风电控制系统设计探讨

2020-01-01吴春琦王世光林盛昌

中国设备工程 2019年23期

吴春琦，王世光，林盛昌

（南通理工学院，江苏南通 226002）

近年来，我国西北部如甘肃、新疆南部等地区，新建成的风电场弃风现象严重。通过调研数据显示，发现主要原因在于我国西北部地区是处于欧亚大陆中部，空气中的湿度不足，非常干燥，造成土壤严重沙化，空气中沙颗粒的含量过高。当风力发电机运行时，叶片会受到流动空气中沙颗粒影响，磨损的程度远超设计预期值。这一情况导致很多设计寿命为20 年左右的风力发电机在经历了短短3 ～4 年的使用后，叶片就面临报废的处境。由于风力发电机的使用寿命减短，导致许多投资方的收益无法补足投入项目的成本，于是很多投资方纷纷从风电场撤资，造成了目前所面临的风电场弃风率过高的局面。鉴于这样的需要，设计出一种新型的风电控制系统。

1 PLC 控制要求

（1）当按下启动按钮后，风向风速仪与沙通量传感器得电，开始对风力发电机所处的环境进行判断。

（2）当风速小于3m/s 或大于40m/s 时，发电机不进行工作，风速未达标警示灯闪烁，系统停止运行。

（3）当风速处于3 ～40m/s 时，风速达标指示灯亮。

风速条件满足后，对风向进行判断。当风向与叶片平面夹角在启动时大于15°时，风向未达标警示灯闪烁，系统停止运行。此时由偏航齿圈进行动作，使叶片平面与风向夹角处于-15°～+15°，警示灯消失，风向指示灯亮，进入下一步判断。

（4）在风向完成判断后，对沙通量进行判断，当沙通量传感器每秒受冲击次数超过5 次/s 时，沙通量未达标警示灯闪烁，系统停止运行。当沙通量传感器每秒受冲击次数小于等于5 次/s 时，沙通量达标指示灯亮。当所有达标指示灯亮起时，发电机开始工作。

（5）当按下急停按钮后，整个系统停止运行，发电机停止工作，风轮锁插入轮盘，锁死风力发电机。

2 PLC 软件部分设计

主要进行本次设计中需要用到的PLC 输入输出端口分配表整理，PLC 的外部接线图绘制，PLC 程序流程图的绘制以及最终的PLC 程序概述。

2.1 PLC 的I/O 分配表

在本设计中，通过PLC 的输入量一共有五种，分别是控制整个系统启动的启动按钮SB1；控制整个系统停止的停止按钮SB2；风速风向仪中的风速传感器输出信号Sign1 和风向传感器输出信号Sign2；沙通量传感器输出信号Sign3。通过PLC 的输出量一共有七种，分别是风速达标指示灯H1、风向达标指示灯H2、沙通量达标指示灯H3、风速未达标警示灯H4、风向未达标警示灯H5、沙通量未达标警示灯H6 和发电机。PLC 的I/O 分配表如表1 所示。

表1 PLC 的I/O 分配表

2.2 PLC 的I/O 接线图

PLC 的I/O 接线图如图1 所示。左侧为FX2N-32MR 的主机，我们需要用到5 个输入端口、7 个输出端口；右侧为PLC 的AD 转换模块，通过物理端口，使模块与PLC 主机进行连接。PLC 的AD 转换模块能够接收到风速风向仪与沙通量传感器传来的模拟量信号信息，将模拟量信号转换成数字信号，完成对风速强弱、风向和风力发电机叶片夹角大小与沙通量多少的判断。

2.3 PLC 程序图的设计

图1 PLC 的I/O 接线图

使用M0 信号启动M11 信号，利用M11 信号与M0 信号完成自锁，并在程序中加入M12 与M13 两个常闭信号，当完成自锁并处于通路时，发电机完成启动。利用M11 信号常动，去读取风速风向传感器输出的处于K30 栈中的模拟量信号。第6 行的程序是用来进行读取的操作。如果上一步读取失败，则M10 信号得电，无法进行下一步动作，程序如图2 所示。

图2 程序图

按动启动按钮X1，启动信号M0，利用M0 信号完成自锁，并在程序中加入急停按钮X2 的常闭信号，使按下急停按钮后系统可以通过断开常信号M0 来立即停止工作。通过M0 的常信号去启动对比，对比完成后启动信号M1，利用自锁，使信号M1 成为长信号，若对比失败，则风速传感器信号X3不得电，使风速未达标警示灯闪烁。用M10 信号启动信号M11，并完成自锁。当完成自锁并处于通路时，发电机完成启动，如图3 所示。

图3 程序图

利用M8002 信号去进行模块的初始化，擦除上一次操作在缓冲存储器中储存的数据。利用M11 信号常动，去读取沙通量传感器输出的处于K30 栈中的模拟量信号。第82 行的程序是用来进行读取的操作。如果上一步读取失败，则M100信号得电，无法进行下一步动作，程序如图4。

图4 程序图

M0 与M1 信号常动后，检查风向传感器所传回数值与设定值的对比结果，如果启动风向与叶片平面夹角处于设定值以内，则风向传感器信号X4 得电，风向达标指示灯Y1 常亮，若不符合，则风向未达标警示灯亮，程序如128 行所示。在信号M2 常动后，检查沙通量传感器所传回的数值与设定值的对比结果。如果沙通量传感器所传回的数值小于等于5 次/S，则沙通量传感器的信号X5 得电，沙通量达标指示灯H3 亮，若未达标，则X5 不得电，沙通量未达标警示灯亮。若所有条件均满足，则利用最后完成的沙通量检测所得到的常信号M3 进行发电机的运转，第四段程序如图5 所示。