Z ESZ Y T Y N A U K O W E PO LITE C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: E L E K T R Y K A z. 170
1999 N r kol. 1426
T adeusz R O D A C K I W ojciech W Y LĘ Ż E K Andrzej LA TK O
SYSTEM STEROW ANIA ELEKTROWNI WIATROWEJ
S treszczen ie. W artykule przedstaw iono realizację system u sterow ania elektrow ni w ia
trowej o m ocy znam ionow ej 160 kW . N a elektrow nię składa się trójłopatow a turbina w iatro
wa ze sterow anym kątem ustaw ienia łopat, przekładnia m echaniczna i asynchroniczny gene
rator p racujący bezpośrednio na sieć elektroenergetyczną. System sterow ania w ykonano w postaci dw óch p ołączonych ze so b ą sterow ników m ikroprocesorow ych. Z apew nia on w pełni autom atyczną, bezo b słu g o w ą pracę obiektu.
CO N TRO L SY STEM OF W IND TU R B IN E PO W ER G EN E R A T O R
S u m m a ry . In the p aper realisation o f a control system o f the w ind turbine p ow er genera
tor w ith rated p o w er o f 160 kW is presented. The w ind turbine pow er g enerator consists o f three blades pitch controlled w ind turbine, m echanical drive and induction squirrel cage gen
erator connected straight to the utility grid. C ontrol system w as constructed w ith tw o inter
linked m icroprocessor based controllers. It allow s fully autom atic, m aintenanceless operation o f the object.
1. W P R O W A D Z E N IE
System sterow ania elektrow ni w iatrow ej pow stał w w yniku w spółpracy zakładu produ
kującego elektrow nie w iatrow e N O W O M A G S.A. a Z akładem N apędu E lektrycznego i E nergoelektroniki P olitechniki Śląskiej. D ziałania te doprow adziły do zaprojektow ania i w ykonania system u sterow ania opartego na dw óch sterow nikach m ikroprocesorow ych zbu
dow anych na bazie m ikrokontrolera jednoukładow ego firm y IN TEL 80C 196K C . W ybór techniki m ikroprocesorow ej do realizacji tego celu w ydaje się oczyw isty. G łów ne przesłanki przem aw iające za w ybraniem takiego rozw iązania były następujące:
- złożone algorytm y sterujące, - duża ilość sygnałów pom iarow ych,
- znaczna liczb a sterow anych elem entów w ykonaw czych, - diagnostyka stanów aw aryjnych,
- zapam iętyw anie historii zdarzeń, - bezobsługow ą p raca obiektu, - m ożliw ość zdalnego m onitorow ania,
- w ielopoziom ow y interfejs do kom unikacji z użytkow nikiem - zw arta konstrukcja.
2. O B IE K T ST E R O W A N IA - E L E K T R O W N IA W IA T R O W A
Rys. 1. E lektrow nia w iatrow a w m iej- Rys.2. Sterownik głów ny elektrow ni w iatrowej scow ości Słup Fig.2. M ain controller o f the w ind turbinę gen- Fig. 1. W ind turbinę generator in Słup erator
O biektem sterow ania je s t siłow nia w iatrow a z trójłopatow ym silnikiem w iatrow ym o nastaw ianym kącie łopat (ry s.l). W ieża elektrow ni je st w ykonana w postaci stalow ej.rury stożkowej o w ysokości 30 m , średnica podstaw y w ynosi 2.3 m, a średnica górna 1 m. Średni
ca w irnika silnika w iatrow ego w ynosi 22 m, a pow ierzchnia w irnika w ynosi 380 m 2. Łopaty w iatraka w ykonane są z m ateriału kom pozytow ego. K ąt położenia łopat zm ieniany je st za po m o cą układu elektrom echanicznego sterow anego elektrycznie, napędzanego z w ału silnika w iatrow ego. Silnik w iatrow y sprzęgnięto za pośrednictw em przekładni zębatej z trójfazow ym generatorem asynchronicznym o m ocy znam ionow ej 160 kW , pracującym na sieć elektro
energetyczną. N a w ale generatora zabudow ano ham ulec tarczow y. U kład generatora um iesz
czono w gondoli elektrow ni, w yposażonej w serw onapędy pozw alające na śledzenie kierunku wiatru. W gondoli rozm ieszczono przetw orniki pom iarow e następujących w ielkości fizycz
nych: prędkość i k ierunek w iatru, prędkość obrotow a turbiny w iatrow ej i generatora, kąt ustaw ienia łopat, kąt położenia głow icy, tem peratur (generatora, przekładni i gondoli). D o
datkow e zabezpieczenie stanow ią czujniki stanów aw aryjnych: przekroczenia dopuszczalnej prędkości obrotow ej generatora i w ibracji konstrukcji, braku oleju w przekładni głównej, nadm iernego sk ręcenia kabla energetycznego.
U p o d n ó ża w ieży zainstalow ano szafę sterow niczą zaw ierającą aparaturę łącz en io w ą przekładniki prądow e oraz przetw orniki pom iarow e: m ocy czynnej i biernej generatora, tem peratury otoczenia.
System sterowania elektrowni. 167
3. S Y S T E M S T E R O W A N IA I N A D Z O R U
W p rzypadku zastosow ania silnika w iatrow ego śm igłow ego ze zm iennym kątem ustaw ie
nia łopat sterow anie w y d aw an ą m o c ą czy n n ą elektrow ni w iatrow ej leży po stronie turbiny w iatrow ej. P olega n a kształtow aniu optym alnego kąta ustaw ienia ło p at w zależności od pręd
kości w iatru i prędkości obrotow ej w irnika dla danego profilu łopat. Z uw agi na m ały zakres zm ienności prędkości obrotow ej w irnika w stanie pracy kąt ustaw ienia ło p at m o żn a uzależnić tylko od prędkości w iatru.
3.1. K o n s tr u k c ja sy s te m u ste ro w a n ia
S ystem sterow ania elektrow ni w iatrow ej przedstaw ia rys.3. Składa się z dw óch sterow ni
ków m ikroprocesorow ych: głów nego (rys.2) i pom iarow ego. Sterow nik pom iarow y um iesz
czony w gondoli przetw arza dane pom iarow e charakteryzujące pracę silnika w iatrow ego (prędkość obrotow a, kąt położenia łopat w irnika, położenie gondoli), przekładni m echanicz
nej (tem peratura oleju), generatora (prędkość obrotow a, tem peratura) oraz analizuje param e
try w iatru (prędkość i kierunek). Sterow nik głów ny zainstalow ano w szafie sterow niczej u podstaw y elektrow ni. M ierzy on param etry zw iązane z siecią elektroenergetyczną (w artości skuteczne napięcia i p rąd u o raz m oc czy n n ą i b iern ą generatora, w yznacza w spółczynnik m o
cy tgcp), a pozostałe d ane uzyskuje ze sterow nika pom iarow ego. Sterow nik głów ny za pośred
nictw em elem entów w ykonaw czych centralnie zarządza p ra c ą obiektu. Praw dopodobieństw o w ystępow ania zakłóceń oraz konieczność ograniczenia ilości przew odów pom iarow ych bie
gnących w zdłuż to ru prądow ego generatora uzasadnia zastosow anie dw óch sterow ników . W system ie sterow ania zastosow ano następujące układy pom iarow e:
• w ielkości elektrycznych (za pośrednictw em w ew nętrznego p rzetw o rn ika A /C m ikrokon
trolera), (rys.4):
■ m ocy czynnej i biernej generatora w ykorzystując zew nętrzne p rze tw o rn ik i m ocy na sy
g n a ł p rą d o w y 0 .. ±20 mA,
* w artości sku teczn ej (T R U E RM S) napięć fa zo w y c h za silania gen era to ra korzystając z w ew nętrznych układów p o m ia ro w ych sterownika, z separacją galw aniczną,
■ w artości skutecznej (TR U E RM S) prą d ó w generatora korzystając z w ew nętrznych układów p o m ia ro w ych sterow nika, z separacją galwaniczną,
• w ielkości nieelektrycznych (za pośrednictw em w ew nętrznego p rze tw o rn ik a A /C m ikro
kontrolera), (rys. 5):
■ tem peratur: otoczenia, sterowników, generatora, p rzekła d n i i g o ndoli korzystając z w ew nętrznych układów p o m ia ro w ych sterownika,
• w ielkości nieelektrycznych m ierzonych cyfrowo, (rys. 5):
■ p o ło że n ia gondoli, a tym sam ym skręcenia kabla w ykorzystując zew n ętrzn y p rzetw o r
n ik kodow y i w ejścia cyfrow e sterownika,
* ką ta ustaw ienia ło p a t silnika w iatrow ego w ykorzystując zew n ętrzn y p rze tw o rn ik k o dow y i w ejścia cyfrow e sterownika,
* kierunku wiatru, w ykorzystując zew nętrzny p rzetw o rn ik kodow y steru w ia tru i w ejścia cyfrow e sterow nika,
* p ręd ko ści w iatru, w ykorzystując zew nętrzny p rzetw o rn ik obrotow o-im pulsow y ane- m om etru i u kła d szybkich w ejść m ikrokontrolera (rys. 6),
■ p ręd ko ści obrotow ej generatora w ykorzystując zew nętrzny p rze tw o rn ik obrotow o- im pulsow y i u kła d szybkich w ejść m ikrokontrolera (rys. 6),
* p rę d k o śc i obrotow ej w irnika silnika wiatrowego, w ykorzystując zew n ętrzn y czujnik zb liżen io w y i u kła d szybkich wejść m ikrokontrolera (rys. 6).
Pomiary prędkości obrotowej
Pomiary położenia,
kierunku, kąta
STEROWNIK POMIAROWY
t o
Stany czujników stykowych
Pomiary temperatur generatora przekładni gondoli
Układy separacji ; galwanicznej wejść
cyfrowych
Układy dopasowujące wejść analogowych
Pamięci:
PROGRAMU.
DANYCH
pK
80C196KC
Interfejs łącza komunikacyj
nego
Pomiary U. I, P. Q
Pomiary temperatur
otoczenia
Stany czujników stykowych
STEROWNIK GŁÓWNY
Układy dopaśc r ie wujące wejść —N
analogowych
Układy separacji
I
) galwanicznej wejść —-N
cyfrowych
Układy separacji
— galwanicznej wyjść cyfrowych
Interfejs łącza Pamięci:
komunikacyj PROGRAMU,
nego DANYCH
R ys.3. S chem at blokow y układu sterow ania elektrow ni w iatrow ej F ig.3. B łock diagram o f w ind turbinę control system
Interfejs użytkow nika stanow i pulpit um ieszczony na płycie czołow ej sterow nika głów ne
go (rys.2). W je g o skład w ch o d zą w yśw ietlacz LCD , sygnalizacyjne diody LED i klaw iatura.
D odatkow o zastosow ano dw a porty szeregow e w standardzie RS 232C do lokalnej obsługi z w ykorzystaniem kom putera PC (laptop, notebook) oraz do zdalnej kom unikacji przez modem analogow y lub cyfrowy.
System sterowania elektrowni. 169
fP
Przetwornik mocy P
Przetwornik mocy Q
Ukł.
dopas.
mP
C D — C — r O
UW' ' A/C
t dopas.
t = G = k
POMIAR TEMPERATYRY Przetwornik
temperatury
POMIAR M CZYNNE
POMIAR M BIERNE
Przetwornik położenia
Ukł. separacji galwanicznej
[
Bufor wejściowy magistrali danych
Przetwornik obrotowo impulsowy
3 = t Z 3 = b [
Ukł. separacji Wejście galwanicznej ' układu HSI
j
POMIAR POŁOŻENIA
POMIAR PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ
R ys.4. U kłady p om iarow e p aram etrów elek- R ys.5. U kłady pom iarow e param etrów m e
trycznych elektrycznych
Fig.4. M easuring circuits o f electrical pa- F ig.5. M easuring circuits o f non-electrical
ram eters param eters
R ys.6. S chem at blo k o w y układu szybkich w ejść m ikrokotrolera 80C 196K C [1]
Fig.6. B lock diagram o f m icrocontroller’s 80C 196K C H igh Speed Inputs [1]
Sterow niki zaprojektow ano i w ykonano w technologii m ontażu pow ierzchniow ego SM D, bazując na m ikrokontrolerze 80C 196K C firm y IN TEL. Jest to m ikrokontroler o 16-bitowej architekturze. B o g ata lista rozkazów (operacje arytm etyczne) oraz w ew nętrzne układy, takie ja k 8-kanałow y, 10-bitow y przetw ornik A /C , układ szybkich w ejść (rys.6.) i w ew nętrzny U A R T przy czy n iły się do w yboru tego m ikrokontrolera [1], U kład szybkich w ejść został w y
korzystany do p o m iaru okresu sygnałów z przetw orników obrotow o-im pulsow ych (rys.5).
K orzystając z układu szybkich w ejść m ierzy się prędkość ob ro to w ą w irnika turbiny wiatrowej i w ału generatora asynchronicznego oraz prędkość w iatru. Schem at blokow y układu szybkich w ejść m ikrokontrolera 80C 196K C przedstaw ia rys.6.
3.2. F u n k cjon ow an ie system u sterow ania elektrow ni w iatrow ej
System sterow ania oparty na dw óch m ikroprocesorow ych sterow nikach realizuje w szyst
kie w ym agane funkcje sterow ania i regulacji obiektu. M ożna w yróżnić dw a podstaw ow e sta
ny pracy elektrow ni nadzorow anej przez system sterow ania:
• praca w trybie autom atycznym (stan norm alnej pracy),
• praca w trybie sterow ania ręcznego.
Tryb autom atyczny, standardow y tryb pracy, m a za zadanie zapew nić bezobsługow e funkcjonow anie elektrow ni w iatrow ej. U kład m ikroprocesorow y na bieżąco analizuje w arun
ki uruchom ienia lub zatrzym ania elektrow ni. Jeżeli zostaną stw ierdzone korzystne param etry w iatru, urucham iane s ą procedury rozruchu. W ram ach procedur rozruchu układ sterow ania najpierw ustaw ia gondolę elektrow ni na w iatr, następnie zw alnia ham ulec na w ale generatora.
Po osiągnięciu odpow iedniej prędkości obrotow ej zostaje przyłączony do sieci elektroenerge
tycznej generator. Z ałączenie generatora kończy fazę rozruchu. W trakcie pracy silnika w ia
trow ego system dobiera optym alny kąt ustaw ienia łopat w zależności od prędkości w iatru oraz koryguje położenie głow icy w zględem w iatru. Jednocześnie układ sterow ania identyfi
kuje przekroczenie dopuszczalnych param etrów granicznych. W przypadku przekroczenia w artości progow ej układ przeciw działa w celu doprow adzenia przekroczonego param etru do przedziału dopuszczalnego. Stw ierdzenie niekorzystnych w arunków pracy urucham ia proce
durę ham ow ania. W ram ach procedury ham ow ania następuje w yham ow anie aerodynam iczne silnika w iatrow ego poprzez ustaw ienie łopat w tzw. chorągiew kę oraz w yłączenie generatora.
Po całkow itym zatrzym aniu obiektu układ sterow ania analizuje w arunki do ponow nego roz
ruchu.
Tryb ręczny używ any je s t jed y n ie przez serw is w trakcie urucham iania elektrow ni w ia
trowej w celu spraw dzenia popraw ności działania kolejnych obw odów obiektu. T ryb ten um ożliw ia ręczne sterow anie obiektem pod nadzorem system u sterow ania. U kład sterow ania m a za zadanie m iędzy innym i nie dopuścić do uszkodzenia elem entów elektrow ni.
Pulpit sterow nika inform uje obsługę o aktualnym stanie pracy obiektu. W m enu podsta
w ow ym zebrano najw ażniejsze dane pom iarow e charakteryzujące pracę elektrow ni w iatro
wej. W kolejnych m enu użytkow nik otrzym uje odpow iednio pogrupow ane param etry elek
tryczne, m echaniczne i w iatru. W yżej w ym ienione m enu s ą ogólnodostępne. D alsze m enu chronione przed dostępem osób niew ykw alifikow anych w ykorzystyw ane są dla celów obsługi serwisow ej.
4. Z A B E Z P IE C Z E N IA E L E K T R O W N I W IA T R O W E J
4.1. Poziom y zabezpieczeń
W elektrow ni zastosow ano dw a poziom y zabezpieczeń:
• nadrzędne,
• podrzędne.
Z abezpieczenia nadrzędne realizow ane s ą za p o m o cą blokad elektrom echanicznych po
w odujących trw ałe w yłączenie poszczególnych m echanizm ów elektrow ni. Sterow nik podaje
System sterowania elektrowni. 171
inform acje o ich zadziałaniu oraz stara się doprow adzić do program ow ego zatrzym ania obiektu.
D iagnostyka obiektu p rzeprow adzana je s t na bieżąco przez układ sterow ania co stanowi podrzędny system zabezpieczeń. U sterki oraz stany niebezpieczne identyfikow ane są na po d staw ie inform acji uzyskanych z elem entów stykow ych (tzw. łączników krańcow ych) za p o średnictw em w ejść cyfrow ych sterow nika, a także na podstaw ie analizy m ierzonych w ielkości analogow ych. Ł ączn ik i krańcow e bezpośrednio p o d a ją inform acje o ew entualnych aw ariach, natom iast pom iary w ielkości analogow ych porów nyw ane są z w artościam i granicznym i, któ
rych przekroczenie pow oduje stw ierdzenie niebezpiecznego stanu pracy elektrow ni.
4.2. K la s y fik a c ja sta n ó w a w a ry jn y c h e le k tro w n i w ia tro w e j
Stany aw aryjne rozpoznaw ane przez układ sterow ania podzielono n a trzy grupy. Pierw szą grupę stan o w ią niegroźne zakłócenia pracy obiektu w ykryw ane na podstaw ie niew ielkiego p rzekroczenia w ydzielonych param etrów granicznych. Sterow nik urucham ia procedurę do
p ro w ad zającą p rzek ro czo n ą w artość param etru do poziom u z dopuszczalnego zakresu oraz inform uje obsługę o tym stanie pracy. Przykładow o w zrost tem peratury oleju w przekładni m echanicznej pow yżej w artości progow ej zalicza się do om aw ianej grupy. D ru g ą grupę sta
now ią aw arie niestałe. Ich w ystąpienie pow oduje program ow e zatrzym anie silnika w iatrow e
go i blokadę p onow nego rozruchu do czasu ich sam oczynnego ustąpienia oraz przedstaw ienie kom unikatu obsłudze. Przykładem aw arii z tej grupy je st zablokow anie przetw ornika pom iaru kierunku w iatru w w yniku oblodzenia. Do trzeciej grupy aw arii zalicza się nienorm alne stany pracy poszczególnych urządzeń elektrow ni w iatrow ej, które m o g ą doprow adzić do pow ażne
go uszkodzenia obiektu. S ą to tzw . aw arie zatrzym ujące stałe w ym agające interw encji serw i
su. U kład sterow ania dokonuje program ow ego zatrzym ania, blokady kolejnego rozruchu oraz sygnalizuje w ystąpienie aw arii. D la tej grupy aw arii sterow nik w ym aga ręcznego potw ierdze
nia usunięcia usterki. Przykładem aw arii stałej je s t zadziałanie zabezpieczeń nadprądow ych nasuw ających podejrzenie o w ystąpieniu uszkodzenia elem entu w ykonaw czego, np. zadziała
nie zabezpieczenia m otoreduktorów obrotu głowicy.
5. P O D S U M O W A N IE
W w yniku prow adzonych prac badaw czo-konstrukcyjnych zaprojektow ano, w ykonano i oprogram ow ano m ikroprocesorow y układ sterow ania elektrow ni w iatrow ej. Przyjęta w początkow ej fazie koncepcja rozw iązania system u sterow ania okazała się trafna. O praco
wany system sterow ania spełnia staw iane m u w ym agania przedstaw ione na w stępie. O m a
w iany układ sterow ania zastosow ano w elektrow ni w iatrow ej w m iejscow ości Słup koło Le
gnicy (ry s .l). System sterow ania pracuje bezaw aryjnie od grudnia 1997 roku.
L IT E R A T U R A
1. 8X C 196K C /8X C 196K D user's m anuał, IN TEL 1992
Recenzent: Prof. dr hab. inż. T adeusz Skoczkow ski W płynęło do R edakcji 31 m aja 1999 r.
A b s tr a c t
A t the beginning o f the paper there are presented param eters o f the controlled object, w hich is P o lish w in d turbine p ow er generator w ith rated p o w er o f 160kW . F ig .l show s con
sidered w ind turbine p o w er generator installed in Slup near Legnica. N ext, realisation o f the control system consisting o f tw o interlinked m icroprocessor based controllers (F ig.3). E lectri
cal and non-electrical param eters m easuring circuits are presented. T h eir b lo ck diagram s are show n in F ig s.4 and.5. F ig.6 show s th e block diagram o f the m icrocontroller 80C 196K C high speed inputs, w hich have been used to m easure generator shaft rotation and w ind speed.
T hese param eters are m easured b y optical increm ental encoders. T he follow ing paragraph describes th e control system operating in autom atic and m anual m odes. T he control system allow s fully autom atic, m aintenanceless object operation. P rotection system s are realised by hardw are and softw are. T heir task is not to let serious dam ages happen. H ardw are protections are superior to the softw are ones. T hey stop operation o f th e w ind turbine p o w er generator i f they ta k e action. Softw are protections are realised by m icroprocessor controllers and perform object diagnostic continuously. T he acquired data let the controller identify serious danger conditions and bring the w ind turbine to stop under control or i f it is possible they keep it w orking. T he supervising system tries to control object in such a w ay th a t the object param e
ters, w hich are o u t o f the perm issible lim its, go back w ithin safety lim its. L C D display and LED s on th e m ain c o n tro ller’s front panel (Fig.2) show the current state o f the ob ject and pre
sent the m easured data. The described control system has been applied in th e w ind turbine p ow er generator in S lup n ear L egnica.
