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隨著世界經(jīng)濟的深人發(fā)展和國際工業(yè)化進程的加快，世界各國對能源的需求越來越大，能源消耗的速度繼續(xù)增長，常規(guī)能源資源已經(jīng)面臨著枯竭。為了緩解能源危機，世界各國政府和科研人員相繼開展了可再生能源的開發(fā)利用研究。被譽為“藍天白煤” 的風能作為一種取之不盡、清潔無污染、具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源，受到世界各國的普遍重視。風能利用的主要形式是風力發(fā)電。目前從世界范圍來看，大中型風力發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電已成為風能利用的主要形式。為降低生產(chǎn)成本，提高風力發(fā)電的經(jīng)濟效益，世界各國不斷提篼風力發(fā)電機組的單機容量，國外現(xiàn)在投放市場的風力發(fā)電機組單機容量主要為500kW我國的風能資源十分豐富，全國可開發(fā)利用的風能資源總量約為2.53億千瓦。但在鳳能利用與開發(fā)方面，與世界先進水平存在著較大的差距，大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組的自主生產(chǎn)能力較差，主要依靠國外進口，風電機組的控制系統(tǒng)也是由國外設(shè)計制造的，造價較高。“九五”期間，我們承擔了600kW大型風力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)的研制攻關(guān)任務(wù)，針對失速并網(wǎng)型風力發(fā)電機組，自行研制的風力發(fā)電機控制系統(tǒng)及裝置已在新疆達坂城風電場投入了運行，運行情況良好。 在研制的過程中，我們充分考慮到風力發(fā)電機多運行于自然環(huán)境較惡性且無人值守的條件下，對控制的可靠性和安全性要求較高。由于可編程序控制器（PLC）廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，可靠性高，抗干擾能力強，非常適合在惡劣的環(huán)境下工作。結(jié)合風力發(fā)電機的控制要求及實際特點，我們選拔了西門子的S7-300可編程序控制器（PLC）作為中心控制器。 2系統(tǒng)組成與功能風力發(fā)電機控制系統(tǒng)是機組正常運行的核心，其控制技術(shù)是風電機組的關(guān)鍵技術(shù)之一，與風力發(fā)電機組的其他部分密切相關(guān)，其精確的控制、完善的功能將直接影響機組的安全與效率。因此，控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機組運行的“大腦”，是整個機組正�？煽窟\行以及實現(xiàn)最佳運行的可靠保證�？刂葡到y(tǒng)的組成主要包括：主電路、控制電路、傳感器及其通訊接口。 2.1系統(tǒng)組成主電路是風力發(fā)電機組的主配電系統(tǒng)，主要完成發(fā)電機與電網(wǎng)（包括無功功率補償裝置、軟并網(wǎng)控制裝置）、各執(zhí)行機構(gòu)（如電動機、電磁閥等）與控制回路的連接。當中心控制器PLC發(fā)出控制指令時，由主電路將發(fā)電機、風機中的各執(zhí)行機構(gòu)連接為強電控制回路并提供電源，電源等級較多（如交流690V、400V、220V、24V、直流24V），同時將反饋信號（如接觸器吸合、斷路器脫扣等反饋信號）送到中心控制PLC對接觸器、電動機、供電電源等執(zhí)行機構(gòu)進行狀態(tài)監(jiān)測。 控制電路是由PLC中心控制器及其功能擴展模塊組成。主要實現(xiàn)風力發(fā)電機正常運行控制、機組各部分的安全保護、故障檢測及處理、修改運行參數(shù)、數(shù)據(jù)記錄顯示以及人工操作，配置的通訊接口實現(xiàn)就地通訊和遠程通訊等。 傳感器及通訊接口傳感器主要包括風速儀、風向標、振動加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、偏航位置傳感器、壓力開關(guān)、紐纜開關(guān)等，用于采集和監(jiān)測風力發(fā)電機在運行過程中的各種運行參數(shù)，包括風向、風速、液壓系統(tǒng)壓力、葉尖壓力、液壓油位、齒輪油壓力、齒輪油位及齒輪油溫度、剎車磨損、機組振動、紐纜、發(fā)電機及其軸承溫度以及發(fā)電機和葉輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通訊接口包括CP通訊處理器（RS485）、CPU配置的MPI和PR0FIBUS通訊接口。CP通訊處理器（RS485）與電量采集模塊進行通訊采集電網(wǎng)參數(shù)；CPU配置的MPI通訊接口與操作員面板進行通訊，通過其液晶顯示屏顯示機組運行狀態(tài)及運行參數(shù)，通過其鍵盤操作來實現(xiàn)各種控制功能；PR0FIBUS通訊接口是與中央控制室PC機進行遠程通訊，實時監(jiān)測風電機組的運行狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)、累計數(shù)據(jù)存放、記錄故障情況，也可以進行人工偏航、復位、啟動、停機等操作�？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如所示。 2.2系統(tǒng)功能控制系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)風電機組正常運行控制（如自動啟動、停機等），通過通訊接口監(jiān)測風電機組運行狀況（如電網(wǎng)參數(shù)、溫度等變化情況），而且還需具備安全保護功能。因此，控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)正常運行控制、參數(shù)監(jiān)測及監(jiān)控以及安全保護及處理等三大功能。 正常的運行控制包括風力發(fā)電機自動起動軟并網(wǎng)，大/小發(fā)電機自動切換，發(fā)電機除濕加熱，機組自動對風，液壓系統(tǒng)自動開停，齒輪油泵自動開停、齒輪油加熱器、冷卻器啟停，機艙扭纜和自動解纜，電容補償自動分組投切以及負功率自動停機。 參數(shù)監(jiān)測及監(jiān)控包括電網(wǎng)的三相電壓、頻率、發(fā)電機輸出、輸入電流（雙向監(jiān)測）、有功功率（雙向監(jiān)測）、無功功率、功率因數(shù)，風速，風向，葉輪轉(zhuǎn)速，發(fā)電機轉(zhuǎn)速，液壓系統(tǒng)狀況，偏航系統(tǒng)狀況，軟并網(wǎng)等環(huán)節(jié)工作狀況，齒輪油溫度，大/小發(fā)電機繞組溫度，發(fā)電機前/后軸承溫度，控制柜溫度，機艙溫度、環(huán)境溫度�？刂破鞲鶕�(jù)傳感器提供的信號作出判斷，控制風機可靠安全運行。與就地操作員面板實現(xiàn)人機交互，可以詢風電機組運行狀況，顯示故障狀態(tài)，設(shè)置運行參數(shù)以及控制操作：手動起/停、復位、手動偏航；同時控制器配置接口進行遠程監(jiān)控通訊，監(jiān)測運行狀態(tài)和故障情況，收集風機運行數(shù)據(jù)，對風機發(fā)出的控制指令。 安全保護及處理系統(tǒng)分三層結(jié)構(gòu)：計算機系統(tǒng)，獨立于計算機的安全鏈保護，器件本身的保護措施。器件本身的保護措施主要根據(jù)器件本身的特點，采取硬件保護措施，如線圈兩端加RC吸收回路等；計算機系統(tǒng)是對風電機組運行過程中出現(xiàn)的故障進行檢測，根據(jù)故障種類判斷分別進行報警、正常停機、安全停機以及緊急停機等處理，同時針對可自復位故障和不可自復位故障/實現(xiàn)風電機組重新自動啟動或人工啟動，達到保護機組安全和提篼機組可利用率的雙重功效；獨立于計算機的安全鏈是在機組發(fā)生超常故障、計算機系統(tǒng)失控等故障時設(shè)計的硬件保護電路。 3硬件設(shè)計S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，但能滿足中等性能的要求，主要具有以下特點：大范圍的各種功能模塊可以滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)；簡單實用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力；控制靈活，可靠性篼，方便用戶；控制任務(wù)增加時，模塊擴展方便、靈活；風力發(fā)電機的控制信號主要有開關(guān)量輸入信號、開關(guān)量輸出信號、模擬量輸入信號（如溫度）、頻率信號（如轉(zhuǎn)速、風速）等。根據(jù)風力發(fā)電機的控制要求及被控制信號的特點，并充分利用S7-300的資源，S7-300可編程序控制器配置如下：電源；CPU315-2DP，64KB工作存儲器，負載存儲器集成96KBRAM，最大可以擴展512KB，MPI接口可以與0P7/DP操作面板進行通訊；PROFIBUSDP接口實現(xiàn)與遠程中央控制室PC機進行通訊；FM350-2智能型計數(shù)模塊，8通道，用于通用計數(shù)和測量任務(wù)，可直接與24V增量編碼器和NAMUR編碼器連接，可實現(xiàn)頻率測量、速度測量、周期測量，并具有比較功能及對故障的中斷處理功能；CP通訊處理器模塊，RS485接口，可以實現(xiàn)PPI通訊。與電量變送器進行通信，實現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)（包括三相電壓、三相電流、有功可編程序控制器應(yīng)用bookmark6功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)等）的檢測；0P7/DP鍵盤顯示及操作面板，液晶顯示屏4行20列，一個RS232通訊接口，可與PLC/計算機/打印機連接；一個RS485接口，可與PLC或計算機連接，128K字節(jié)，8個功能鍵（F1-F4，K1 ~K4）均能被組態(tài)，完成不同的控制功能。 程序的編制采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、事件處理子程序、硬件中斷程序、定時中斷程序等。 主程序主要對風力發(fā)電機的正常運行與安全保護進行控制，包括調(diào)用風力發(fā)電機自動或人工啟動軟并網(wǎng)控制、停機、大/小電機切換控制、無功補償電容投人等子程序。其程序框圖如所示。 4.2事件處理子程序bookmark9檢系統(tǒng)壓力建壓通訊處理子程序參數(shù)初始化通訊連接電網(wǎng)參ft檢測安全停機子程序緊急停機子程序自動啟動并網(wǎng)子程序人工啟動并網(wǎng)子程序自動偏航子程序順時針解纜子程序逆時針解纜子程序側(cè)風90度子程序齒輪油泵控制子程序液壓油泵控制子程序齒輪油加熱子程序齒輪油冷卻子程序發(fā)電機加熱子程序無功補償子程序4.3硬件中斷程序選用了具有中斷能力的數(shù)字量輸人模板，當硬件檢測到現(xiàn)場信號變化時（故障發(fā)生時），便執(zhí)行硬件中斷處理程序塊OB40.根據(jù)故障等級，在OB40中執(zhí)行正常停機、安全停機或緊急停機，從而保證故障的及時處理。 由于溫度信號是慢變信號，所以可以定時采集溫度值，在定時中斷程序中實現(xiàn)溫度的控制與監(jiān)測。 為了保證風力發(fā)電機安全、可靠運行，安全保護環(huán)節(jié)在采用軟件保護的同時，還采取了硬件機械保護措施，當機組發(fā)生超常故障或控制系統(tǒng)失效時，使風電機組保持在安全狀態(tài)。 5.1軟件安全設(shè)1.容錯性設(shè)計為了防止用戶誤操作引起風力機誤動作，在風電機組的任何狀態(tài)下，非法的鍵盤及按鍵輸人都不被承認。 2.軟件權(quán)限設(shè)計風力發(fā)電機控制軟件設(shè)有三層權(quán)限：（1）最低的用戶層權(quán)限供風電場值班人員使用，允許詢風電機組的狀態(tài)顯示、故障顯示、故障記錄、運行累計值等，可以控制的風力發(fā)電機起停及左右偏航等。 �。�2）篼一級的維護層權(quán)限供維護人員使用，需要輸入密碼。它除了具有用戶層的權(quán)限外，還可（下轉(zhuǎn)第73頁）表示事故跳閘的具體指示信號，且能手動或自動復歸。 2.1PLC實現(xiàn)的中央事故倍號裝置。2梯形圖和指令2.3PLC中央事故信號裝置工作原理如圖所示，該中央事故信號裝置是采用FX2-16的PLC構(gòu)成的。當任意回路跳閘時，由于該回路中的SA控制轉(zhuǎn)換開關(guān)和斷路器的輔助觸點按“不對應(yīng)原理”，就使X0輸入一個信號，根據(jù)PLC內(nèi)編制的程序，這時Y0有輸出，電笛鳴叫，10秒后就自動復位，等待下一次報餐。 當另一條回路又事故跳閘時，又有一信號輸入X0，則同樣經(jīng)過上升沿回路觸發(fā)，使Y0再一次有輸入并報警。 該裝置中XI端接人一個常閉按鈕SB2作為手動復歸報警裝置用的。 而SB1作為試驗按鈕。 2.4PLC中央事故信號裝置特點由以上可以看出，PLC實現(xiàn)的中央事故信號裝置外部接線和設(shè)備很少，因此接線很簡單；用程序控制代替了繼電器控制，因此可靠性非常篼，而且更改非常靈活方便；節(jié)省了許多繼電器，耗電非常少；3結(jié)束語通過上面兩種方法的比較，我們很明顯發(fā)現(xiàn)了PLC控制遠遠優(yōu)于繼電器控制。隨著技術(shù)不斷進步，PLC控制將越來越多地用于生產(chǎn)和實踐的方方面面。
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