Projekt sterowania turbiną i gondolą elektrowni wiatrowej na farmie wiatrowej

Transkrypt

1 Projekt sterowania turbiną i gondolą elektrowni wiatrowej na farmie wiatrowej z wykorzystaniem sterownika PLC

2 Treść zadania Program ma za zadanie sterować turbiną elektrowni wiatrowej, w zależności od siły wiatru. Elektrownia może pracować w dwóch trybach: trybie AUTO i trybie RĘCZNYM. Przycisk startu turbiny (styk NO) podłączony jest do wejścia pierwszego, a przycisk stopu (styk NC) do wejścia drugiego sterownika programowalnego. Przełącznik bistabilny wyboru trybu AUTO podłączony jest do wejścia zerowego sterownika; w stanie otwartym praca AUTO; w stanie zamkniętym możliwe jest załączenie pracy ręcznej. W trybie AUTO turbina załącza się gdy prędkość wiatru przekracza 4 m/s i wyłącza przy prędkości 25 m/s. Natomiast podczas pracy ręcznej załączanie i wyłączanie turbiny realizowane jest przyciskami start i stop. Znamionowa moc jest generowana przy prędkości wiatru równej 14 m/s. Jeżeli wiatr wieje wolniej lub szybciej od tej wartości, to generowana moc jest odpowiednio mniejsza. W trybie pracy ręcznej, gdy prędkość wiatru osiąga wartość 22 m/s należy potwierdzić alarm wciskając odpowiedni przycisk podłączony do wejścia trzeciego sterownika. Powyżej prędkości równej 25 m/s w obydwu trybach ze względów bezpieczeństwa automatycznie załącza się hamulec turbiny. Generowana moc różni się ze względu na prędkość wiatru. Drugim zadaniem programu jest sterowanie gondolą elektrowni w zależności od kierunku wiejącego wiatru. Program w ramach symulacji pozwala na sterowanie prędkością wiatru i jego kierunkiem. Jeżeli wiatr zmienia kierunek, gondola napędzana silnikiem DC 24 V obraca się ustawiając prostopadle do wiejącego wiatru. W chwili gdy gondola obraca się generowana moc ulega zmniejszeniu. Do pomiaru prędkości i kierunku wiatru służy czujnik analogowy o zakresie pomiarowym 0-40 metrów na sekundę z przetwornikiem pomiarowym o zakresie wyjściowym 0-20 ma. Przetwornik pomiarowy jest podłączony do wejścia analogowego (0-20 ma) sterownika. Wejście analogowe sterownika posiada rozdzielczość 10 bitów.

3 Elektrownia wykorzystana w projekcie ElektrowniaVESTAS V o mocy zainstalowanej 2000 kw Turbina: trójłopatowa o osi poziomej, zakres prędkości wiatru - od 4 do 25 m/s (prędkość optymalna 14 m/s) średnica - 80 m; obszar zataczania m2 prędkość obrotowa - nominalna - 16,7 obr/min, zakres prędkości - od 9,0 do19 obr/min łopaty samonośne o długości 39 m, profil aerodynamiczny NACA 63.xxx + FFA-W 3, wykonane z żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknem szklanym masa łopaty wirnika kg Prądnica: asynchroniczna czterobiegunowa o mocy znamionowej kw, napięcie 690V, prąd znamionowy 1 673A prędkość obrotowa / obr/min Piasta: odlew z żeliwa sferoidalnego

4 Elementy układu podłączone do wejść sterownika PLC Do wejścia 0 sterownika podłączony jest bistabilny przycisk załączenia trybu AUTO. Gdy przycisk ten jest wciśnięty przejście na tryb ręczny jest niemożliwe.

5 Elementy układu podłączone do wejść sterownika PLC Do wejścia 1 sterownika podłączony jest zielony przycisk z samoczynnym powrotem służący do załączenia turbiny pracującej w trybie ręcznym. Przycisk działa tylko wtedy gdy prędkość wiatru mieści się w zakresie od 0 do 25 m/s

6 Elementy układu podłączone do wejść sterownika PLC Do wejścia 2 sterownika podłączony jest czerwony przycisk z samoczynnym powrotem służący do wyłączenia turbiny pracującej w trybie ręcznym. Przycisk działa tylko wtedy gdy prędkość wiatru mieści się w zakresie od 0 do 25 m/s

7 Elementy układu podłączone do wejść sterownika PLC Do wejścia 3 sterownika podłączony jest przycisk alarmowy z samoczynnym powrotem służący do potwierdzenia alarmu związanego ze zbliżaniem się prędkości wiatru do granicznej wartości przy której turbina może pracować. Przycisk jest aktywny gdy prędkość wiatru przekroczy 23 m/s.

8 Elementy układu podłączone do wejść sterownika PLC Do dwóch wejść analogowych (0-20 ma) modułu rozszerzeń XIOC-2AI-1AO-U1-I1 podłączony jest wiatromierz ultradźwiękowy MES-40I umożliwiający pomiar prędkości wiatru od 0 do 40m/s oraz pomiar kierunku wiatru w zakresie stopni, z przetwornikiem pomiarowym o zakresie wyjściowym 0-20 ma. Temperatura pracy wiatromierza: (-40 C;+60 C). W projekcie pracę wiatromierza zasymulowano poprzez zainstalowanie dwóch przycisków zmiany siły wiatru (wzrost wiatru i spadek wiatru) oraz dwóch przycisków zmiany kierunku wiatru (wiatr wieje bardziej z kierunku wschodniego i wiatr wieje bardziej z kierunku zachodniego).

9 Elementy układu podłączone do wyjść sterownika PLC Do wyjścia 0, wyjścia 1 i wyjścia 2 sterownika podłączone są czerwone wskaźniki LED informujące o załączeniu hamulca, alarmu i o zmianie położenia gondoli.

10 Elementy układu podłączone do wyjść sterownika PLC Do wyjścia 3, wyjścia 4, wyjścia 5, wyjścia 6 sterownika oraz wyjścia 0 modułu rozszerzeń XIOC-8DO podłączone są zielone wskaźniki LED informujące o rozpoczęciu pracy przez turbinę, wzroście lub spadku prędkości wiatru, oraz o zmianie kierunku wiatru na bardziej zachodni lub wschodni.

11 Elementy układu podłączone do wyjść sterownika PLC Do wyjścia 0 i wyjścia 1 modułu rozszerzeń XIOC-2AO-U1-2AO-I2 podłączone są wyświetlacze LED, które informują o aktualnej prędkości wiatru i o wartości generowanej mocy elektrycznej.

12 Elementy układu podłączone do wyjść sterownika PLC Do złączy szeregowych RS 232C modułów komunikacyjnych XIOC-SER podłączone są wyświetlacze LCD, które informują o aktualnym kierunku wiatru, prędkości wiatru, aktualnym położeniu gondoli oraz wizualizacja prędkości obrotów łopat turbiny.

13 Elementy układu podłączone do wyjść sterownika PLC Do wyjścia 1 i wyjścia 2 modułu rozszerzeń XIOC-8DO podłączony jest silnik prądu stałego 24 V o mocy 1,2 kw, który będzie obracał gondolą w przypadku zmiany kierunku wiatru.

14 Dobór sterownika PLC Sterownik wykorzystany do przedstawionego zadania powinien posiadać: 4 wejścia cyfrowe; 2 wejścia analogowe prądowe 0-20 ma 10 wyjść cyfrowych 2 wyjścia analogowe prądowe 4-20 ma 4 złącza szeregowe RS 232C

15 Dobór sterownika PLC Sterownikiem spełniającym powyższe wymagania będzie modułowy sterownik firmy Eaton Electric, model XC100 z modułami rozszerzeń: XIOC-2AI-1AO-U1-I1 (moduł wejść analogowych) XIOC-8DO (moduł wyjść cyfrowych) XIOC-2AO-U1-2AO-I2 (moduł wyjść analogowych 4 x XIOC-SER (moduł komunikacyjny)

16 Struktura programu Wyliczanie wartości mocy elektrycznej

17 Struktura programu Zastosowanie aktywnych wyjść z bloku funkcyjnego

18 Struktura programu Realizacja hamowania turbiny

19 Struktura programu Blok funkcyjny Moc_elektryczna

20 Struktura programu Potwierdzenie alarmu i jego deaktywacja

21 Struktura programu Blok funkcyjny Sterowanie_gondola Ewa Stroińska

22 Struktura programu Obliczanie kierunku wiatru w bloku funkcyjnym Sterowanie gondola

23 Ekran wizualizacji

24 Zasada działania programu w trybie pracy automatycznej Gdy włączony jest tryb AUTO niemożliwe jest załączenie trybu RĘCZNEGO. Należy najpierw wycisnąć przycisk AUTO. W trybie AUTO gdy wiatr nie wieje, lub jego prędkość wynosi poniżej 4 m/s aktywny jest hamulec i turbina nie pracuje. Kiedy prędkość wiatru wzrasta i osiąga wartość co najmniej 4 m/s, hamulec zwalnia się, łopaty wirnika zaczynają się obracać, turbina zaczyna pracować i generowana jest moc elektryczna. Za każdym razem, gdy turbina startuje najpierw występuje rozruch, więc generowana moc stopniowo wzrasta od zera, aż do maksymalnej wartości jaką może osiągnąć w danych warunkach atmosferycznych. Znamionowa moc jest generowana przy prędkości wiatru równej 14 m/s. Jeżeli wiatr wieje wolniej lub szybciej od tej wartości, to generowana moc jest odpowiednio mniejsza. Jest ona również uzależniona od zgodności położenia gondoli względem kierunku wiatru. Jeżeli wiatr zmienia kierunek, to gondola z dwusekundowym opóźnieniem ustawia się prostopadle do niego. W chwili gdy gondola obraca się, generowana moc ulega zmniejszeniu. W przypadku gdy wiejący wiatr osiąga prędkość większą niż 25 m/s uaktywnia się hamulec i turbina ulega zatrzymaniu, ze względów bezpieczeństwa.

25 Zasada działania programu w trybie pracy ręcznej Gdy wyłączony jest tryb AUTO możliwe jest korzystanie trybu RĘCZNEGO. W tym trybie wystartowaniem i zatrzymaniem turbiny steruje operator, natomiast sterowanie gondolą elektrowni odbywa się tak samo jak w przypadku pracy automatycznej. Aby uruchomić turbinę w trybie pracy ręcznej należy wcisnąć przycisk START. Jest to możliwe przy prędkości wiatru większej od zera. Gdy prędkość wiatru osiągnie wartość 22 m/s należy potwierdzić alarm, który się uaktywnia, wciskając odpowiedni przycisk Zatrzymanie turbiny następuje po wciśnięciu przycisku STOP. W przypadku gdy wiejący wiatr osiąga prędkość większą niż 25 m/s uaktywnia się hamulec i turbina ulega zatrzymaniu, ze względów bezpieczeństwa.

26 Dziękuje za uwagę