風力發電模擬實驗裝置設計

張 儒 陳志軍

(新疆大學電氣工程學院，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、環境惡化等問題的不斷出現，可再生能源的開發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，風能的社會效益和環境效益已經得到了人們的普遍認可，利用前景十分廣闊[1]。

新疆作為全國四大優良風場之一，擁有非常豐富的風能資源。本文設計了實驗室條件下的風力發電模擬實驗裝置，幫助學生生動形象地掌握風力發電相關知識。該裝置采用PLC控制變頻器輸出頻率，從而驅動電動機帶動風機運行。風機發出的電能可供負載使用或存儲在蓄電池中，同時在觸摸屏上顯示風機的功率變化曲線。

1 系統的軟硬件設計

1.1 硬件組成及通信

風力發電的原理是利用風能帶動風輪葉片旋轉，低速轉動的風輪通過傳動系統由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發電機發電[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，電機用來模擬來自風的動能，帶動風機轉動產生電能。

電能可作用于負載，實驗裝置以51 Ω電阻為負載，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載狀態下總是接入的，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。風機發出的電能也可對蓄電池進行充電。該電能先經過充電控制器，將三相電處理為直流電，再為蓄電池充電。

根據PLC在可靠性、實時性、通信能力和性價比等方面的優點，選用了西門子公司的200系列PLC作為實驗系統的控制器，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作為補充的數字量模塊。S7-200系列PLC適用于各種場合中的檢測、監測及控制，其強大的功能使其無論是獨立運行或在相連成的網絡中皆能實現復雜的控制功能，具有很高的性價比[5]。在程序下載和調試過程中，采用PPI電纜與裝有Step7-Micro/WIN V4.0軟件的計算機進行通信。下載調試完成后，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，實現對PLC的控制。

實驗系統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、打印機等)。觸摸屏與計算機之間可以通過PPI通信線連接，也可以通過以太網通信(TP277集成有以太網卡)。

變頻器采用西門子B型MM440變頻器，功率為2.2 kW。系統設計了七級風速，分別對應變頻器的七段頻率。

實驗系統的硬件還包括：功率為1.5 kW的電動機、風力發電機、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 系統軟件設計

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，即處于蓄電池充電或風機發電狀態(默認為充電狀態)。選擇發電狀態時，可以選擇風的級數和投入負載的個數，兩者均需判斷手自動方式，進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行自動控制，并通過觸摸屏的風機功率曲線觀察其控制效果。

根據控制流程圖，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，當風速為4、5、6級時，7號端口為1。

程序設計的原則為高風速中斷低風速，高風速停止時，轉入被中斷的低風速運行。每級風又分為手動和自動兩種調節方式。

2 觸摸屏畫面的設計

2.1 觸摸屏組態軟件簡介

WinCC Flexible是西門子公司工業全集成自動化(TIA)的子產品，它是一款面向機器的自動化概念的HMI軟件。WinCC Flexible用于組態用戶界面，以操作和監視機器與設備，并提供了面向解決方案概念組態任務的支持[3]。

2.2 組態畫面設計

依據控制要求，為使畫面美觀實用，設計了本裝置的觸摸屏組態畫面。由于學生人數較多，未設計登錄界面而直接進入歡迎界面。當系統進入發電狀態時，畫面中風機葉片開始旋轉，并可以選擇風速和負載的手自動投入方式。在風速控制和負載選擇畫面，設計了風機各級風速控制按鈕和負載投入選擇按鈕。這些按鈕按下后，對應的燈點亮。

3 問題及解決辦法

當功率變送器測得的功率信號進入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，功率信號不穩定，跳動較大，不符合實驗設計的要求。經查閱資料，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行改良，使輸出值較原來穩定，滿足了實驗要求，也使問題得以解決。

在計算機與觸摸屏通信時，出現計算機WinCC Flexible的組態畫面首次無法下載到觸摸屏中的情況。經反復試驗，進行OS更新，即將觸摸屏中的操作系統與裝有WinCC Flexible軟件的上位機保持一致，使用者方可進行組態畫面下載。

4 實際應用

本裝置的應用可使學生了解潔凈能源的利用過程，充分理解風速及負荷變化時對功率曲線的影響。裝置使用時，在確認控制柜面板上按鈕、開關等處于初始狀態后，接通電源。充電/負載旋鈕開關的初始狀態為蓄電池充電。調節風速按鈕，電機在預設速度下轉動，并通過物理連接帶動風機，產生的電能經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過逆變器處理，即可成為日常生產生活用電。風機發出的電能除了可以給蓄電池充電外，也可直接帶負載工作。

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

5 結束語

本實驗裝置原理清晰、可操作性強、控制準確，并可以拓展學習，如增加上位組態等。安裝調試后，通過高校專家審核，該裝置符合既定的實驗目的和要求，得到了高校師生的認可和好評。在教學過程中，該實驗裝置形象逼真地再現了風力發電現場的實際情況，豐富了老師的理論教學;學生反映良好，學習效果明顯提高，達到了理論與實踐共同教學的目的。

[1]王海云，王維慶，朱新湘.風力發電基礎[M].重慶：重慶大學出版社，2010.

[2]馬孔紅.S7-300PLC和MM440變頻器的原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]廖常初.西門子人機界面(觸摸屏)組態與應用技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4]龍迅，柴建云.基于組態軟件的風電場遠程監控系統的研發[J].能源與環境，2007(2)：76 －78.

[5]廖常初.S7-200 PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2007.

[6]吉順平，孫承志，路明.西門子PLC與工業網絡技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[7]賈要勤.風力發電實驗用模擬風力機[J].太陽能學報，2004，25(6)：736－739.