本實用新型涉及可再生能源技術(shù)的風(fēng)能與動力工程教學(xué)領(lǐng)域，具體為風(fēng)電機組運行控制教學(xué)模擬裝置。

背景技術(shù)：

隨著當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，配合行業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)需求，高等院校風(fēng)力發(fā)電相關(guān)專業(yè)應(yīng)運而生，其專業(yè)教學(xué)大部分采用教師單純講授與工廠參觀的形式，學(xué)生無法進行主動學(xué)習(xí)，尤其對風(fēng)電機組運行特性和監(jiān)控的相關(guān)知識理解不深刻。而真正的風(fēng)力發(fā)電機組造價昂貴、體積巨大、機組控制策略復(fù)雜難懂，難以將實際的風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)用到普通高校教學(xué)中來。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了滿足教學(xué)需要，克服當(dāng)前教學(xué)方法的缺陷，本實用新型提供一種風(fēng)電機組運行控制教學(xué)模擬裝置，通過設(shè)計好的各模塊，模擬了實際的風(fēng)力發(fā)電機組的自動運行控制系統(tǒng)。

本實用新型解決技術(shù)問題所采用的方案是：

風(fēng)電機組運行控制教學(xué)模擬裝置，包括PLC控制器模塊、工具箱、電源模塊、實驗面板區(qū)域、風(fēng)輪特性模塊、風(fēng)電機組模型；所述的PLC控制器模塊通過連接線分別與實驗面板區(qū)域、風(fēng)輪特性模塊、風(fēng)電機組模型連接；電源模塊分別為PLC控制器模塊、實驗面板區(qū)域、風(fēng)輪特性模塊提供電源。

PLC控制器模塊，包括輸入端口、輸出端口、液晶屏、RS232接口，通過RS232接口與計算機連接。

實驗面板區(qū)包括啟動條件模擬區(qū)、運行狀態(tài)模擬區(qū)、安全系統(tǒng)模擬區(qū)、模擬信號輸入?yún)^(qū)、故障報警模擬區(qū)、變槳動作模擬區(qū)、偏航動作模擬區(qū)組成；

啟動條件模擬區(qū)采用6個并聯(lián)的開關(guān)與PLC控制器模塊的輸入端口連接，分別模擬葉片位置、偏航、閘位、變流器、液壓準(zhǔn)備和變距機構(gòu)這六個啟動條件；

運行狀態(tài)模擬區(qū)采用4個并聯(lián)的開關(guān)與PLC控制器模塊的輸出端口連接，分別模擬待機、開機、并網(wǎng)、停機這四個運行狀態(tài)；還包括復(fù)位按鈕和手/自動并網(wǎng)切換開關(guān)，與PLC控制器模塊的輸入端口連接；

安全系統(tǒng)模擬區(qū)采用6個串聯(lián)的開關(guān)，分別模擬發(fā)電機過載、控制器失步、急停、風(fēng)輪超速、過振和發(fā)電機超速這六個安全問題，從而模擬實際風(fēng)電機組的緊急安全鏈；

模擬信號輸入?yún)^(qū)有兩個旋鈕，分別模擬風(fēng)速和風(fēng)向；風(fēng)速由一個模擬輸入信號來模擬風(fēng)速大小，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為風(fēng)速大小，PLC程序會根據(jù)模擬輸入風(fēng)速的大小，改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速，并顯示在液晶屏上；風(fēng)向由一個模擬輸入信號來模擬發(fā)電機轉(zhuǎn)速大小，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為風(fēng)向大??；

故障報警模擬區(qū)采用6個并聯(lián)的開關(guān)與PLC控制器模塊的輸入端口連接，分別模擬偏航系統(tǒng)故障、液壓系統(tǒng)故障、變距系統(tǒng)故障、電氣保護故障和變流器故障這六個常見故障；

變槳動作模擬區(qū)采用變槳電機與PLC控制器模塊輸出端口連接，通過調(diào)節(jié)順時針變槳旋鈕和逆時針變槳旋鈕來模擬正變槳動作和負變槳動作；變槳角度由一個模擬輸入信號來模擬，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為變槳角度；

偏航動作模擬區(qū)采用偏航電機與PLC控制器模塊輸出端口連接，通過調(diào)節(jié)順時針偏航旋鈕和逆時針偏航旋鈕來模擬正偏航動作和負偏航動作；偏航角度由一個模擬輸入信號來模擬，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為偏航角度；

還包括安全繼電器，負責(zé)模擬機組故障時的緊急關(guān)機過程；并聯(lián)的開關(guān)應(yīng)由接入PLC控制器模塊的輸入端口，串聯(lián)的安全鏈開關(guān)接入PLC控制器模塊輸入端口。

風(fēng)電機組運行控制教學(xué)模擬裝置的模擬方法，包括以下a～h步驟：

a、設(shè)計控制策略

設(shè)置好PLC控制器模塊各輸入輸出端口的控制量；

b、開機功能的模擬

①檢查使得各個儀器是否處于復(fù)位狀態(tài)；

②檢查所有的故障報警全部排除；

③按下所有的啟動條件按鈕，表明風(fēng)電機組已滿足所有啟動條件，做好開機準(zhǔn)備；

④調(diào)節(jié)風(fēng)速旋鈕，使模擬輸入風(fēng)速到達風(fēng)電機組的啟動風(fēng)速3m/s，則風(fēng)電機組模型可以開機，此時按下開機按鈕，則待機燈滅開機燈亮，這便模擬了風(fēng)電機組的整個開機過程；

⑤在待機或開機狀態(tài)下，若按下任何一個故障按鈕，則風(fēng)電機組模型立即停機，待機燈和開機燈滅，停機燈亮，這便模擬了風(fēng)電機組在突然出現(xiàn)故障時的狀態(tài)；清除故障后，按下復(fù)位按鈕，同時風(fēng)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速均歸零，才能再次啟動；對于六個安全鏈的開關(guān)，斷開任何一個，此時，急停燈亮，安全燈滅，從而模擬風(fēng)電機組的安全鏈保護系統(tǒng)；

c、偏航動作控制的模擬方法：

調(diào)節(jié)風(fēng)向旋鈕模擬輸入風(fēng)向，則滿足偏航條件，風(fēng)電機組模型可以進行自動或手動偏航，從而模擬風(fēng)電機組的偏航功能；

d、并網(wǎng)功能的模擬方法

調(diào)節(jié)風(fēng)速旋鈕使PLC上顯示的轉(zhuǎn)速達到1000r/min，則滿足并網(wǎng)條件，風(fēng)電機組模型可以進行自動或手動并網(wǎng)，從而模擬風(fēng)電機組的并網(wǎng)功能；

e、變槳動作控制的模擬方法

首先調(diào)節(jié)風(fēng)速旋鈕使模擬輸入風(fēng)速達到12m/s，滿足變槳條件；再將風(fēng)輪葉片與步進電機的輸出軸連接，當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，葉片會按控制的速度隨之旋轉(zhuǎn)，從而改變?nèi)~片的槳距角，實現(xiàn)變槳動作；風(fēng)電機組模型可以進行自動或手動變槳，從而模擬風(fēng)電機組的變槳功能；

f.安全停機的模擬方法

在發(fā)電運行中，當(dāng)按下某個安全鏈開關(guān)時，表明監(jiān)測到風(fēng)電機組模型對應(yīng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全問題，則風(fēng)電機組模型會停止發(fā)電運行，進行安全停機，從而實現(xiàn)了風(fēng)電機組安全停機的模擬功能；

g.故障停機的模擬方法

在發(fā)電運行中，當(dāng)按下某個故障報警開關(guān)時，表明監(jiān)測到風(fēng)電機組模型對應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則風(fēng)電機組模型會停止發(fā)電運行，進行緊急停機，從而實現(xiàn)了風(fēng)電機組故障停機的模擬功能；

h.正常停機的模擬方法

在發(fā)電運行中，調(diào)節(jié)風(fēng)速旋鈕使模擬輸入風(fēng)速達到切出風(fēng)速25m/s,滿足正常停機的要求，此時按下停機按鈕，停機燈亮，則風(fēng)電機組模型就會停止發(fā)電運行，從而實現(xiàn)了風(fēng)電機組正常停機的模擬功能。

本實用新型提供的風(fēng)電機組運行控制教學(xué)模擬裝置，用于教學(xué)模擬實驗，實驗者自主設(shè)計的程序與控制回路，通過PLC控制器模塊和風(fēng)輪特性?？?，進行風(fēng)電機組全自動運行控制編程，模擬真實的風(fēng)電機組發(fā)電運行；利用實驗面板上的故障報警模擬區(qū)、變槳電機、偏航電機和風(fēng)電機組模型，可以實時觀測到實驗者自主設(shè)計風(fēng)電機組的發(fā)電運行、控制策略及其控制運行仿真效果。

附圖說明

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本實用新型的實驗面板區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實用新型的風(fēng)輪特性模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實用新型的風(fēng)電機組模型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實用新型的模擬方法流程圖；

圖6是實施例的開機功能的模擬流程圖；

圖7是實施例的偏航動作控制的模擬流程圖；

圖8是實施例的并網(wǎng)功能的模擬流程圖；

圖9是實施例的變槳動作控制的模擬流程圖。

具體實施方式

結(jié)合附圖說明本實用新型的具體實施方式。

如圖1所示，風(fēng)電機組運行控制教學(xué)模擬裝置，包括PLC控制器模塊1、工具箱2、電源模塊3、實驗面板區(qū)域4、風(fēng)輪特性模塊5、風(fēng)電機組模型6；PLC控制器模塊1通過連接線分別與實驗面板區(qū)域4、風(fēng)輪特性模塊5、風(fēng)電機組模型6連接；電源模塊3分別為PLC控制器模塊1、實驗面板區(qū)域4、風(fēng)輪特性模塊5提供電源。

PLC控制器模塊1，包括輸入端口、輸出端口、液晶屏、RS232接口，通過RS232接口與計算機連接；

該PLC控制器模塊1采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。該PLC控制器模塊1具有以下性能：

①第三代微型可編程控制器；

②基本單元自帶兩路高速通訊接口，RS422&USB；

③內(nèi)置高達32K大容量存儲器；

④標(biāo)準(zhǔn)模式時基本指令處理速度可達0.21μs；

⑤控制規(guī)模:14～256點，包括CC-LINK網(wǎng)絡(luò)I/O；

⑥定位功能設(shè)置簡便，最多三軸；

⑦可實現(xiàn)浮點數(shù)運算；

⑧可設(shè)置兩級密碼，每級16字符，增強密碼保護功能。

實驗者利用上位機程序?qū)⒆灾髟O(shè)計的控制策略下載到PLC中，PLC控制器模塊控制風(fēng)電機組運行控制教學(xué)模擬裝置各模塊運行。

工具箱2包含連接線、十字螺絲刀、備用螺母、備用螺柱等用于實驗線路的連接。

電源模塊3是一個AC220V轉(zhuǎn)DC 24V模塊，通過線路與其他模塊的各個部分相連接，為PLC控制器模塊1提供+24V電源及共陽極高電平，為實驗面板區(qū)域4、風(fēng)輪特性模塊5提供共陽極高電平。

如圖2所示，實驗面板區(qū)4包括啟動條件模擬區(qū)4.1、運行狀態(tài)模擬區(qū)4.2、安全系統(tǒng)模擬區(qū)4.3、模擬信號輸入?yún)^(qū)4.4、故障報警模擬區(qū)4.5、變槳動作模擬區(qū)4.6、偏航動作模擬區(qū)4.7組成。

啟動條件模擬區(qū)4.1采用6個并聯(lián)的開關(guān)與PLC控制器模塊1的輸入端口連接，分別模擬葉片位置、偏航、閘位、變流器、液壓準(zhǔn)備和變距機構(gòu)這六個啟動條件。

運行狀態(tài)模擬區(qū)4.2采用4個并聯(lián)的開關(guān)與PLC控制器模塊1的輸出端口連接，分別模擬待機、開機、并網(wǎng)、停機這四個運行狀態(tài)；還包括復(fù)位按鈕和手/自動并網(wǎng)切換開關(guān)，與PLC控制器模塊1的輸入端口連接。

安全系統(tǒng)模擬區(qū)4.3采用6個串聯(lián)的開關(guān)，分別模擬發(fā)電機過載、控制器失步、急停、風(fēng)輪超速、過振和發(fā)電機超速這六個安全問題，從而模擬實際風(fēng)電機組的緊急安全鏈。

模擬信號輸入?yún)^(qū)4.4有兩個旋鈕，分別模擬風(fēng)速和風(fēng)向；風(fēng)速由一個模擬輸入信號來模擬風(fēng)速大小，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為風(fēng)速大小，PLC程序會根據(jù)模擬輸入風(fēng)速的大小，改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速，并顯示在液晶屏上；風(fēng)向由一個模擬輸入信號來模擬發(fā)電機轉(zhuǎn)速大小，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為風(fēng)向大??；

故障報警模擬區(qū)4.5采用6個并聯(lián)的開關(guān)與PLC控制器模塊1的輸入端口連接，分別模擬偏航系統(tǒng)故障、液壓系統(tǒng)故障、變距系統(tǒng)故障、電氣保護故障和變流器故障這六個常見故障。

變槳動作模擬區(qū)4.6采用變槳電機與PLC控制器模塊1輸出端口連接，通過調(diào)節(jié)順時針變槳旋鈕和逆時針變槳旋鈕來模擬正變槳動作和負變槳動作；變槳角度由一個模擬輸入信號來模擬，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為變槳角度；

偏航動作模擬區(qū)4.7采用偏航電機與PLC控制器模塊1輸出端口連接，通過調(diào)節(jié)順時針偏航旋鈕和逆時針偏航旋鈕來模擬正偏航動作和負偏航動作；偏航角度由一個模擬輸入信號來模擬，將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為偏航角度；

安全繼電器4.8負責(zé)模擬機組故障時的緊急關(guān)機過程；并聯(lián)的開關(guān)應(yīng)由接入PLC控制器模塊1的輸入端口，串聯(lián)的安全鏈開關(guān)接入PLC控制器模塊1輸入端口。

如圖3所示，風(fēng)輪特性模塊5，通過通訊線和PLC控制器模塊1連接，內(nèi)嵌相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)風(fēng)輪特性輸出的程序算法，在輸入端口輸入槳距角β、風(fēng)速v、發(fā)電機轉(zhuǎn)速n三個參數(shù)，便會通過程序算法得出一組調(diào)節(jié)量并經(jīng)由PLC控制器模塊1發(fā)出動作指令完成調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的運行參數(shù)又會通過反饋通路作為風(fēng)輪特性模塊5的輸出參數(shù)，進而完成新一輪調(diào)節(jié)。從而模擬了風(fēng)電機組實際運行中對風(fēng)輪的輸出特性。

風(fēng)電機組模型6如圖4所示，風(fēng)電機組模型6，包括風(fēng)輪6.1，風(fēng)輪6.1安裝在輪轂6.2上，、輪轂6.2連接機艙6.3，機艙6.3安裝在塔架6.4上。風(fēng)電機組模型6是整個儀器的控制對象，用來模擬實際運行的風(fēng)電機組，風(fēng)電機組模型6的輸入端口和PLC控制器模塊1輸出端口DAO相連接，以完成PLC的動作指令，展示控制效果。風(fēng)電機組模型6的塔架6.4固定在偏航步進電機的輸出軸上。

通過該儀器各模塊的共同作用便可實現(xiàn)對風(fēng)電機組啟動、并網(wǎng)、變槳、偏航、停機等工況模擬的功能。下面介紹實現(xiàn)這些模擬功能所用的方法：

實現(xiàn)風(fēng)電機組控制系統(tǒng)模擬功能的流程圖如5所示。

其中，PLC控制器模塊1的輸入、輸出各端口設(shè)置如表1所示：

表1 PLC控制器模塊輸入、輸出各端口注釋表

其中：

①啟動條件

啟動條件包括葉片位置、偏航、閘位、變流器、液壓準(zhǔn)備和變距機構(gòu)，6個開關(guān)分別對應(yīng)PLC輸入X004、X005、X006、X007、X010、X011。

②安全鏈

安全鏈包括發(fā)電機過載、控制器失步、急停、風(fēng)輪超速、過振和發(fā)電機超速六個開關(guān)。安全鏈通過繼電器控制PLC和急停燈的電能供應(yīng)，其中安全鏈閉合PLC工作，安全鏈斷開急停燈亮；

③故障報警

故障報警包括發(fā)電機故障，偏航系統(tǒng)故障、液壓系統(tǒng)故障、變距系統(tǒng)故障、電氣保護故障和變流器故障，6個故障分別對應(yīng)PLC輸入X012、X013、X014、X015、X016、X017。

各模擬功能的實現(xiàn)方法：

a、設(shè)計控制策略：

用和PLC控制器模塊1配套的編程軟件設(shè)計控制策略，設(shè)置好PLC控制器模塊1各輸入輸出端口的控制量，將自主編制的程序下載到PLC控制器模塊1中去，風(fēng)電機組運行控制教學(xué)模擬裝置便有了自動控制風(fēng)電機組運行的功能。

按照a中設(shè)計的控制策略將風(fēng)電機組運行控制教學(xué)模擬裝置各模塊連接好并接通電源后，便可逐步實現(xiàn)各個模擬功能。

b、開機功能的模擬方法：

(1)實現(xiàn)該功能的流程圖如圖6所示；

(2)實現(xiàn)該功能的具體方法：

①檢查儀器是否處于復(fù)位狀態(tài)，若儀器處于復(fù)位狀態(tài)，則PLC讀數(shù)后控制待機燈亮，否則按下復(fù)位按鈕使儀器復(fù)位并處于待機狀態(tài)；

②檢查所有的故障報警全部排除；

③按下所有的啟動條件按鈕，表明風(fēng)電機組已滿足所有啟動條件，做好開機準(zhǔn)備；

④調(diào)節(jié)風(fēng)速旋鈕，使模擬輸入風(fēng)速到達風(fēng)電機組的啟動風(fēng)速3m/s，則風(fēng)電機組可以開機，此時按下開機按鈕，則待機燈滅開機燈亮，這便模擬了風(fēng)電機組的整個開機過程。

⑤在待機或開機狀態(tài)下，若按下任何一個故障按鈕，則風(fēng)電機組立即停機，待機燈和開機燈滅，停機燈亮，這便模擬了風(fēng)電機組在突然出現(xiàn)故障時的狀態(tài)；清除故障后，按下復(fù)位按鈕，同時風(fēng)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速均歸零，才能再次啟動；對于六個安全鏈的開關(guān)，斷開任何一個，此時，急停燈亮，安全燈滅，從而模擬風(fēng)電機組的安全鏈保護系統(tǒng)。

c、偏航動作控制的模擬方法：

(1)實現(xiàn)該功能的流程圖如圖7所示；

(2)實現(xiàn)該功能的具體方法：

調(diào)節(jié)風(fēng)向旋鈕模擬輸入風(fēng)向，則滿足偏航條件。

①當(dāng)手/自動開關(guān)在自動側(cè)時，儀器會按照學(xué)生自學(xué)習(xí)式偏航控制算法進行自動偏航，從而實現(xiàn)自動偏航功能；

②當(dāng)手/自動并網(wǎng)開關(guān)在手動側(cè)時，按下順時針偏航按鈕，則步進電機順時針轉(zhuǎn)，由于風(fēng)電機組模型的塔架和步進電機的輸出軸相連，則風(fēng)電機組模型也會隨著步進電機順時針轉(zhuǎn)，同時偏航角度會在PLC控制器模塊液晶屏上顯示，從而實現(xiàn)對風(fēng)電機組順時針偏航動作的模擬；按下逆時針偏航按鈕，則可實現(xiàn)對風(fēng)電機組逆時針偏航動作的模擬；按下偏航控制的鎖緊按鈕，則停止偏航，模擬了偏航動作的剎車系統(tǒng)；

d、并網(wǎng)功能的模擬方法

(1)實現(xiàn)該功能的流程圖如圖8所示；

(2)實現(xiàn)該功能的具體方法：

調(diào)節(jié)風(fēng)速旋鈕使PLC上顯示的轉(zhuǎn)速達到1000r/min，則滿足并網(wǎng)條件，風(fēng)電機組模型準(zhǔn)備并網(wǎng)

①當(dāng)手/自動并網(wǎng)開關(guān)在自動側(cè)時，儀器會進行自動并網(wǎng)，且并網(wǎng)燈亮，從而實現(xiàn)自動并網(wǎng)功能；

②當(dāng)手/自動并網(wǎng)開關(guān)在手動側(cè)時，按下并網(wǎng)按鈕，則風(fēng)電機組模型并網(wǎng)，且并網(wǎng)燈亮，從而實現(xiàn)手動并網(wǎng)功能。

e、變槳動作控制的模擬方法

(1)實現(xiàn)該功能的流程圖如圖9所示；

(2)實現(xiàn)該功能的具體方法：

首先調(diào)節(jié)模擬輸入風(fēng)速旋鈕使風(fēng)速達到12m/s，滿足變槳條件；再將風(fēng)輪葉片與步進電機的輸出軸連接，當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，葉片會按控制的速度隨之旋轉(zhuǎn)，從而改變?nèi)~片的槳距角，實現(xiàn)變槳動作。

①當(dāng)手/自動開關(guān)在自動側(cè)時，儀器會按照學(xué)生自學(xué)習(xí)式變槳控制算法進行自動變槳，從而實現(xiàn)自動變槳功能；

②當(dāng)手/自動并網(wǎng)開關(guān)在手動側(cè)時，按下順時針變槳按鈕，步進電機順時針轉(zhuǎn)，帶動葉片順時針旋轉(zhuǎn)，變槳角度會在PLC液晶屏上顯示，從而實現(xiàn)對風(fēng)電機組負變槳動作的模擬；按下逆時針變槳按鈕，則可實現(xiàn)對風(fēng)電機組正變槳動作的模擬；按下變槳控制的鎖緊按鈕，則停止變槳，從而模擬了變槳動作中的剎車系統(tǒng)。

f.安全停機的模擬方法

在發(fā)電運行中，當(dāng)按下某個安全鏈開關(guān)時，表明監(jiān)測到風(fēng)電機組模型對應(yīng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全問題，則風(fēng)電機組模型會停止發(fā)電運行，進行安全停機，從而實現(xiàn)了風(fēng)電機組安全停機的模擬功能。

g.故障停機的模擬方法

在發(fā)電運行中，當(dāng)按下某個故障報警開關(guān)時，表明監(jiān)測到風(fēng)電機組模型對應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則風(fēng)電機組模型會停止發(fā)電運行，進行緊急停機，從而實現(xiàn)了風(fēng)電機組故障停機的模擬功能。

h.正常停機的模擬方法

在發(fā)電運行中，調(diào)節(jié)模擬輸入風(fēng)速旋鈕使風(fēng)速達到切出風(fēng)速25m/s，滿足正常停機的要求，此時按下停機按鈕，停機燈亮，則風(fēng)電機組模型就會停止發(fā)電運行，從而實現(xiàn)了風(fēng)電機組正常停機的模擬功能。