基于PLC的風力發電機組偏航控制系統設計

王娟平，杜靜，王秀麗

（1.山西電力職業技術學院，山西太原030021；2.山西大學，山西太原030006）

基于PLC的風力發電機組偏航控制系統設計

王娟平1，杜靜1，王秀麗2

（1.山西電力職業技術學院，山西太原030021；2.山西大學，山西太原030006）

在分析偏航控制系統的基本原理及控制系統結構圖的基礎上，以西門子S7-200 PLC作為主控單元，設計了偏航控制系統。該系統根據風場運動方向的改變，可以自動或手動控制被動對風，實現了對風過程可控，并給出了基于PLC的偏航控制系統的軟件設計結果。

風力發電；偏航控制系統；PLC

與傳統的火力發電和水力發電相比，風力發電在一次能源的來源和利用上有著本質的區別。風力的變化浮動大，風力資源的不確定性和無法改變性，使得在制造風力發電機時，只能讓葉輪主動或被動地去迎接風向，為了盡可能地提高風能利用率，這樣就出現了風力發電特有的偏航系統。

偏航系統是一個隨動系統，其主要作用有兩個：

一是，與風力發電機組的控制系統相互配合，使風力發電機組的風輪始終處于迎風狀態，充分利用風能，提高風力發電機組的發電效率；

二是，提供必要的鎖緊力矩，以保障風力發電機組的安全運行[1]。

本文針對側風偏航控制系統的軟件部分進行設計，以期實現小型風電機組利用尾舵被動迎風的順序控制過程。

1 偏航控制的基本原理

根據空氣動力學相關理論，葉輪從風源中吸收的功率可用下式表示：

式中：ρ為空氣密度；R為槳葉半徑；Cp為風能利用系數；ν是風速；θ是風向與風力機葉輪迎風面法線方向之間的夾角[2，3]，當θ=0時，葉輪從風源中吸收的功率最大。

風速風向傳感器將采集到的風速風向信號傳送至控制器，經控制器計算得出夾角θ的值。為使θ值趨近于零，控制器給偏航電機發出順時針或逆時針的轉動指令驅使偏航驅動機構動作，以此來調整短艙和葉輪的方位。通常，為了減少偏航時的陀螺力矩，調向電機轉速將通過減速器減速，再將偏航力矩作用于回轉體大齒輪，帶動風機葉輪偏航對風，對風完成后，控制器發出的偏航指令信號消失，驅動機構停止工作，偏航過程結束[4，5]。

2 偏航控制系統結構圖

偏航控制系統結構圖如圖1所示，通過風速風向傳感器把外界風力情況的模擬信號轉變成數字信號，與檢測元件中風輪軸向的信號進行比較；比較結果通過控制器驅動執行機構使風力機偏轉，直到兩信號角度差為零時停止轉動，由此構成一個閉環的風力發電偏航控制系統。控制器是用基于PLC程序控制的西門子S7-200CPU來實現控制。

圖1 偏航控制系統結構

3 偏航控制系統的程序設計

3.1 系統控制要求

在可變風場中，風力發電機利用尾舵實現被動偏航迎風，使風力發電機輸出最大電能。測速儀檢測風場的風量，當風場的風量超過安全值時，側風偏航機械傳動機構動作，使尾舵側風45°，風力發電機葉片轉速變慢。當風場的風量過大時，尾舵側風90°，風力發電機處于制動狀態。因此，系統控制要求設計如下：

（1）自動控制：將旋轉開關調至自動檔，偏航指示燈亮；按下自動啟動按鈕，風場默認順時針運動，相應的風場順時運動燈亮（當碰到限位開關時，停止3 s反轉），風機系統全自動運行，自動對風自動偏航，尾翼偏航偏到45°位置停止。

（2）手動控制：風場可以順時逆時運動，當碰到限位開關時，停止3 s反轉。按下側風偏航按鈕，尾翼偏轉到45°位置，再按下自動狀態啟動按鈕，尾翼偏轉到90°，按下恢復按鈕，尾翼恢復到初始位置（0°位置）。當按下停止按鈕時程序停止。

3.2 輸入輸出配置表

輸入輸出地址分配表如表1所示。根據實驗模型的控制裝置以及結構模型，需要十四個輸入、十個輸出以及CPU工作電源。結合CPU224的輸入輸出端口數以及模型的接線設置將地址表統一配置如表1所示，為實驗的仿真調試提供便利。

表1 S7-200 C P U224輸入輸出地址分配表

3.3 PLC程序流程圖

PLC程序流程圖是結合控制要求以及編程思路繪制而成的程序流程框圖，如圖2所示，主要包括程序的初始化，自動運行程序和手動運行程序。首先，對程序進行初始化；然后選擇手/自動運行方式。自動運行時風場默認順時針運動，碰到限位要停3 s后再反轉，偏航只能到達45°.手動運行時可以隨時通過順（逆）時按鈕來改變風場的運動方向，也可以在不按按鈕的情況下循環往復運動；按下偏航恢復按鈕可使尾舵旋轉恢復到初始位置；當偏航到達45°限位時按下啟動按鈕可以偏航到90°.

圖2 程序流程

3.4 PLC程序設計

本設計中控制程序的編寫采用梯形圖語言，簡單、易懂。網絡1至網絡18為手/自動運行程序。如圖3到圖18所示。

圖3 自動運行下啟動按鈕控制風場順時運動程序

圖4 手動運行時順時按鈕控制風場順時運動程序

圖5 手自動運行控制風場順時運動電機繼電器線圈

圖6 順時到位，停3s控制程序及順時按鈕指示燈程序

圖7 手動運行逆時按鈕控制風場逆時運動程序

圖8 手動逆時以及碰及順時限位后控制風場逆時運動電機繼電器線圈及逆時按鈕指示燈程序

圖9 逆時到位，停3s控制程序

圖10 自動運行下側風偏航控制程序

圖11 手動運行下側風偏航按鈕控制程序

圖12 手動運行下偏航到90°控制程序

圖13 手自動下控制側風偏航電機繼電器線圈程序

圖14 偏航指示燈控制程序

圖15 手動運行時偏航恢復按鈕控制偏航恢復電機繼電器線圈及恢復指示燈程序

圖16 啟動按鈕指示燈控制程序

圖17 停止按鈕控制程序

圖18 停止按鈕指示燈控制程序

4 系統仿真

PLC程序仿真是在仿真軟件下對軟件程序是否滿足系統控制要求做的一個模擬演示。仿真過程如下：

（1）打開仿真軟件，在配置中設置CPU型號為224，出現圖19輸入輸出端口模型。

圖19 C P U224輸入輸出端口模型

（2）載入程序，啟動并打到自動檔。

從編程軟件中導出程序并載入仿真軟件；單擊運行指示圖標，啟動程序；將旋轉開關自動檔（I0.0）打到自動狀態；按下自動啟動按鈕（I0.1），啟動按鈕指示燈（Q0.0）、順時按鈕指示燈（Q0.1）、側風偏航指示燈（Q0.3）亮，風場順時運動繼電器線圈（Q0.6）和側風偏航啟動繼電器線圈（Q1.0）得電。仿真過程如圖20所示。

圖20 自動運行程序仿真

（3）自動狀態下偏航45°到位，相應指示燈滅。仿真過程如圖21所示。

圖21 自動偏航45°到位狀態

（4）手動狀態下風場啟動。

手動狀態下，按下順時按鈕（I0.3），順時指示燈（Q0.1）亮，順時線圈繼電器（Q0.6）得電；同理，按下逆時按鈕（I0.4），逆時指示燈（Q0.2）亮，逆時線圈繼電器（Q0.7）得電。仿真過程如圖22所示。

圖22 手動風場順時起動仿真

（5）手動狀態側風偏航45°到位（與自動時一樣）。

（6）手動下45°到位后再按下自動啟動按鈕。

手動時，45°偏航到位，再按下自動啟動按鈕（I0.1），側風偏航繼續啟動，等到偏航90°到位（I1.3）時停止。仿真過程如圖23所示。

圖23 手動90°偏航過程仿真

（7）手動狀態下偏航恢復。

手動時，按下恢復按鈕（I0.6），恢復指示燈（Q0.4）亮，偏航恢復繼電器線圈（Q1.1）得電。恢復到位（I1.1）相應輸出指示滅。仿真過程如圖24所示。

圖24 手動運行偏航恢復仿真

5 結束語

以PLC作為主控單元的側風偏航控制系統，結構簡單、配置靈活、且有良好的軟啟動性能及帶負載能力，仿真實驗顯示該系統無論是動態性能還是穩態性能均能滿足風力發電機組的偏航控制要求，為最大限度將風力資源轉換為電能，緩解不可再生資源日益短缺，且環境問題日益惡化的現狀有著非常深遠的意義。

[1]馬小英.MW級雙饋風電機組偏航控制系統的優化及仿真[D].蘭州：蘭州理工大學碩士學位論文，2010.

[2]孫同景．200 kW風力發電機控制系統研究[J].太陽能學報，1998，19（2）：48-53．

[3]丁祥.兆瓦級風電機組自動偏航系統優化設計與應用[J].電氣應用，2015，34（19）：94-97.

[4]魏列江.中小型風力機偏航控制系統設計[J].西華大學學報（自然科學版），2011，30（2）：75-77.

[5]沈小軍.大型風力發電機偏航系統控制策略研究現狀及展望[J].電工技術學報，2015，5（30）：196-203.PLC Wind Turbine Yaw Control System Design

WANG Juan-ping1，DU Jing1，WANG Xiu-li2
（1.Shanxi Electric Power Vocational and Technical College，Taiyuan Shanxi 030021，China；2.Shanxi University，Taiyuan Shanxi030006，China）

This paper introduces the basic principle and control system structure chart of wind turbine yaw control system. And this control system is based on the use of single -chip PLC S7 -200 as the main control unit. According to the wind direction change，the wind turbine yaw control system can automatically or manually controlled passively to the wind，to achieve the control process of the wind. Paper presents the yaw control system software design based on PLC.

wind turbine；yaw control system；PLC

T N762

A

1672-545X（2016）09-0046-05

2016-06-26

王娟平（1979-），女，山西平陸人，講師，碩士，主要從事電氣控制技術教學及研究。