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　　隨著世界經(jīng)濟(jì)的深人發(fā)展和國(guó)際工業(yè)化進(jìn)程的加快，世界各國(guó)對(duì)能源的需求越來越大，能源消耗的速度繼續(xù)增長(zhǎng)，常規(guī)能源資源已經(jīng)面臨著枯竭。為了緩解能源危機(jī)，世界各國(guó)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(yù)為“藍(lán)天白煤”

　　的風(fēng)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(guó)的普遍重視。風(fēng)能利用的主要形式是風(fēng)力發(fā)電。目前從世界范圍來看，大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電已成為風(fēng)能利用的主要形式。為降低生產(chǎn)成本，提高風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益，世界各國(guó)不斷提篼風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量，國(guó)外現(xiàn)在投放市場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量主要為500kW我國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富，全國(guó)可開發(fā)利用的風(fēng)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(jìn)水平存在著較大的差距，大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自主生產(chǎn)能力較差，主要依靠國(guó)外進(jìn)口，風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)也是由國(guó)外設(shè)計(jì)制造的，造價(jià)較高�！熬盼濉逼陂g，我們承擔(dān)了600kW大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的研制攻關(guān)任務(wù)，針對(duì)失速并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，自行研制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)及裝置已在新疆達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)投入了運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。

　　在研制的過程中，我們充分考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)多運(yùn)行于自然環(huán)境較惡性且無人值守的條件下，對(duì)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(qiáng)，非常適合在惡劣的環(huán)境下工作。結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制要求及實(shí)際特點(diǎn)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)是機(jī)組正常運(yùn)行的核心，其控制技術(shù)是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組的安全與效率。因此，控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的“大腦”，是整個(gè)機(jī)組正常可靠運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主配電系統(tǒng)，主要完成發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)（包括無功功率補(bǔ)償裝置、軟并網(wǎng)控制裝置）、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電動(dòng)機(jī)、電磁閥等）與控制回路的連接。當(dāng)中心控制器PLC發(fā)出控制指令時(shí)，由主電路將發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)中的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接為強(qiáng)電控制回路并提供電源，電源等級(jí)較多（如交流690V、400V、220V、24V、直流24V），同時(shí)將反饋信號(hào)（如接觸器吸合、斷路器脫扣等反饋信號(hào)）送到中心控制PLC對(duì)接觸器、電動(dòng)機(jī)、供電電源等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

　　控制電路是由PLC中心控制器及其功能擴(kuò)展模塊組成。主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行控制、機(jī)組各部分的安全保護(hù)、故障檢測(cè)及處理、修改運(yùn)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(shí)現(xiàn)就地通訊和遠(yuǎn)程通訊等。

　　傳感器及通訊接口傳感器主要包括風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)、振動(dòng)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(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中的各種運(yùn)行參數(shù)，包括風(fēng)向、風(fēng)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(jī)組振動(dòng)、紐纜、發(fā)電機(jī)及其軸承溫度以及發(fā)電機(jī)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(jìn)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(jìn)行通訊，通過其液晶顯示屏顯示機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，通過其鍵盤操作來實(shí)現(xiàn)各種控制功能；PR0FIBUS通訊接口是與中央控制室PC機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)存放、記錄故障情況，也可以進(jìn)行人工偏航、復(fù)位、啟動(dòng)、停機(jī)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(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行控制（如自動(dòng)啟動(dòng)、停機(jī)等），通過通訊接口監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)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(hù)功能。因此，控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行控制、參數(shù)監(jiān)測(cè)及監(jiān)控以及安全保護(hù)及處理等三大功能。

　　正常的運(yùn)行控制包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動(dòng)起動(dòng)軟并網(wǎng)，大/小發(fā)電機(jī)自動(dòng)切換，發(fā)電機(jī)除濕加熱，機(jī)組自動(dòng)對(duì)風(fēng)，液壓系統(tǒng)自動(dòng)開停，齒輪油泵自動(dòng)開停、齒輪油加熱器、冷卻器啟停，機(jī)艙扭纜和自動(dòng)解纜，電容補(bǔ)償自動(dòng)分組投切以及負(fù)功率自動(dòng)停機(jī)。

　　參數(shù)監(jiān)測(cè)及監(jiān)控包括電網(wǎng)的三相電壓、頻率、發(fā)電機(jī)輸出、輸入電流（雙向監(jiān)測(cè)）、有功功率（雙向監(jiān)測(cè)）、無功功率、功率因數(shù)，風(fēng)速，風(fēng)向，葉輪轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)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(jī)繞組溫度，發(fā)電機(jī)前/后軸承溫度，控制柜溫度，機(jī)艙溫度、環(huán)境溫度�？刂破鞲鶕�(jù)傳感器提供的信號(hào)作出判斷，控制風(fēng)機(jī)可靠安全運(yùn)行。與就地操作員面板實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以詢風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況，顯示故障狀態(tài)，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)以及控制操作：手動(dòng)起/停、復(fù)位、手動(dòng)偏航；同時(shí)控制器配置接口進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控通訊，監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，收集風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)出的控制指令。

　　安全保護(hù)及處理系統(tǒng)分三層結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的安全鏈保護(hù)，器件本身的保護(hù)措施。器件本身的保護(hù)措施主要根據(jù)器件本身的特點(diǎn)，采取硬件保護(hù)措施，如線圈兩端加RC吸收回路等；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)故障種類判斷分別進(jìn)行報(bào)警、正常停機(jī)、安全停機(jī)以及緊急停機(jī)等處理，同時(shí)針對(duì)可自復(fù)位故障和不可自復(fù)位故障/實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組重新自動(dòng)啟動(dòng)或人工啟動(dòng)，達(dá)到保護(hù)機(jī)組安全和提篼機(jī)組可利用率的雙重功效；獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的安全鏈?zhǔn)窃跈C(jī)組發(fā)生超常故障、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)失控等故障時(shí)設(shè)計(jì)的硬件保護(hù)電路。

　　3硬件設(shè)計(jì)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(diǎn)：大范圍的各種功能模塊可以滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)；簡(jiǎn)單實(shí)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(shí)，模塊擴(kuò)展方便、靈活；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制信號(hào)主要有開關(guān)量輸入信號(hào)、開關(guān)量輸出信號(hào)、模擬量輸入信號(hào)（如溫度）、頻率信號(hào)（如轉(zhuǎn)速、風(fēng)速）等。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制要求及被控制信號(hào)的特點(diǎn)，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(chǔ)器，負(fù)載存儲(chǔ)器集成96KBRAM，最大可以擴(kuò)展512KB，MPI接口可以與0P7/DP操作面板進(jìn)行通訊；PROFIBUSDP接口實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程中央控制室PC機(jī)進(jìn)行通訊；FM350-2智能型計(jì)數(shù)模塊，8通道，用于通用計(jì)數(shù)和測(cè)量任務(wù)，可直接與24V增量編碼器和NAMUR編碼器連接，可實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量、速度測(cè)量、周期測(cè)量，并具有比較功能及對(duì)故障的中斷處理功能；CP通訊處理器模塊，RS485接口，可以實(shí)現(xiàn)PPI通訊。與電量變送器進(jìn)行通信，實(shí)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(cè)；0P7/DP鍵盤顯示及操作面板，液晶顯示屏4行20列，一個(gè)RS232通訊接口，可與PLC/計(jì)算機(jī)/打印機(jī)連接；一個(gè)RS485接口，可與PLC或計(jì)算機(jī)連接，128K字節(jié)，8個(gè)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(shí)中斷程序等。

　　主程序主要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行與安全保護(hù)進(jìn)行控制，包括調(diào)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動(dòng)或人工啟動(dòng)軟并網(wǎng)控制、停機(jī)、大/小電機(jī)切換控制、無功補(bǔ)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(cè)安全停機(jī)子程序緊急停機(jī)子程序自動(dòng)啟動(dòng)并網(wǎng)子程序人工啟動(dòng)并網(wǎng)子程序自動(dòng)偏航子程序順時(shí)針解纜子程序逆時(shí)針解纜子程序側(cè)風(fēng)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(jī)加熱子程序無功補(bǔ)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(dāng)硬件檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變化時(shí)（故障發(fā)生時(shí)），便執(zhí)行硬件中斷處理程序塊OB40.根據(jù)故障等級(jí)，在OB40中執(zhí)行正常停機(jī)、安全停機(jī)或緊急停機(jī)，從而保證故障的及時(shí)處理。

　　由于溫度信號(hào)是慢變信號(hào)，所以可以定時(shí)采集溫度值，在定時(shí)中斷程序中實(shí)現(xiàn)溫度的控制與監(jiān)測(cè)。

　　為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全、可靠運(yùn)行，安全保護(hù)環(huán)節(jié)在采用軟件保護(hù)的同時(shí)，還采取了硬件機(jī)械保護(hù)措施，當(dāng)機(jī)組發(fā)生超常故障或控制系統(tǒng)失效時(shí)，使風(fēng)電機(jī)組保持在安全狀態(tài)。

　　5.1軟件安全設(shè)1.容錯(cuò)性設(shè)計(jì)為了防止用戶誤操作引起風(fēng)力機(jī)誤動(dòng)作，在風(fēng)電機(jī)組的任何狀態(tài)下，非法的鍵盤及按鍵輸人都不被承認(rèn)。

　　2.軟件權(quán)限設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制軟件設(shè)有三層權(quán)限：（1）最低的用戶層權(quán)限供風(fēng)電場(chǎng)值班人員使用，允許詢風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)顯示、故障顯示、故障記錄、運(yùn)行累計(jì)值等，可以控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)起停及左右偏航等。

　�。�2）篼一級(jí)的維護(hù)層權(quán)限供維護(hù)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(hào)，且能手動(dòng)或自動(dòng)復(fù)歸。

　　2.1PLC實(shí)現(xiàn)的中央事故倍號(hào)裝置。2梯形圖和指令2.3PLC中央事故信號(hào)裝置工作原理如圖所示，該中央事故信號(hào)裝置是采用FX2-16的PLC構(gòu)成的。當(dāng)任意回路跳閘時(shí)，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(diǎn)按“不對(duì)應(yīng)原理”，就使X0輸入一個(gè)信號(hào)，根據(jù)PLC內(nèi)編制的程序，這時(shí)Y0有輸出，電笛鳴叫，10秒后就自動(dòng)復(fù)位，等待下一次報(bào)餐。

　　當(dāng)另一條回路又事故跳閘時(shí)，又有一信號(hào)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(bào)警。

　　該裝置中XI端接人一個(gè)常閉按鈕SB2作為手動(dòng)復(fù)歸報(bào)警裝置用的。

　　而SB1作為試驗(yàn)按鈕。

　　2.4PLC中央事故信號(hào)裝置特點(diǎn)由以上可以看出，PLC實(shí)現(xiàn)的中央事故信號(hào)裝置外部接線和設(shè)備很少，因此接線很簡(jiǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于繼電器控制。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，PLC控制將越來越多地用于生產(chǎn)和實(shí)踐的方方面面。