基于PLC的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)

孟祥南

【摘 要】風(fēng)能屬于新能源中的的一種，發(fā)展空間非常大并且商業(yè)價(jià)值很高。計(jì)算機(jī)和能夠編程的控制器在信息時(shí)代中應(yīng)運(yùn)而生，大大推動(dòng)了對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的研究和開發(fā)。所以本文采用西門子可編程控制器s7-200來(lái)研究本次論文。主要內(nèi)容有電氣原理圖、設(shè)計(jì)流程圖、PLC、電氣元件的選擇等。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電;可編程控制器;偏航

一、風(fēng)力發(fā)電的工作原理和構(gòu)造

（一）風(fēng)電機(jī)組的工作原理概述

借助風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)車造成風(fēng)車旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)生產(chǎn)電能，借助傳動(dòng)軸經(jīng)轉(zhuǎn)子獲得的動(dòng)力輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)中。共由兩部分構(gòu)成，包括：風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)。風(fēng)輪機(jī)的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，發(fā)電機(jī)的功能是將產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。

風(fēng)電機(jī)組按照容量劃分能夠劃分為三種，包括：1.小型風(fēng)電機(jī)組，容量不超過(guò)10kw;2.中型風(fēng)電機(jī)組，容量在10-100kw之間;3.大型風(fēng)電機(jī)組，容量大于100kw。根據(jù)主軸與地面的對(duì)應(yīng)位置關(guān)系，能夠?qū)⑵鋭澐譃閮煞N：一是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，此時(shí)主軸與地面具有平行關(guān)系;二是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，此時(shí)主軸與地面之間呈90°夾角。現(xiàn)如今，風(fēng)電機(jī)主要有4部分零部件組成，分別是風(fēng)輪組件、機(jī)艙組件、塔架組件、控制部分。

（二）風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)組成

在風(fēng)電機(jī)組中必須有葉輪葉片、發(fā)電機(jī)定子、測(cè)風(fēng)系統(tǒng)、底板、偏航電機(jī)、塔架、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、變槳系統(tǒng)、輪轂，并且缺一不可，否則就不是一個(gè)健全的風(fēng)電機(jī)組。

風(fēng)輪由三部分組成：葉片、輪轂、風(fēng)輪軸。還包括變槳機(jī)構(gòu)。功能是使風(fēng)力使葉片旋轉(zhuǎn)發(fā)電、發(fā)電機(jī)機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后的能量通過(guò)風(fēng)輪軸送到傳送機(jī)構(gòu)。葉片一般分為平板型、弧板型、流線型。一般風(fēng)能越大所獲取的能量就越多。葉片會(huì)影響風(fēng)能的利用率。所以葉片的要求會(huì)很高。材料強(qiáng)度、密度、硬度和使用壽命。

輪轂的作用是將葉片以及葉片組安裝在主軸上。通常有兩類，包括：固定式和鏈絞式。作用是將葉片的力和力矩傳遞到主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中。

風(fēng)輪軸也被成為主軸或低速軸。被安裝在風(fēng)輪和齒輪箱之間的位置。前面端子的作用是連接螺栓和輪轂。后面的端子被用來(lái)連接齒輪低速。風(fēng)輪軸表現(xiàn)出較高的綜合機(jī)械型。

變槳機(jī)構(gòu)主要的作用時(shí)隨著風(fēng)速的變化來(lái)調(diào)整槳距的夾角，從而確保發(fā)電機(jī)高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙主要是為各種零部件提供一個(gè)工作的空間，并且承受外力的壓迫，因此，對(duì)制造材料的硬度、光滑度以及均勻厚度等要求很高。主要部件有齒輪箱以及發(fā)電機(jī)等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位于機(jī)艙的左側(cè)。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括增速器、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、軸連器等，功能是將機(jī)械能傳輸?shù)桨l(fā)電機(jī)中。

發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。通常采用直流發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等專用發(fā)電機(jī)，包括永磁發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)等。

齒輪箱：功能是平衡低速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)電機(jī)和高速轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。因會(huì)受到強(qiáng)風(fēng)沖擊，所以對(duì)材料的要求也非常高。按照傳動(dòng)方式分類：展開式、分流式、同軸式、混合式。

塔架部件：支撐機(jī)艙和輪片等主要發(fā)電器件。高度較高且與地基的連接要很高的穩(wěn)定性和安全性來(lái)應(yīng)對(duì)風(fēng)力的強(qiáng)大沖擊。內(nèi)部有線纜來(lái)傳輸電能?？臻g大有爬梯和導(dǎo)軌，用來(lái)維修和護(hù)理時(shí)人工的處理?；拘问剑?jiǎn)喂芾€式、衍架拉線式、錐桶式。

控制部分：控制系統(tǒng)是最關(guān)鍵的核心部分。整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)以及方式都是由它來(lái)控制。大多選擇PLC（可編程控制器）或者DSP（微機(jī)處理器）。因?yàn)楣δ軓?qiáng)，可靠性高，所以在很多方面都有應(yīng)用。

功能：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳遞、分析、運(yùn)算，然后有效的控制風(fēng)電機(jī)。以達(dá)到功率穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速合理。出現(xiàn)故障也能很快的檢測(cè)到原因并分析以保護(hù)相對(duì)應(yīng)的措施。

用戶界面通過(guò)編程，輸入?yún)?shù)等來(lái)控制總系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，然后傳輸信號(hào)到控制部分，控制各個(gè)部分的啟動(dòng)和停止，系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)狀態(tài)的檢測(cè)等?？刂撇糠职l(fā)出控制信后、自動(dòng)控制、發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)和控制、偏航的控制、溫度的控制、以及其他的控制等都是由控制系統(tǒng)來(lái)完場(chǎng)。

二、風(fēng)電機(jī)組的項(xiàng)目和PLC的控制梯形圖

（一）系統(tǒng)流程

可編程控制器完成初始化過(guò)程后，風(fēng)速的模擬信號(hào)被傳感器接受，之后轉(zhuǎn)變信號(hào)輸入到PLC中。處理中心對(duì)所接受的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理及分析，如果判斷風(fēng)速值在額定參數(shù)范圍中，發(fā)出啟動(dòng)電機(jī)指令;如果風(fēng)速超過(guò)了額定參數(shù)范圍，停止報(bào)警。發(fā)起發(fā)動(dòng)機(jī)之后，與此同時(shí)，溫度傳感器、風(fēng)向傳感器、測(cè)速傳感器將所得到的數(shù)據(jù)輸送到PLC（S7-200）進(jìn)行分析。PLC在分析后會(huì)得出一個(gè)結(jié)果，然后就按照分析結(jié)果進(jìn)行運(yùn)行。例：發(fā)生突發(fā)情況，沙塵暴等較大的風(fēng)，測(cè)速傳感器的信號(hào)傳送到PLC，PLC 分析后發(fā)出相應(yīng)的措施。

控制系統(tǒng)的方式為順序控制和中斷控制。偏航系統(tǒng)的自動(dòng)控制：用來(lái)控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)向;因?yàn)轱L(fēng)向的不固定性，為了更好地收集風(fēng)能。也能防止線纜纏繞。

1、溫度的模糊控制：機(jī)艙和塔架的溫度需要控制在一個(gè)額定范圍。

（二）偏航控制

發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)：風(fēng)速傳感器收集到的風(fēng)發(fā)送到PLC，風(fēng)速不適合發(fā)電時(shí)，則報(bào)警關(guān)閉。適合發(fā)電就正常啟動(dòng)。

偏航控制（內(nèi)部裝置伺服電機(jī)和偏航減速齒輪）：?jiǎn)?dòng)后傳感器采集風(fēng)速，在范圍內(nèi)啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，不在范圍內(nèi)的話就不啟動(dòng)。

風(fēng)向傳感器收集風(fēng)的同時(shí)也在感測(cè)風(fēng)向，風(fēng)輪垂直風(fēng)向，收集的風(fēng)能越大。

感測(cè)到風(fēng)向后將信號(hào)傳送到PLC，進(jìn)行運(yùn)算出夾角，與參定值進(jìn)行比較;不符合后PLC向偏航的機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，調(diào)整機(jī)艙的角度。

偏航電機(jī)采用的是三相異步電機(jī)。電動(dòng)機(jī)的工作頻率與齒輪的齒數(shù)有關(guān)，偏轉(zhuǎn)10度，需要30秒的偏轉(zhuǎn)時(shí)間。根據(jù)角度來(lái)具體調(diào)整偏航。但是得設(shè)定一個(gè)范圍區(qū)。

例：角度180度時(shí)：設(shè)置170度至190之間為誤差范圍區(qū);

角度<155度時(shí)：設(shè)置150至160之間為誤差范圍。

溫度控制：高溫超過(guò)額定自會(huì)影響設(shè)備元器件，嚴(yán)重可能會(huì)損壞?？刂粕郎匾苑莱^(guò)額定值，檢測(cè)器如果顯示超過(guò)，冷卻機(jī)啟動(dòng)降溫。溫度在范圍內(nèi)則正常啟動(dòng)。

變壓器：將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓。一般為高壓，能更好的輸送電壓。電壓的過(guò)高或者過(guò)低會(huì)影響線路的負(fù)載。

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