風電控制系統設計探討

吳春琦，王世光，林盛昌

（南通理工學院，江蘇 南通 226002）

近年來，我國西北部如甘肅、新疆南部等地區，新建成的風電場棄風現象嚴重。通過調研數據顯示，發現主要原因在于我國西北部地區是處于歐亞大陸中部，空氣中的濕度不足，非常干燥，造成土壤嚴重沙化，空氣中沙顆粒的含量過高。當風力發電機運行時，葉片會受到流動空氣中沙顆粒影響，磨損的程度遠超設計預期值。這一情況導致很多設計壽命為20 年左右的風力發電機在經歷了短短3 ～4 年的使用后，葉片就面臨報廢的處境。由于風力發電機的使用壽命減短，導致許多投資方的收益無法補足投入項目的成本，于是很多投資方紛紛從風電場撤資，造成了目前所面臨的風電場棄風率過高的局面。鑒于這樣的需要，設計出一種新型的風電控制系統。

1 PLC 控制要求

（1）當按下啟動按鈕后，風向風速儀與沙通量傳感器得電，開始對風力發電機所處的環境進行判斷。

（2）當風速小于3m/s 或大于40m/s 時，發電機不進行工作，風速未達標警示燈閃爍，系統停止運行。

（3）當風速處于3 ～40m/s 時，風速達標指示燈亮。

風速條件滿足后，對風向進行判斷。當風向與葉片平面夾角在啟動時大于15°時，風向未達標警示燈閃爍，系統停止運行。此時由偏航齒圈進行動作，使葉片平面與風向夾角處于-15°～+15°，警示燈消失，風向指示燈亮，進入下一步判斷。

（4）在風向完成判斷后，對沙通量進行判斷，當沙通量傳感器每秒受沖擊次數超過5 次/s 時，沙通量未達標警示燈閃爍，系統停止運行。當沙通量傳感器每秒受沖擊次數小于等于5 次/s 時，沙通量達標指示燈亮。當所有達標指示燈亮起時，發電機開始工作。

（5）當按下急停按鈕后，整個系統停止運行，發電機停止工作，風輪鎖插入輪盤，鎖死風力發電機。

2 PLC 軟件部分設計

主要進行本次設計中需要用到的PLC 輸入輸出端口分配表整理，PLC 的外部接線圖繪制，PLC 程序流程圖的繪制以及最終的PLC 程序概述。

2.1 PLC 的I/O 分配表

在本設計中，通過PLC 的輸入量一共有五種，分別是控制整個系統啟動的啟動按鈕SB1；控制整個系統停止的停止按鈕SB2；風速風向儀中的風速傳感器輸出信號Sign1 和風向傳感器輸出信號Sign2；沙通量傳感器輸出信號Sign3。通過PLC 的輸出量一共有七種，分別是風速達標指示燈H1、風向達標指示燈H2、沙通量達標指示燈H3、風速未達標警示燈H4、風向未達標警示燈H5、沙通量未達標警示燈H6 和發電機。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 接線圖

PLC 的I/O 接線圖如圖1 所示。左側為FX2N-32MR 的主機，我們需要用到5 個輸入端口、7 個輸出端口；右側為PLC 的AD 轉換模塊，通過物理端口，使模塊與PLC 主機進行連接。PLC 的AD 轉換模塊能夠接收到風速風向儀與沙通量傳感器傳來的模擬量信號信息，將模擬量信號轉換成數字信號，完成對風速強弱、風向和風力發電機葉片夾角大小與沙通量多少的判斷。

2.3 PLC 程序圖的設計

圖1 PLC 的I/O 接線圖

使用M0 信號啟動M11 信號，利用M11 信號與M0 信號完成自鎖，并在程序中加入M12 與M13 兩個常閉信號，當完成自鎖并處于通路時，發電機完成啟動。利用M11 信號常動，去讀取風速風向傳感器輸出的處于K30 棧中的模擬量信號。 第6 行的程序是用來進行讀取的操作。如果上一步讀取失敗，則M10 信號得電，無法進行下一步動作，程序如圖2 所示。

圖2 程序圖

按動啟動按鈕X1，啟動信號M0，利用M0 信號完成自鎖，并在程序中加入急停按鈕X2 的常閉信號，使按下急停按鈕后系統可以通過斷開常信號M0 來立即停止工作。通過M0 的常信號去啟動對比，對比完成后啟動信號M1，利用自鎖，使信號M1 成為長信號，若對比失敗，則風速傳感器信號X3不得電，使風速未達標警示燈閃爍。用M10 信號啟動信號M11，并完成自鎖。當完成自鎖并處于通路時，發電機完成啟動，如圖3 所示。

圖3 程序圖

利用M8002 信號去進行模塊的初始化，擦除上一次操作在緩沖存儲器中儲存的數據。利用M11 信號常動，去讀取沙通量傳感器輸出的處于K30 棧中的模擬量信號。第82 行的程序是用來進行讀取的操作。如果上一步讀取失敗，則M100信號得電，無法進行下一步動作，程序如圖4。

圖4 程序圖

M0 與M1 信號常動后，檢查風向傳感器所傳回數值與設定值的對比結果，如果啟動風向與葉片平面夾角處于設定值以內，則風向傳感器信號X4 得電，風向達標指示燈Y1 常亮，若不符合，則風向未達標警示燈亮，程序如128 行所示。在信號M2 常動后，檢查沙通量傳感器所傳回的數值與設定值的對比結果。如果沙通量傳感器所傳回的數值小于等于5 次/S，則沙通量傳感器的信號X5 得電，沙通量達標指示燈H3 亮，若未達標，則X5 不得電，沙通量未達標警示燈亮。若所有條件均滿足，則利用最后完成的沙通量檢測所得到的常信號M3 進行發電機的運轉，第四段程序如圖5 所示。

圖5 程序圖

3 結語

通過對PLC 控制程序的I/O 分配、I/O 接線、程序流程圖與PLC 程序圖進行了設計，并在最后對PLC 控制程序進行了調試，滿足其控制要求。