風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

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(wèn)題的不斷出現(xiàn)，可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用日益受到國(guó)際社會(huì)的高度重視。作為一種可再生資源，風(fēng)能的社會(huì)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(guó)四大優(yōu)良風(fēng)場(chǎng)之一，擁有非常豐富的風(fēng)能資源。本文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室條件下的風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)裝置，幫助學(xué)生生動(dòng)形象地掌握風(fēng)力發(fā)電相關(guān)知識(shí)。該裝置采用PLC控制變頻器輸出頻率，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行。風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能可供負(fù)載使用或存儲(chǔ)在蓄電池中，同時(shí)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(jì)

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(dòng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)，低速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。

該實(shí)驗(yàn)裝置工作原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置工作原理圖Fig.1 Operational principle of the experimental facility

圖1中，電機(jī)用來(lái)模擬來(lái)自風(fēng)的動(dòng)能，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電能。

電能可作用于負(fù)載，實(shí)驗(yàn)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(gè)電阻，其中第一組電阻在實(shí)驗(yàn)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(huì)增加一個(gè)電阻。風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能也可對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。該電能先經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)性、通信能力和性?xún)r(jià)比等方面的優(yōu)點(diǎn)，選用了西門(mén)子公司的200系列PLC作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制器，型號(hào)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(bǔ)充的數(shù)字量模塊。S7-200系列PLC適用于各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制，其強(qiáng)大的功能使其無(wú)論是獨(dú)立運(yùn)行或在相連成的網(wǎng)絡(luò)中皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，具有很高的性?xún)r(jià)比[5]。在程序下載和調(diào)試過(guò)程中，采用PPI電纜與裝有Step7-Micro/WIN V4.0軟件的計(jì)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(guò)觸摸屏的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的控制。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的觸摸屏采用西門(mén)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(gè)通信接口，包括1個(gè)RS-485接口、1個(gè)Ethernet接口和1個(gè)USB接口(用于連接鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)等)。觸摸屏與計(jì)算機(jī)之間可以通過(guò)PPI通信線連接，也可以通過(guò)以太網(wǎng)通信(TP277集成有以太網(wǎng)卡)。

變頻器采用西門(mén)子B型MM440變頻器，功率為2.2 kW。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了七級(jí)風(fēng)速，分別對(duì)應(yīng)變頻器的七段頻率。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件還包括：功率為1.5 kW的電動(dòng)機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、功率變送器、蓄電池、18個(gè)電阻、12個(gè)繼電器、8個(gè)交流接觸器、變壓器和24 V電源等。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)，可以選擇風(fēng)的級(jí)數(shù)和投入負(fù)載的個(gè)數(shù)，兩者均需判斷手自動(dòng)方式，進(jìn)而通過(guò)在控制柜面板上使用按鈕手動(dòng)控制或在觸摸屏上進(jìn)行自動(dòng)控制，并通過(guò)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(xiě)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(hào)端口，當(dāng)風(fēng)速為4、5、6級(jí)時(shí)，7號(hào)端口為1。

程序設(shè)計(jì)的原則為高風(fēng)速中斷低風(fēng)速，高風(fēng)速停止時(shí)，轉(zhuǎn)入被中斷的低風(fēng)速運(yùn)行。每級(jí)風(fēng)又分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種調(diào)節(jié)方式。

2 觸摸屏畫(huà)面的設(shè)計(jì)

2.1 觸摸屏組態(tài)軟件簡(jiǎn)介

WinCC Flexible是西門(mén)子公司工業(yè)全集成自動(dòng)化(TIA)的子產(chǎn)品，它是一款面向機(jī)器的自動(dòng)化概念的HMI軟件。WinCC Flexible用于組態(tài)用戶(hù)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(huà)面設(shè)計(jì)

依據(jù)控制要求，為使畫(huà)面美觀實(shí)用，設(shè)計(jì)了本裝置的觸摸屏組態(tài)畫(huà)面。由于學(xué)生人數(shù)較多，未設(shè)計(jì)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(shí)，畫(huà)面中風(fēng)機(jī)葉片開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，并可以選擇風(fēng)速和負(fù)載的手自動(dòng)投入方式。在風(fēng)速控制和負(fù)載選擇畫(huà)面，設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)各級(jí)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(duì)應(yīng)的燈點(diǎn)亮。

3 問(wèn)題及解決辦法

當(dāng)功率變送器測(cè)得的功率信號(hào)進(jìn)入PLC模擬量輸入通道時(shí)，由于受到控制柜中MM440變頻器的電磁干擾，功率信號(hào)不穩(wěn)定，跳動(dòng)較大，不符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。經(jīng)查閱資料，將傳輸功率信號(hào)的電纜換為屏蔽雙絞線，并將實(shí)驗(yàn)裝置中的各個(gè)元件接地情況進(jìn)行改良，使輸出值較原來(lái)穩(wěn)定，滿(mǎn)足了實(shí)驗(yàn)要求，也使問(wèn)題得以解決。

在計(jì)算機(jī)與觸摸屏通信時(shí)，出現(xiàn)計(jì)算機(jī)WinCC Flexible的組態(tài)畫(huà)面首次無(wú)法下載到觸摸屏中的情況。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，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(huà)面下載。

4 實(shí)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(guò)程，充分理解風(fēng)速及負(fù)荷變化時(shí)對(duì)功率曲線的影響。裝置使用時(shí)，在確認(rèn)控制柜面板上按鈕、開(kāi)關(guān)等處于初始狀態(tài)后，接通電源。充電/負(fù)載旋鈕開(kāi)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(dòng)，并通過(guò)物理連接帶動(dòng)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(guò)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(shí)驗(yàn)裝置中，使用者可將充電/負(fù)載旋鈕開(kāi)關(guān)旋至負(fù)載狀態(tài)，在任一級(jí)風(fēng)速等級(jí)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(hào)，在觸摸屏上觀察功率曲線變化特點(diǎn)。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(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)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(guò)高校專(zhuān)家審核，該裝置符合既定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅玫搅烁咝熒恼J(rèn)可和好評(píng)。在教學(xué)過(guò)程中，該實(shí)驗(yàn)裝置形象逼真地再現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)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(shí)踐共同教學(xué)的目的。

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