风力发电模拟实验装置设计

张 儒 陈志军

(新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830049)

0 引言

随着石油、煤炭等不可再生资源的日益枯竭以及气候变暖、环境恶化等问题的不断出现，可再生能源的开发和利用日益受到国际社会的高度重视。作为一种可再生资源，风能的社会效益和环境效益已经得到了人们的普遍认可，利用前景十分广阔[1]。

新疆作为全国四大优良风场之一，拥有非常丰富的风能资源。本文设计了实验室条件下的风力发电模拟实验装置，帮助学生生动形象地掌握风力发电相关知识。该装置采用PLC控制变频器输出频率，从而驱动电动机带动风机运行。风机发出的电能可供负载使用或存储在蓄电池中，同时在触摸屏上显示风机的功率变化曲线。

1 系统的软硬件设计

1.1 硬件组成及通信

风力发电的原理是利用风能带动风轮叶片旋转，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机发电[1]。

该实验装置工作原理如图1所示。

图1 实验装置工作原理图Fig.1 Operational principle of the experimental facility

图1中，电机用来模拟来自风的动能，带动风机转动产生电能。

电能可作用于负载，实验装置以51 Ω电阻为负载，共分为六组，每组包含A、B、C三个电阻，其中第一组电阻在实验装置负载状态下总是接入的，其他五组由操作人员选择性地接入。每组接入后，三相电的每相线路中均会增加一个电阻。风机发出的电能也可对蓄电池进行充电。该电能先经过充电控制器，将三相电处理为直流电，再为蓄电池充电。

根据PLC在可靠性、实时性、通信能力和性价比等方面的优点，选用了西门子公司的200系列PLC作为实验系统的控制器，型号为224 XP CN。作为一款紧凑型PLC，它集成了电源、CPU、通信和数字量模块，而模拟量模块选用EM 235 CN，并采用EM 223作为补充的数字量模块。S7-200系列PLC适用于各种场合中的检测、监测及控制，其强大的功能使其无论是独立运行或在相连成的网络中皆能实现复杂的控制功能，具有很高的性价比[5]。在程序下载和调试过程中，采用PPI电缆与装有Step7-Micro/WIN V4.0软件的计算机进行通信。下载调试完成后，仅需将PLC的通信接口与触摸屏的通信接口相连，通过触摸屏的动作，实现对PLC的控制。

实验系统的触摸屏采用西门子TP277＇6，编程软件为WinCC Flexible2007，工作电源为24 VDC。该触摸屏背板有3个通信接口，包括1个RS-485接口、1个Ethernet接口和1个USB接口(用于连接键盘、鼠标、打印机等)。触摸屏与计算机之间可以通过PPI通信线连接，也可以通过以太网通信(TP277集成有以太网卡)。

变频器采用西门子B型MM440变频器，功率为2.2 kW。系统设计了七级风速，分别对应变频器的七段频率。

实验系统的硬件还包括：功率为1.5 kW的电动机、风力发电机、功率变送器、蓄电池、18个电阻、12个继电器、8个交流接触器、变压器和24 V电源等。

1.2 系统软件设计

实验装置控制流程如图2所示。

图2 控制流程图Fig.2 Control flowchart

装置启动后，首先选择装置的状态，即处于蓄电池充电或风机发电状态(默认为充电状态)。选择发电状态时，可以选择风的级数和投入负载的个数，两者均需判断手自动方式，进而通过在控制柜面板上使用按钮手动控制或在触摸屏上进行自动控制，并通过触摸屏的风机功率曲线观察其控制效果。

根据控制流程图，在Step7-Micro/WIN V4.0软件中为PLC编写梯形图，部分 PLC程序界面如图3所示。

图3 部分PLC程序界面Fig.3 Partial interface of PLC program

图3中：MM7为变频器7号端口，当风速为4、5、6级时，7号端口为1。

程序设计的原则为高风速中断低风速，高风速停止时，转入被中断的低风速运行。每级风又分为手动和自动两种调节方式。

2 触摸屏画面的设计

2.1 触摸屏组态软件简介

WinCC Flexible是西门子公司工业全集成自动化(TIA)的子产品，它是一款面向机器的自动化概念的HMI软件。WinCC Flexible用于组态用户界面，以操作和监视机器与设备，并提供了面向解决方案概念组态任务的支持[3]。

2.2 组态画面设计

依据控制要求，为使画面美观实用，设计了本装置的触摸屏组态画面。由于学生人数较多，未设计登录界面而直接进入欢迎界面。当系统进入发电状态时，画面中风机叶片开始旋转，并可以选择风速和负载的手自动投入方式。在风速控制和负载选择画面，设计了风机各级风速控制按钮和负载投入选择按钮。这些按钮按下后，对应的灯点亮。

3 问题及解决办法

当功率变送器测得的功率信号进入PLC模拟量输入通道时，由于受到控制柜中MM440变频器的电磁干扰，功率信号不稳定，跳动较大，不符合实验设计的要求。经查阅资料，将传输功率信号的电缆换为屏蔽双绞线，并将实验装置中的各个元件接地情况进行改良，使输出值较原来稳定，满足了实验要求，也使问题得以解决。

在计算机与触摸屏通信时，出现计算机WinCC Flexible的组态画面首次无法下载到触摸屏中的情况。经反复试验，进行OS更新，即将触摸屏中的操作系统与装有WinCC Flexible软件的上位机保持一致，使用者方可进行组态画面下载。

4 实际应用

本装置的应用可使学生了解洁净能源的利用过程，充分理解风速及负荷变化时对功率曲线的影响。装置使用时，在确认控制柜面板上按钮、开关等处于初始状态后，接通电源。充电/负载旋钮开关的初始状态为蓄电池充电。调节风速按钮，电机在预设速度下转动，并通过物理连接带动风机，产生的电能经充电控制器处理成直流电后为蓄电池充电。蓄电池中的电能再经过逆变器处理，即可成为日常生产生活用电。风机发出的电能除了可以给蓄电池充电外，也可直接带负载工作。

在该实验装置中，使用者可将充电/负载旋钮开关旋至负载状态，在任一级风速等级下可投入不同的模拟负载数量，使用功率变送器采集整体负载功率变化的信号，在触摸屏上观察功率曲线变化特点。分析变化原因，这部分功能可使学生直观形象地了解风能的使用情况。

5 结束语

本实验装置原理清晰、可操作性强、控制准确，并可以拓展学习，如增加上位组态等。安装调试后，通过高校专家审核，该装置符合既定的实验目的和要求，得到了高校师生的认可和好评。在教学过程中，该实验装置形象逼真地再现了风力发电现场的实际情况，丰富了老师的理论教学;学生反映良好，学习效果明显提高，达到了理论与实践共同教学的目的。

[1]王海云，王维庆，朱新湘.风力发电基础[M].重庆：重庆大学出版社，2010.

[2]马孔红.S7-300PLC和MM440变频器的原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]廖常初.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]龙迅，柴建云.基于组态软件的风电场远程监控系统的研发[J].能源与环境，2007(2)：76 －78.

[5]廖常初.S7-200 PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[6]吉顺平，孙承志，路明.西门子PLC与工业网络技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[7]贾要勤.风力发电实验用模拟风力机[J].太阳能学报，2004，25(6)：736－739.