【文章內容簡介】 部隨風向轉動，還可以防止繞纜的危險；然后是溫度模糊控制，控制對象是機艙和塔架內部這兩部分使溫度保持在恒定數值。因為是對模擬量的閉環(huán)控制，所以針對溫度的變化采用PID控制方法。最后是變壓器的控制。圖31表示這個系統(tǒng)流程框圖：Y啟動控制器初始化采集風速參數大于額定參數 啟動發(fā)電機偏航控制停機溫度控制N變壓器控制圖 31 系統(tǒng)程序流程圖 具體模塊設計根據系統(tǒng)不同方面的功能，將整個系統(tǒng)分為四個主要模塊：發(fā)電機啟動模塊、偏航控制模塊、溫度控制模塊和變壓器控制模塊。下來具體說明每個模塊的主要功能、控制過程以及控制流程圖。（1）發(fā)電機啟動模塊這一模塊的功能是啟動系統(tǒng)總開關，PLC初始化。風速傳感器采集了外界風速模擬值，將風速反饋給PLC，假如風速過大，不符合發(fā)電的風速要求，若風速太大或者太小，不穩(wěn)定狀況時，PLC則可以向工作人員報警，工作人員可以選擇手動停機；假如風速在合理的范圍內，系統(tǒng)則啟動發(fā)電機，發(fā)電機將風能轉換為電能，并在此時發(fā)電機信號燈顯示發(fā)電機在工作，系統(tǒng)信號燈顯示表示系統(tǒng)運行。N發(fā)電機啟動模塊的順序控制流程圖如下：NY圖 32 初始化啟動控制流程圖（2）偏航控制模塊偏航控制系統(tǒng)包含偏航控制機構與偏航驅動機構[5]。偏航控制機構用于控制風輪機葉片跟隨風向的變化而變化；偏航驅動機構是用于驅動偏航系統(tǒng)運作，停止的，它包含有偏航驅動裝置、制動裝置以及偏航軸承。偏航驅動裝置常用伺服電動機和偏航減速齒輪。通常風電機偏航控制系統(tǒng)有三種控制方式：風向標控制的迎風自動偏航、風向標控制90176。側風和自動解纜控制。其中風向標控制的迎風自動偏航是偏航控制最主要的內容。在本文中涉及到的偏航控制指的即為風向標控制的迎風自動偏航。偏航控制系統(tǒng)的工作原理是通過風向傳感器檢測外界風向，將風向模擬信號A/D轉換后傳遞給PLC，PLC內部計算風向的夾角，與參定值進行比較是否達到要求，不符要求的話調整航向，PLC需要發(fā)出信號給偏航驅動機構，偏航驅動機構驅動機艙轉變角度使之達到最佳的角度，從而使風能的吸收率最大化[6]。這是個典型的位置伺服控制系統(tǒng)。偏航控制系統(tǒng)模塊主要實現風輪機隨風向轉動功能。在本文中，設計一個偏航工作區(qū)間為145176。215176。的控制系統(tǒng)，控制次數僅為一次。為了保證風力發(fā)電機組吸收風能達到最佳的效能，機艙必須對準實時風向。只有風輪回轉面垂直于風向，即風力發(fā)電機的風輪法線與風向一致，風電機吸收的功率最大。因此確定對風目標為風輪回轉面與風向垂直。當風向發(fā)生改變，超出允許誤差范圍時，控制器發(fā)出自動偏航指令，風向傳感器和偏左、偏右電動機組成的自動對風系統(tǒng)執(zhí)行校正動作。使得機艙能夠準確地對風[7]。偏航電機是電磁制動三相異步電動機。電機接電源后，制動裝置的整流器也隨之接通電源，線圈通電產生磁力吸引銜鐵進行制動，經過摩擦力矩的阻礙，電動機即會停止轉動。根據風向傳感器信號得到的風向標夾角信號給出偏航控制指令，當角度為180176。時，表明機艙位置已對準風向，在171176。189176。之間屬于測量傳感器誤差范圍內，偏航系統(tǒng)將不做任何控制動作。當角度155176。時，向右偏航電機將連續(xù)工作90秒，當角度在155176。165176。之間，向右偏航電機將連續(xù)工作50秒，當角度在165176。171176。之間，向右偏航電機將連續(xù)工作20秒。當角度在189176。195176。時，向左偏航電機將連續(xù)工作20秒，當角度在195176。205176。之間，向左偏航電機將連續(xù)工作50秒，當角度在205176。之間，向左偏航電機將連續(xù)工作90秒?？梢钥闯觯D10176。大約需要30秒，這是由電動機的工作頻率與齒輪的齒數決定的[8]。以上所述的角度區(qū)間控制原理可以用圖33進行表示：圖 33 偏航角度區(qū)間控制原理圖偏航控制系統(tǒng)模塊的順序控制流程圖如圖34，從圖中可以看出，偏航控制的次數僅為一次，若要求再次進行偏航控制，必須將機艙水平軸撥到與風輪回轉面垂直的位置。其中偏航電機的工作是根據不同的風向夾角度，控制電機向左或向右持續(xù)偏轉一定時間，使風向夾角度保持在一定的角度范圍內。圖 34 偏航控制流程圖（3）溫度控制模塊在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用溫度傳感器檢測溫度，送入PLC的模擬量的輸入模塊，進行A/D轉換將傳感器輸出的模擬信號轉換為與溫度成比例的標準的數字信號，PLC將它與溫度參定值進行比較，按照PID控制算法對誤差進行運算，將運算結果再送入模擬量輸出模塊，進行D/A轉換為模擬信號，將電力設備運作產生的熱氣排出室外，并且控制冷卻機運作，向室內傳送冷氣流進行降溫，這樣實現對溫度的閉環(huán)控制。這一過程中，被控對象為機艙的溫度[8]。由于氣體壓力波動，各元器件溫度各不相同，溫度不勻等擾動因素影響，會破壞機艙溫度的穩(wěn)定，通過閉環(huán)控制可以有效地抑制各種擾動因素的影響，使控制更加有效。本文中，溫度控制模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)將采用PID控制。PID控制器因為具有不需要被控對象的數學模型，結構簡單容易實現，有很強的靈活性、實用性，使用方便等優(yōu)點，所以將有效地提高PLC設計效率。c(t) pυ(t)M(t)sp(t)e (t)機艙溫度控制PLCA/D圖35為機艙和塔架內部溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)：D/A溫度傳感器圖 35溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)圖圖中sp(t)是給定值，pυ(t)是反饋量，c(t)是系統(tǒng)的輸出量，PID控制的輸入輸出關系式如下：M(t)=Kc[e(t)+(1/TI)+(de(t)/)/dt]+Mo(t) ()其中Kc為比例系數，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數[9]。比例系數Kc反應控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現了偏差，比例調節(jié)作用立即產生調節(jié)作用，使得系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。積分系數TI使得系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現對設定值的無靜差跟蹤。微分系數TD反應系統(tǒng)偏差的變化率，預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就已經消除偏差。在這個溫控系統(tǒng)中，控制器的參數的整定方法是工程整定法，主要依賴于工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，并且方法簡單、容易掌握。實驗湊試法是通過閉環(huán)運行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據各參數對系統(tǒng)的影響，反復湊試參數，直至出現滿意的響應曲線，從而確定PID控制參數。實驗湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。第一進行整定比例控制。將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至出現反應快、超調量小的響應曲線。E(k)Et=0t()P(k)KC*Et=0t()(a)偏差階躍變化 (b)比例整定作用圖 36 偏差階躍變化經比例整定圖第二進行整定積分環(huán)節(jié)。在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求時，則需要加入積分控制。將第一個步驟中選擇的比例系數減少到原來的50%80%，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并且相應調整比例系數，反復湊試至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數。P(k)KC*Et=0t()積分時間P(k)Td*Et=0t()微分時間第三進行是微分環(huán)節(jié)。經過步驟二，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，此時應該加入微分控制，構成PID控制。首先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數和積分時間，反復湊試直至獲得滿意的控制效果。(a)積分整定作用 (b)微分整定作用圖 37 偏差階躍變化分別經積分、微分整定圖P(k)t=0t()圖 38 偏差階躍變化經比例、積分和微分綜合整定圖根據上述實驗湊試法，對這個溫控系統(tǒng)進行分析，分別反復湊試各個參數，得到最滿意的響應曲線，圖39為系統(tǒng)經PID各系數整定后的階躍響應曲線。在測試比例系數Kc時，發(fā)現當系數越小，響應曲線反應越快，超調量越小，過渡過程越平穩(wěn)，但余差變大。系數越大，偏差也隨之變大，過渡過程容易震蕩。，但余差比較大。測試積分系數TI時，，發(fā)現不能很好地消除由比例系數整定后產生的余差。逐步減小積分時間，積分作用由弱變強，消除余差的能力由弱變強。，發(fā)現系統(tǒng)能夠較好地將余差消除。消除了偏差，輸出停止變化。因為該溫控系統(tǒng)的特點具有大慣性、大滯后性，所以使用微分系數調節(jié)沒有效果。通常使用PI控制方式。因此。圖 39 溫控PID參數整定階躍響應圖 在這個溫度控制系統(tǒng)中，機艙和塔架內部的溫度設定值、增益、采樣時間、積分時間和微分時間都已在程序中設定，，。溫度PID機艙PID設定參數和塔架內部PID設定參數一樣?！?。計算25℃。只要啟動溫控系統(tǒng)，進氣閥就會放冷氣流進入降溫，檢測室溫，過程變量高于溫度設定值，繼續(xù)進氣，若過程變量低于溫度設定值，立即停止進氣。機艙和塔架溫度閉環(huán)控制流程圖如下：圖 310 機艙溫度閉環(huán)控制流程圖溫度控制模塊的設計思想主要是假設溫升過快超過額定值時，控制器啟動冷卻機進行降溫，使溫度降至穩(wěn)定范圍。機艙是風力發(fā)電系統(tǒng)中很重要的組成部分，假若溫度過高將會影響發(fā)電機、主軸、齒輪箱等重要元器件的運行狀態(tài)，嚴重的甚至燒壞電纜，毀壞電機。所以將機艙溫度控制在一定范圍內是很重要的。塔架內部配置控制器，還必須放置變壓器和線纜將發(fā)電機運作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網。塔架內部空間大，常有人員在其內部操作、維護。因為存在控制器、計算機系統(tǒng)、變壓器等各類重要的電力設備，所以控制塔架內溫度是十分必要的。圖 311 溫控系統(tǒng)結構圖整個系統(tǒng)具有機艙和塔架內兩個溫度控制單元，要對兩個棚內溫度進行控制。具體流程是：啟動送風電動機循環(huán)冷氣流，開啟進氣閥給室內降溫，經過一段時間關閉閘門；控制室內溫度時滿1小時后進行排氣；按下停止按鈕后，關閉送分電動機和排氣閘門。這樣連鎖的控制，使室內溫度保持恒定[11]。在這個溫控系統(tǒng)中，我們需要兩個測溫模擬量輸入點，兩個需要冷卻機工作輸送冷氣流的模擬量輸入點，兩個需要排氣閥排出氣流的模擬量輸出點。兩個開關量進行啟動和開啟送風電動機。進氣閥有三個按鈕，分別為啟動按鈕、停止按鈕和急停按鈕。需要用到模擬量輸入模塊EM231和模擬量輸出模塊EM232。（4）變壓器控制模塊在變壓器控制系統(tǒng)中，將發(fā)電機產生的電壓轉為標準的高壓（此電壓為傳輸到高壓輸電線路的高電壓）。這有利于電壓的傳輸與利用，電壓過低或過高會引起線路的負載過大，損耗過大。變壓器運作的條件是在變壓器啟動按鈕按下時此時發(fā)電機正在運作狀態(tài)，若無第二個條件存在，發(fā)電機無電壓進行耦合，所以在發(fā)電機運行的條件下按下啟動按鈕，變壓器則會工作。變壓器停止運行則需要在發(fā)電機停止轉動的狀態(tài)下按下停止按鈕才能實現。所以在這一模塊中，變壓器的運行和停止分別需要兩個開關條件的實現。變壓器控制流程圖如下：圖 312 變壓器控制流程圖在這個變壓器控制系統(tǒng)中，我們需要2個開關量輸入點，2個開關量輸出點。 I/O地址分配與電氣元件選型 I/0地址分配根據風力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件電路設計和控制流程圖的要求，可以設計控制系統(tǒng)的開關量輸入點數為11個，開關量輸出點數為11個，擴展模擬量輸入模塊EM231模擬量輸入點數為4個，擴展模擬量輸出模塊EM232模擬量輸出點數為2個。表31是基于PLC的風力發(fā)電控制系統(tǒng)的I/O地址分配。表32是與風力發(fā)電控制程序相關的存儲器注釋內容。 PLC的選型西門子S7200是一種小型可編程邏輯控制器，它不僅可以單機控制，還可以有功能模塊與I/O口的擴展。整體式PLC將CPU、輸入/輸出口與電源裝備在一個箱型機殼內。S7200具有很多優(yōu)點，指令集豐富，編輯語言簡單，集成功能極高，性價比很高，使用便捷安全等。根據控制規(guī)模的大小，即輸入/輸出點的多少，選擇相應的CPU型號。在本文中，系統(tǒng)所需開關量輸入點數為11個，開關量輸出點數為11個，模擬量輸入點數為4個，模擬量輸出點數為2個。選擇西門子S7200CPU226型號，有24點開關量輸入，16點開關量輸出，6個計數器，擴展輸入/輸出模板數量為7個。提供給擴展單元5VDC[10]。西門子S7200提供外接擴展模擬量輸入輸出模塊。在本文中使用模擬量擴展模塊EM231CN和EM232CN。模擬量輸入模塊EM231CN具有4路模擬量輸入通道，為24V DC狀態(tài)。模擬量輸出模塊EM232CN具有2路模擬量輸出通道，也為24V DC狀態(tài)[11]。 其他器件的選型風力發(fā)電控制系統(tǒng)中所需用到了一些電氣元件有發(fā)電機、電動機、變壓器、傳感器、表31 I/O地址分配表分類名稱數據類型I/O口地址輸入系統(tǒng)總啟動BOOL變壓器啟動BOOL變壓器停止BOOL機艙溫控系統(tǒng)啟動BOOL機艙溫控系統(tǒng)停止BOOL機艙溫控系統(tǒng)急停BOOL塔架內部溫控系統(tǒng)啟動BOOL塔架內部溫控系統(tǒng)停止BOOL塔架內部溫控系統(tǒng)急停BOOL溫度控制系統(tǒng)總啟動BOOL溫度控制系統(tǒng)總停止BOOL輸出系統(tǒng)啟動顯示燈BOOL發(fā)電機啟動BOOL向左偏航BOOL向右偏航BOOL合適風向顯示燈BOOL風速過大警報顯示燈BOOL機艙電動機BOOL塔架內部電動機BOOL溫控進氣閥進氣BOOL變壓器運行BOOL變壓器停運BOOLEM231風速WORDAIW0風向WORDAIW2機艙溫度WORDAIW4塔架內部溫度WORDAIW6EM232機艙進氣閥進氣WORDAQW0塔架內部進氣閥進氣WORDAQW2繼電器、接觸器和熔斷器等。（1）電機的