基于PLC的风力发电控制系统

2020-09-10孟祥南

客联 2020年10期

孟祥南

【摘要】风能属于新能源中的的一种，发展空间非常大并且商业价值很高。计算机和能够编程的控制器在信息时代中应运而生，大大推动了对于风力发电的研究和开发。所以本文采用西门子可编程控制器s7-200来研究本次论文。主要内容有电气原理图、设计流程图、PLC、电气元件的选择等。

【关键词】风力发电;可编程控制器;偏航

一、風力发电的工作原理和构造

（一）风电机组的工作原理概述

借助风吹动风车造成风车旋转带动发电机生产电能，借助传动轴经转子获得的动力输送到发动机中。共由两部分构成，包括：风轮机和发电机。风轮机的作用是将风能转变成机械能，发电机的功能是将产生的机械能转变成电能。

风电机组按照容量划分能够划分为三种，包括：1.小型风电机组，容量不超过10kw;2.中型风电机组，容量在10-100kw之间;3.大型风电机组，容量大于100kw。根据主轴与地面的对应位置关系，能够将其划分为两种：一是水平轴风力发电机组，此时主轴与地面具有平行关系;二是垂直轴风力发电机组，此时主轴与地面之间呈90°夹角。现如今，风电机主要有4部分零部件组成，分别是风轮组件、机舱组件、塔架组件、控制部分。

（二）风电机组的结构组成

在风电机组中必须有叶轮叶片、发电机定子、测风系统、底板、偏航电机、塔架、发电机转子、变桨系统、轮毂，并且缺一不可，否则就不是一个健全的风电机组。

风轮由三部分组成：叶片、轮毂、风轮轴。还包括变桨机构。功能是使风力使叶片旋转发电、发电机机头转动。风能转化为机械能后的能量通过风轮轴送到传送机构。叶片一般分为平板型、弧板型、流线型。一般风能越大所获取的能量就越多。叶片会影响风能的利用率。所以叶片的要求会很高。材料强度、密度、硬度和使用寿命。

轮毂的作用是将叶片以及叶片组安装在主轴上。通常有两类，包括：固定式和链绞式。作用是将叶片的力和力矩传递到主传动机构中。

风轮轴也被成为主轴或低速轴。被安装在风轮和齿轮箱之间的位置。前面端子的作用是连接螺栓和轮毂。后面的端子被用来连接齿轮低速。风轮轴表现出较高的综合机械型。

变桨机构主要的作用时随着风速的变化来调整桨距的夹角，从而确保发电机高效的运转。

风力发电机的机舱主要是为各种零部件提供一个工作的空间，并且承受外力的压迫，因此，对制造材料的硬度、光滑度以及均匀厚度等要求很高。主要部件有齿轮箱以及发电机等。风力发电机的转子位于机舱的左侧。

传动机构主要包括增速器、主轴、齿轮箱、发电机、轴连器等，功能是将机械能传输到发电机中。

发电机是将风能产生的机械能转变成电能的装置。通常采用直流发电机、风力发电机等专用发电机，包括永磁发电机、异步交流发电机等。

齿轮箱：功能是平衡低速转动的风电机和高速转动的发电机。因会受到强风冲击，所以对材料的要求也非常高。按照传动方式分类：展开式、分流式、同轴式、混合式。

塔架部件：支撑机舱和轮片等主要发电器件。高度较高且与地基的连接要很高的稳定性和安全性来应对风力的强大冲击。内部有线缆来传输电能。空间大有爬梯和导轨，用来维修和护理时人工的处理。基本形式：单管拉线式、衍架拉线式、锥桶式。

控制部分：控制系统是最关键的核心部分。整个风电机组的运行状态以及方式都是由它来控制。大多选择PLC（可编程控制器）或者DSP（微机处理器）。因为功能强，可靠性高，所以在很多方面都有应用。

功能：对数据进行采集、传递、分析、运算，然后有效的控制风电机。以达到功率稳定，转速合理。出现故障也能很快的检测到原因并分析以保护相对应的措施。

用户界面通过编程，输入参数等来控制总系统的启动和停止，然后传输信号到控制部分，控制各个部分的启动和停止，系统运行的各个状态的检测等。控制部分发出控制信后、自动控制、发电机的启动和控制、偏航的控制、温度的控制、以及其他的控制等都是由控制系统来完场。

二、风电机组的项目和PLC的控制梯形图

（一）系统流程

可编程控制器完成初始化过程后，风速的模拟信号被传感器接受，之后转变信号输入到PLC中。处理中心对所接受的信号进行相应的处理及分析，如果判断风速值在额定参数范围中，发出启动电机指令;如果风速超过了额定参数范围，停止报警。发起发动机之后，与此同时，温度传感器、风向传感器、测速传感器将所得到的数据输送到PLC（S7-200）进行分析。PLC在分析后会得出一个结果，然后就按照分析结果进行运行。例：发生突发情况，沙尘暴等较大的风，测速传感器的信号传送到PLC，PLC 分析后发出相应的措施。

控制系统的方式为顺序控制和中断控制。偏航系统的自动控制：用来控制风轮的转向;因为风向的不固定性，为了更好地收集风能。也能防止线缆缠绕。

1、温度的模糊控制：机舱和塔架的温度需要控制在一个额定范围。

（二）偏航控制

发电机的启动：风速传感器收集到的风发送到PLC，风速不适合发电时，则报警关闭。适合发电就正常启动。

偏航控制（内部装置伺服电机和偏航减速齿轮）：启动后传感器采集风速，在范围内启动，发电机启动，不在范围内的话就不启动。

风向传感器收集风的同时也在感测风向，风轮垂直风向，收集的风能越大。

感测到风向后将信号传送到PLC，进行运算出夹角，与参定值进行比较;不符合后PLC向偏航的机构发出指令，调整机舱的角度。

偏航电机采用的是三相异步电机。电动机的工作频率与齿轮的齿数有关，偏转10度，需要30秒的偏转时间。根据角度来具体调整偏航。但是得设定一个范围区。

例：角度180度时：设置170度至190之间为误差范围区;

角度<155度时：设置150至160之间为误差范围。

温度控制：高温超过额定自会影响设备元器件，严重可能会损坏。控制升温以防超过额定值，检测器如果显示超过，冷却机启动降温。温度在范围内则正常启动。

变压器：将发电机产生的电压转化为标准的电压。一般为高压，能更好的输送电压。电压的过高或者过低会影响线路的负载。