基于PLC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王娟平，杜靜，王秀麗

（1.山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原030021；2.山西大學(xué)，山西太原030006）

基于PLC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王娟平1，杜靜1，王秀麗2

（1.山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原030021；2.山西大學(xué)，山西太原030006）

在分析偏航控制系統(tǒng)的基本原理及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上，以西門(mén)子S7-200 PLC作為主控單元，設(shè)計(jì)了偏航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向的改變，可以自動(dòng)或手動(dòng)控制被動(dòng)對(duì)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)過(guò)程可控，并給出了基于PLC的偏航控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)果。

風(fēng)力發(fā)電；偏航控制系統(tǒng)；PLC

與傳統(tǒng)的火力發(fā)電和水力發(fā)電相比，風(fēng)力發(fā)電在一次能源的來(lái)源和利用上有著本質(zhì)的區(qū)別。風(fēng)力的變化浮動(dòng)大，風(fēng)力資源的不確定性和無(wú)法改變性，使得在制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，只能讓葉輪主動(dòng)或被動(dòng)地去迎接風(fēng)向，為了盡可能地提高風(fēng)能利用率，這樣就出現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電特有的偏航系統(tǒng)。

偏航系統(tǒng)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，其主要作用有兩個(gè)：

一是，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率；

二是，提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行[1]。

本文針對(duì)側(cè)風(fēng)偏航控制系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)小型風(fēng)電機(jī)組利用尾舵被動(dòng)迎風(fēng)的順序控制過(guò)程。

1 偏航控制的基本原理

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，葉輪從風(fēng)源中吸收的功率可用下式表示：

式中：ρ為空氣密度；R為槳葉半徑；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；ν是風(fēng)速；θ是風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)葉輪迎風(fēng)面法線方向之間的夾角[2，3]，當(dāng)θ=0時(shí)，葉輪從風(fēng)源中吸收的功率最大。

風(fēng)速風(fēng)向傳感器將采集到的風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)傳送至控制器，經(jīng)控制器計(jì)算得出夾角θ的值。為使θ值趨近于零，控制器給偏航電機(jī)發(fā)出順時(shí)針或逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)指令驅(qū)使偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，以此來(lái)調(diào)整短艙和葉輪的方位。通常，為了減少偏航時(shí)的陀螺力矩，調(diào)向電機(jī)轉(zhuǎn)速將通過(guò)減速器減速，再將偏航力矩作用于回轉(zhuǎn)體大齒輪，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪偏航對(duì)風(fēng)，對(duì)風(fēng)完成后，控制器發(fā)出的偏航指令信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)停止工作，偏航過(guò)程結(jié)束[4，5]。

2 偏航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

偏航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，通過(guò)風(fēng)速風(fēng)向傳感器把外界風(fēng)力情況的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，與檢測(cè)元件中風(fēng)輪軸向的信號(hào)進(jìn)行比較；比較結(jié)果通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使風(fēng)力機(jī)偏轉(zhuǎn)，直到兩信號(hào)角度差為零時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由此構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的風(fēng)力發(fā)電偏航控制系統(tǒng)?？刂破魇怯没赑LC程序控制的西門(mén)子S7-200CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

圖1 偏航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 偏航控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制要求

在可變風(fēng)場(chǎng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用尾舵實(shí)現(xiàn)被動(dòng)偏航迎風(fēng)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出最大電能。測(cè)速儀檢測(cè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量超過(guò)安全值時(shí)，側(cè)風(fēng)偏航機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使尾舵?zhèn)蕊L(fēng)45°，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速變慢。當(dāng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量過(guò)大時(shí)，尾舵?zhèn)蕊L(fēng)90°，風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。因此，系統(tǒng)控制要求設(shè)計(jì)如下：

（1）自動(dòng)控制：將旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)調(diào)至自動(dòng)檔，偏航指示燈亮；按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕，風(fēng)場(chǎng)默認(rèn)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)順時(shí)運(yùn)動(dòng)燈亮（當(dāng)碰到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，停止3 s反轉(zhuǎn)），風(fēng)機(jī)系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)對(duì)風(fēng)自動(dòng)偏航，尾翼偏航偏到45°位置停止。

（2）手動(dòng)控制：風(fēng)場(chǎng)可以順時(shí)逆時(shí)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)碰到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，停止3 s反轉(zhuǎn)。按下側(cè)風(fēng)偏航按鈕，尾翼偏轉(zhuǎn)到45°位置，再按下自動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)按鈕，尾翼偏轉(zhuǎn)到90°，按下恢復(fù)按鈕，尾翼恢復(fù)到初始位置（0°位置）。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)程序停止。

3.2 輸入輸出配置表

輸入輸出地址分配表如表1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目刂蒲b置以及結(jié)構(gòu)模型，需要十四個(gè)輸入、十個(gè)輸出以及CPU工作電源。結(jié)合CPU224的輸入輸出端口數(shù)以及模型的接線設(shè)置將地址表統(tǒng)一配置如表1所示，為實(shí)驗(yàn)的仿真調(diào)試提供便利。

表1 S7-200 C P U224輸入輸出地址分配表

3.3 PLC程序流程圖

PLC程序流程圖是結(jié)合控制要求以及編程思路繪制而成的程序流程框圖，如圖2所示，主要包括程序的初始化，自動(dòng)運(yùn)行程序和手動(dòng)運(yùn)行程序。首先，對(duì)程序進(jìn)行初始化；然后選擇手/自動(dòng)運(yùn)行方式。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)風(fēng)場(chǎng)默認(rèn)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，碰到限位要停3 s后再反轉(zhuǎn)，偏航只能到達(dá)45°.手動(dòng)運(yùn)行時(shí)可以隨時(shí)通過(guò)順（逆）時(shí)按鈕來(lái)改變風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向，也可以在不按按鈕的情況下循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；按下偏航恢復(fù)按鈕可使尾舵旋轉(zhuǎn)恢復(fù)到初始位置；當(dāng)偏航到達(dá)45°限位時(shí)按下啟動(dòng)按鈕可以偏航到90°.

圖2 程序流程

3.4 PLC程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中控制程序的編寫(xiě)采用梯形圖語(yǔ)言，簡(jiǎn)單、易懂。網(wǎng)絡(luò)1至網(wǎng)絡(luò)18為手/自動(dòng)運(yùn)行程序。如圖3到圖18所示。

圖3 自動(dòng)運(yùn)行下啟動(dòng)按鈕控制風(fēng)場(chǎng)順時(shí)運(yùn)動(dòng)程序

圖4 手動(dòng)運(yùn)行時(shí)順時(shí)按鈕控制風(fēng)場(chǎng)順時(shí)運(yùn)動(dòng)程序

圖5 手自動(dòng)運(yùn)行控制風(fēng)場(chǎng)順時(shí)運(yùn)動(dòng)電機(jī)繼電器線圈

圖6 順時(shí)到位，停3s控制程序及順時(shí)按鈕指示燈程序

圖7 手動(dòng)運(yùn)行逆時(shí)按鈕控制風(fēng)場(chǎng)逆時(shí)運(yùn)動(dòng)程序

圖8 手動(dòng)逆時(shí)以及碰及順時(shí)限位后控制風(fēng)場(chǎng)逆時(shí)運(yùn)動(dòng)電機(jī)繼電器線圈及逆時(shí)按鈕指示燈程序

圖9 逆時(shí)到位，停3s控制程序

圖10 自動(dòng)運(yùn)行下側(cè)風(fēng)偏航控制程序

圖11 手動(dòng)運(yùn)行下側(cè)風(fēng)偏航按鈕控制程序

圖12 手動(dòng)運(yùn)行下偏航到90°控制程序

圖13 手自動(dòng)下控制側(cè)風(fēng)偏航電機(jī)繼電器線圈程序

圖14 偏航指示燈控制程序

圖15 手動(dòng)運(yùn)行時(shí)偏航恢復(fù)按鈕控制偏航恢復(fù)電機(jī)繼電器線圈及恢復(fù)指示燈程序

圖16 啟動(dòng)按鈕指示燈控制程序

圖17 停止按鈕控制程序

圖18 停止按鈕指示燈控制程序

4 系統(tǒng)仿真

PLC程序仿真是在仿真軟件下對(duì)軟件程序是否滿(mǎn)足系統(tǒng)控制要求做的一個(gè)模擬演示。仿真過(guò)程如下：

（1）打開(kāi)仿真軟件，在配置中設(shè)置CPU型號(hào)為224，出現(xiàn)圖19輸入輸出端口模型。

圖19 C P U224輸入輸出端口模型

（2）載入程序，啟動(dòng)并打到自動(dòng)檔。

從編程軟件中導(dǎo)出程序并載入仿真軟件；單擊運(yùn)行指示圖標(biāo)，啟動(dòng)程序；將旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)自動(dòng)檔（I0.0）打到自動(dòng)狀態(tài)；按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕（I0.1），啟動(dòng)按鈕指示燈（Q0.0）、順時(shí)按鈕指示燈（Q0.1）、側(cè)風(fēng)偏航指示燈（Q0.3）亮，風(fēng)場(chǎng)順時(shí)運(yùn)動(dòng)繼電器線圈（Q0.6）和側(cè)風(fēng)偏航啟動(dòng)繼電器線圈（Q1.0）得電。仿真過(guò)程如圖20所示。

圖20 自動(dòng)運(yùn)行程序仿真

（3）自動(dòng)狀態(tài)下偏航45°到位，相應(yīng)指示燈滅。仿真過(guò)程如圖21所示。

圖21 自動(dòng)偏航45°到位狀態(tài)

（4）手動(dòng)狀態(tài)下風(fēng)場(chǎng)啟動(dòng)。

手動(dòng)狀態(tài)下，按下順時(shí)按鈕（I0.3），順時(shí)指示燈（Q0.1）亮，順時(shí)線圈繼電器（Q0.6）得電；同理，按下逆時(shí)按鈕（I0.4），逆時(shí)指示燈（Q0.2）亮，逆時(shí)線圈繼電器（Q0.7）得電。仿真過(guò)程如圖22所示。

圖22 手動(dòng)風(fēng)場(chǎng)順時(shí)起動(dòng)仿真

（5）手動(dòng)狀態(tài)側(cè)風(fēng)偏航45°到位（與自動(dòng)時(shí)一樣）。

（6）手動(dòng)下45°到位后再按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕。

手動(dòng)時(shí)，45°偏航到位，再按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕（I0.1），側(cè)風(fēng)偏航繼續(xù)啟動(dòng)，等到偏航90°到位（I1.3）時(shí)停止。仿真過(guò)程如圖23所示。

圖23 手動(dòng)90°偏航過(guò)程仿真

（7）手動(dòng)狀態(tài)下偏航恢復(fù)。

手動(dòng)時(shí)，按下恢復(fù)按鈕（I0.6），恢復(fù)指示燈（Q0.4）亮，偏航恢復(fù)繼電器線圈（Q1.1）得電?；謴?fù)到位（I1.1）相應(yīng)輸出指示滅。仿真過(guò)程如圖24所示。

圖24 手動(dòng)運(yùn)行偏航恢復(fù)仿真

5 結(jié)束語(yǔ)

以PLC作為主控單元的側(cè)風(fēng)偏航控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活、且有良好的軟啟動(dòng)性能及帶負(fù)載能力，仿真實(shí)驗(yàn)顯示該系統(tǒng)無(wú)論是動(dòng)態(tài)性能還是穩(wěn)態(tài)性能均能滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制要求，為最大限度將風(fēng)力資源轉(zhuǎn)換為電能，緩解不可再生資源日益短缺，且環(huán)境問(wèn)題日益惡化的現(xiàn)狀有著非常深遠(yuǎn)的意義。

[1]馬小英.MW級(jí)雙饋風(fēng)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)的優(yōu)化及仿真[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[2]孫同景．200 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1998，19（2）：48-53．

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[4]魏列江.中小型風(fēng)力機(jī)偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，30（2）：75-77.

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WANG Juan-ping1，DU Jing1，WANG Xiu-li2
（1.Shanxi Electric Power Vocational and Technical College，Taiyuan Shanxi 030021，China；2.Shanxi University，Taiyuan Shanxi030006，China）

This paper introduces the basic principle and control system structure chart of wind turbine yaw control system. And this control system is based on the use of single -chip PLC S7 -200 as the main control unit. According to the wind direction change，the wind turbine yaw control system can automatically or manually controlled passively to the wind，to achieve the control process of the wind. Paper presents the yaw control system software design based on PLC.

wind turbine；yaw control system；PLC

T N762

A

1672-545X（2016）09-0046-05

2016-06-26

王娟平（1979-），女，山西平陸人，講師，碩士，主要從事電氣控制技術(shù)教學(xué)及研究。