風(fēng)力發(fā)電模擬實驗裝置設(shè)計

張 儒 陳志軍

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830049)

0 引言

隨著石油、煤炭等不可再生資源的日益枯竭以及氣候變暖、環(huán)境惡化等問題的不斷出現(xiàn)，可再生能源的開發(fā)和利用日益受到國際社會的高度重視。作為一種可再生資源，風(fēng)能的社會效益和環(huán)境效益已經(jīng)得到了人們的普遍認(rèn)可，利用前景十分廣闊[1]。

新疆作為全國四大優(yōu)良風(fēng)場之一，擁有非常豐富的風(fēng)能資源。本文設(shè)計了實驗室條件下的風(fēng)力發(fā)電模擬實驗裝置，幫助學(xué)生生動形象地掌握風(fēng)力發(fā)電相關(guān)知識。該裝置采用PLC控制變頻器輸出頻率，從而驅(qū)動電動機(jī)帶動風(fēng)機(jī)運行。風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能可供負(fù)載使用或存儲在蓄電池中，同時在觸摸屏上顯示風(fēng)機(jī)的功率變化曲線。

1 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

1.1 硬件組成及通信

風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)能帶動風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)，低速轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。

該實驗裝置工作原理如圖1所示。

圖1 實驗裝置工作原理圖Fig.1 Operational principle of the experimental facility

圖1中，電機(jī)用來模擬來自風(fēng)的動能，帶動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能。

電能可作用于負(fù)載，實驗裝置以51 Ω電阻為負(fù)載，共分為六組，每組包含A、B、C三個電阻，其中第一組電阻在實驗裝置負(fù)載狀態(tài)下總是接入的，其他五組由操作人員選擇性地接入。每組接入后，三相電的每相線路中均會增加一個電阻。風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能也可對蓄電池進(jìn)行充電。該電能先經(jīng)過充電控制器，將三相電處理為直流電，再為蓄電池充電。

根據(jù)PLC在可靠性、實時性、通信能力和性價比等方面的優(yōu)點，選用了西門子公司的200系列PLC作為實驗系統(tǒng)的控制器，型號為224 XP CN。作為一款緊湊型PLC，它集成了電源、CPU、通信和數(shù)字量模塊，而模擬量模塊選用EM 235 CN，并采用EM 223作為補充的數(shù)字量模塊。S7-200系列PLC適用于各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制，其強(qiáng)大的功能使其無論是獨立運行或在相連成的網(wǎng)絡(luò)中皆能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，具有很高的性價比[5]。在程序下載和調(diào)試過程中，采用PPI電纜與裝有Step7-Micro/WIN V4.0軟件的計算機(jī)進(jìn)行通信。下載調(diào)試完成后，僅需將PLC的通信接口與觸摸屏的通信接口相連，通過觸摸屏的動作，實現(xiàn)對PLC的控制。

實驗系統(tǒng)的觸摸屏采用西門子TP277＇6，編程軟件為WinCC Flexible2007，工作電源為24 VDC。該觸摸屏背板有3個通信接口，包括1個RS-485接口、1個Ethernet接口和1個USB接口(用于連接鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)等)。觸摸屏與計算機(jī)之間可以通過PPI通信線連接，也可以通過以太網(wǎng)通信(TP277集成有以太網(wǎng)卡)。

變頻器采用西門子B型MM440變頻器，功率為2.2 kW。系統(tǒng)設(shè)計了七級風(fēng)速，分別對應(yīng)變頻器的七段頻率。

實驗系統(tǒng)的硬件還包括：功率為1.5 kW的電動機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、功率變送器、蓄電池、18個電阻、12個繼電器、8個交流接觸器、變壓器和24 V電源等。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

實驗裝置控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖Fig.2 Control flowchart

裝置啟動后，首先選擇裝置的狀態(tài)，即處于蓄電池充電或風(fēng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)(默認(rèn)為充電狀態(tài))。選擇發(fā)電狀態(tài)時，可以選擇風(fēng)的級數(shù)和投入負(fù)載的個數(shù)，兩者均需判斷手自動方式，進(jìn)而通過在控制柜面板上使用按鈕手動控制或在觸摸屏上進(jìn)行自動控制，并通過觸摸屏的風(fēng)機(jī)功率曲線觀察其控制效果。

根據(jù)控制流程圖，在Step7-Micro/WIN V4.0軟件中為PLC編寫梯形圖，部分 PLC程序界面如圖3所示。

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

圖3中：MM7為變頻器7號端口，當(dāng)風(fēng)速為4、5、6級時，7號端口為1。

程序設(shè)計的原則為高風(fēng)速中斷低風(fēng)速，高風(fēng)速停止時，轉(zhuǎn)入被中斷的低風(fēng)速運行。每級風(fēng)又分為手動和自動兩種調(diào)節(jié)方式。

2 觸摸屏畫面的設(shè)計

2.1 觸摸屏組態(tài)軟件簡介

WinCC Flexible是西門子公司工業(yè)全集成自動化(TIA)的子產(chǎn)品，它是一款面向機(jī)器的自動化概念的HMI軟件。WinCC Flexible用于組態(tài)用戶界面，以操作和監(jiān)視機(jī)器與設(shè)備，并提供了面向解決方案概念組態(tài)任務(wù)的支持[3]。

2.2 組態(tài)畫面設(shè)計

依據(jù)控制要求，為使畫面美觀實用，設(shè)計了本裝置的觸摸屏組態(tài)畫面。由于學(xué)生人數(shù)較多，未設(shè)計登錄界面而直接進(jìn)入歡迎界面。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)時，畫面中風(fēng)機(jī)葉片開始旋轉(zhuǎn)，并可以選擇風(fēng)速和負(fù)載的手自動投入方式。在風(fēng)速控制和負(fù)載選擇畫面，設(shè)計了風(fēng)機(jī)各級風(fēng)速控制按鈕和負(fù)載投入選擇按鈕。這些按鈕按下后，對應(yīng)的燈點亮。

3 問題及解決辦法

當(dāng)功率變送器測得的功率信號進(jìn)入PLC模擬量輸入通道時，由于受到控制柜中MM440變頻器的電磁干擾，功率信號不穩(wěn)定，跳動較大，不符合實驗設(shè)計的要求。經(jīng)查閱資料，將傳輸功率信號的電纜換為屏蔽雙絞線，并將實驗裝置中的各個元件接地情況進(jìn)行改良，使輸出值較原來穩(wěn)定，滿足了實驗要求，也使問題得以解決。

在計算機(jī)與觸摸屏通信時，出現(xiàn)計算機(jī)WinCC Flexible的組態(tài)畫面首次無法下載到觸摸屏中的情況。經(jīng)反復(fù)試驗，進(jìn)行OS更新，即將觸摸屏中的操作系統(tǒng)與裝有WinCC Flexible軟件的上位機(jī)保持一致，使用者方可進(jìn)行組態(tài)畫面下載。

4 實際應(yīng)用

本裝置的應(yīng)用可使學(xué)生了解潔凈能源的利用過程，充分理解風(fēng)速及負(fù)荷變化時對功率曲線的影響。裝置使用時，在確認(rèn)控制柜面板上按鈕、開關(guān)等處于初始狀態(tài)后，接通電源。充電/負(fù)載旋鈕開關(guān)的初始狀態(tài)為蓄電池充電。調(diào)節(jié)風(fēng)速按鈕，電機(jī)在預(yù)設(shè)速度下轉(zhuǎn)動，并通過物理連接帶動風(fēng)機(jī)，產(chǎn)生的電能經(jīng)充電控制器處理成直流電后為蓄電池充電。蓄電池中的電能再經(jīng)過逆變器處理，即可成為日常生產(chǎn)生活用電。風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能除了可以給蓄電池充電外，也可直接帶負(fù)載工作。

在該實驗裝置中，使用者可將充電/負(fù)載旋鈕開關(guān)旋至負(fù)載狀態(tài)，在任一級風(fēng)速等級下可投入不同的模擬負(fù)載數(shù)量，使用功率變送器采集整體負(fù)載功率變化的信號，在觸摸屏上觀察功率曲線變化特點。分析變化原因，這部分功能可使學(xué)生直觀形象地了解風(fēng)能的使用情況。

5 結(jié)束語

本實驗裝置原理清晰、可操作性強(qiáng)、控制準(zhǔn)確，并可以拓展學(xué)習(xí)，如增加上位組態(tài)等。安裝調(diào)試后，通過高校專家審核，該裝置符合既定的實驗?zāi)康暮鸵螅玫搅烁咝熒恼J(rèn)可和好評。在教學(xué)過程中，該實驗裝置形象逼真地再現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場的實際情況，豐富了老師的理論教學(xué);學(xué)生反映良好，學(xué)習(xí)效果明顯提高，達(dá)到了理論與實踐共同教學(xué)的目的。

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