，否则进入步骤9；在步骤8，中心控制器PLC设置小电机并网限制标志，即Cutin_flag＝1。当该标志为1时，即使满足小电机并网条件，风电机组也不会切入电网；在步骤9，中心控制器PLC判断1小时计时时间是否到。如果1小时时间到，则进入步骤10，否则子程序过程结束；在步骤10，中心控制器PLC清除小电机并网限制标志，即Cutin_flag＝0；在步骤11，中心控制器PLC清除1小时计时标志和并网次数，即time_flag＝1，N次数＝0。子过程结束。
7.按照权利要求
1所说的风电机组控制系统，其特征在于采用PROFIBUS现场总线技术实现与中央监控计算机的通信；中央监控计算机监控6台风电机组时，第一台风电机组中心控制器PLC模块的DP接口通过PRUFIBUS电缆连接到第一个光电转换模块OLM的电气接口，第一个光电转换模块OLM的光信号输出口通过多膜光缆连接到第二个OLM的光信号输入口，第二个OLM的电气接口通过PRUFIBUS电缆连接到第二台风电机组中心控制器PLC模块的DP接口，第二个光电转换模块OLM的光信号输出口通过多膜光缆连接到第三个OLM的光信号输入口；按此方式依次连接第三台风电机组的中心控制器、中央监控计算机、第四台、第五台和第六台风电机组的中心控制器，如此6台风电机组的中心控制器与中央监控计算机组成PROFIBUS现场总线网络。
专利摘要
一种风电机组控制系统，包括中心控制器PLC、中间继电器板、软并网控制板、显示操作面板以及接线端子。中心控制器PLC主要包括CPU模块315－2DP，数字量输入模块DI，数字量输出模块D0，高速计数模块FM350－2，模拟量输入模块AI，通信模块CP340；中间继电器板由多个直流线圈继电器构成。中间继电器板、软并网控制板分别与中心控制器PLC的输入、输出模块连接，并通过接线端子与控制对象相连接。系统采用中间继电器板对输入/输出信号进行隔离，提高了系统的抗干扰能力。软并网控制采用限流软切入控制策略，使并网过程更加平稳。本发明限制了小电机1小时内的并网次数，巧妙地解决了风电机组的小风停机问题，采用PROFIBUS现场总线技术实现与中央监控计算机的通信。
文档编号G05B15/02GK1992464SQ200510130787
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月30日
发明者鄂春良, 许洪华, 赵斌, 武鑫, 谷海涛, 胡春松, 崔娟, 赵栋利, 潘磊, 王宇龙, 李亚西, 邵桂平 申请人:中国科学院电工研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan