CN204458203U - 一种plc控制的风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种PLC控制的风力发电系统，包括工控机、PLC控制系统、数据采集系统、传感器、伺服系统和执行装置；所述的PLC控制系统，包括控制部分、其它控制部分、以太网模块与人机对话装置，PLC系统通过以太网及以太网模块与工控机连接，人机对话装置通过RS482与PLC系统连接，作为人机一体化的设备与PLC控制系统对话，显示风力发电机运行状态及风力发电的结果。本实用新型的控制系统运行稳定、操作方便，提高了风电发电机的风能利用效率，降低了风力发电的成本，能产生很好的经济和社会效益。

Description

一种PLC控制的风力发电系统

技术领域

本发明属于风力发电PLC的控制系统，具体涉及一种PLC控制的风力发电系统。

背景技术

风能作为一种清洁无污染、取之不尽的绿色可再生能源受到我国的普遍关注，就其风力发电控制技术而言与国外甚远，存在以下一些缺点：

一、风力发电机运行环境恶劣、工况复杂，对电网要求非常高，一般控制系统并不能实现并网异步无人值守的风力发电机组的自动控制及远程监控、自动化的报警显示；

二、传统的风力发电控制系统，很少采用人机对话装置及自动化监控装置，不能很好地实现人机对话及风力发电机机械装置的远程监控。

三、也没有采用液压高速轴制动伺服系统，不能对风力发电机机械装置有效保护。

四、常规控制系统自动化程度低，结构复杂、生产成本高、设备故障率高，操作不方便、控制性不强、人为因素干扰控制精度，影响整个风力发电系统的效率；控制系统运行不稳定，不能实现风力发电预期控制的目标。

五、传统的风力发电设备中没有采用输出电压装备，不能实现电能储存，也不能提高了风电发电机的风能利用效率，风力发电的成本总是居高不下。

发明内容

本发明是为了克服上述不足，给出了一种风力发电设备PLC的控制系统。

本发明的技术方案如下：

一种PLC控制的风力发电系统，包括工控机、PLC控制系统、数据采集系统、传感器、伺服系统和执行装置；所述的PLC控制系统，包括控制部分、其它控制部分、以太网模块与人机对话装置；PLC系统通过以太网及以太网模块与工控机连接，人机对话装置通过RS482与PLC系统连接，作为人机一体化的设备与PLC控制系统对话，显示风力发电机运行状态及风力发电的结果。

所述的PLC控制系统采用西门子S7-300系列可编程控制器，包括数字输入量SM321、模拟输入量SM331、计数模块FM350、接口模块IM153、数字输出量SM322、模拟输出量SM332、CPU－315处理模块等，作为并网异步无人值守的风力发电机组的核心控制器。

所述的控制部分包括风力发电机装置机械控制系统、电气控制系统和液压控制系统。

所述的风力发电机装置机械控制系统用于风力发电机装置的机械控制和机械制动、刹车、停止。

具体地，所述的风力发电机装置机械控制系统包括变速装置和机械制动，更进一步地，变速装置包括齿轮变速箱、传动轴和联轴器。

所述的电气控制系统包括电机启动、并网控制和其它控制，用于电机的启动、并网和刹车制动，实现风力发电机装置的电气保护。

所述的人机对话装置包括触摸屏和监控系统，所述的触摸屏作为人机对话设备通过人机界面与风力发电机装置对话，用户可以通过触摸屏输入用户命令并修改控制参数，用户根据风力发电机装置的控制状态及时调整PLC控制的风力发电机械装置的工作状态；所述的监控系统用于远程监控PLC控制系统的运行状态，如机组运行参数的监控、风力发电机装置状态的监控，历史曲线和实时运行曲线的监控，报警状态的监控。

所述的数据采集系统包括电网数据系统、气象数据系统、机组状态数据系统。

具体地，所述的电网数据系统包括采集电网三相电流、电压及频率，相序故障及电压故障等数据，实现电网数据的监控与报警。

具体地，所述的气象数据系统包括采集风速、风力、风向及温度等气象数据，为风力发电控制提供可靠气象参数。

具体地，所述的机组状态数据系统包括采集风轮机转速、发电机转速、变速装置的油温、液压系统的油温等数据，实时动态采集机组运行状态的数据，监控机组运行的历史曲线和实时曲线，为机组正常运行提供可靠的数据，保证风力发电装置正常发电。

所述的传感器包括温度传感器、压力传感器、风向传感器、液位传感器及转速传感器；

所述的温度传感器型号为WTCJK-313-H-B-Y，把温度传感器检测到的电压信号转换成4～20mA标准电流信号输出；

所述的压力传感器采用型号为PTC302的油压传感器，用于变速箱和液压站压力的检测；

所述的风向传感器选择kriwan INT 30H，用来测量和监控风力发电机械装置的风力和风向；

所述的液位传感器选用的是CR-6061通用型油位传感器，适合常温常压下各种燃料油、液压油的测量；

所述的转速传感器选用海德ISC5208旋转编码器3600脉冲DC5-24V编码器码盘瑞普ZSP5208。

所述的执行装置包括液压执行装置、信号灯、风力发电机，作为PLC控制系统的输出液 压阀动作、信号信号灯显示、风力发电机转动发电；

所述的液压执行装置包括液压工作站、PLC系统控制台、液压换向装置、液压驱动头、风力发电设备液压阀及液压制动装置，液压执行装置安装在风力发电机机械装置升降工作台上，通过升降工作的移动来调节液压执行装置。

所述的风力发电机是风力发电设备中的主要机械设备，主要包括风轮机、叶片、转子及输出电压装置等设备。

所述的伺服系统为液压伺服系统，包括风力发电机的高速轴制动系统和风力发电机的功率控制系统；

具体地，所述的风力发电机的高速轴制动系统是风力发电机的一个保护系统，当风力发电机启动或停止，要求刹车抱闸，电磁换想法断开液压缸的液压回路，系统压力卸荷，刹车抱闸，风力发电机停车；

具体地，所述的风力发电机的功率控制系统为液压控制系统，用于电动机的变浆控制。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

(1)本发明的一个显著的特点是采用PLC的控制系统，实现并网异步无人值守的风力发电机组的自动控制及远程监控、自动化的报警显示。

(2)本发明的一个显著特点是采用人机对话装置，实现人机对话及风力发电机机械装置的远程监控。

(3)本发明的一个显著特点是伺服系统采用液压高速轴制动伺服系统，当风力发电机启动或停止，要求刹车抱闸，电磁换想法断开液压缸的液压回路，系统压力卸荷，刹车抱闸，风力发电机停车，保护风力发电机的及时、快速制动。

(4)本发明的一个显著特点是PLC控制运行情况稳定，实现风力发电预期控制的目标，在其它风力发电设备上控制使用具有很强的借鉴意义。

(5)本发明的一个显著特点是采用PLC控制系统：结构简单、操作方便、控制性强，易于实现风力发电的控制。

除了以上这些，本发明采用稳压装备实现电能储存，提高了风电发电机的风能利用效率，降低了风力发电的成本，能够产生很好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明所述的一种PLC控制的风力发电系统的结构示意图；

图2为本发明所述的一种PLC控制的风力发电系统的PLC控制系统内部控制结构框图；

图3为本发明所述的一种PLC控制的风力发电系统的液压执行装置结构示意图；

图4为本发明所述的一种PLC控制的风力发电系统的风力发电机机械装置组成原理图；

图5为本发明所述的一种PLC控制的风力发电系统的PLC控制实现风力发电过程流程图；

图6为本发明所述的一种PLC控制的风力发电系统的PLC控制实现风力发电的实例图。

具体实施方式

实施实例1：

下面结合附图对本发明及其实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，一种PLC控制的风力发电系统，包括工控机、PLC控制系统、数据采集系统、传感器、伺服系统和执行装置。

进一步地，所述的工控机上装有组态王6.1监控软件。 

如图2所示，所述的PLC控制系统，包括控制部分、其它控制部分、以太网模块与人机对话装置，PLC控制系统的一端与数据采集系统相连、接收数据采集系统采集的数据，PLC控制系统的另一端通过以太网及以太网模块与工控机连接，人机对话装置通过RS482与PLC系统连接，作为人机一体化的设备与PLC控制系统对话，显示风力发电机运行状态及风力发电的结果。

所述的PLC控制系统采用西门子S7-300系列可编程控制器，包括数字输入量SM321、模拟输入量SM331、计数模块FM350、接口模块IM153、数字输出量SM322、模拟输出量SM332、CPU－315处理模块等，作为并网异步无人值守的风力发电机组的核心控制器及远程监控、自动化的报警显示。

又，本发明采用PLC的控制系统，实现并网异步无人值守的风力发电机组的自动控制及报警显示，是本发明的一个显著特点。

所述的控制部分包括风力发电机装置机械控制系统、电气控制系统和液压控制系统。

所述的风力发电机装置的机械控制系统用于风力发电机装置的机械控制和机械制动、刹车、停止。

具体地，所述的风力发电机装置的机械控制系统包括变速装置和机械制动，更进一步地，变速装置包括齿轮变速箱、传动轴和联轴器。

所述的电气控制系统包括电机启动、并网控制和其它控制，用于电机的启动、并网和刹车制动，实现风力发电机装置的电气保护。

所述的人机对话装置包括触摸屏和监控系统，所述的触摸屏作为人机对话设备通过人机界面与风力发电机装置对话，用户可以通过触摸屏输入用户命令并修改控制参数，用户根据风力发电机装置的控制状态及时调整PLC控制的风力发电机械装置的工作状态。

又，本发明采用人机对话装置实现人机对话及远程监控，是本发明的一个显著特点。

具体地，所述的监控系统用于远程监控PLC控制系统的运行状态，如机组运行参数的监控、风力发电机装置状态的监控，历史曲线和实时运行曲线的监控，报警状态的监控。

所述的数据采集系统包括电网数据系统、气象数据系统、机组状态数据系统。

具体地，所述的电网数据系统包括采集电网三相电流、电压及频率、相序故障、电压故障等数据，实现电网数据的监控报警。

所述的气象数据系统包括风速、风力、风向及温度数据系统，为风力发电装置实现风力发电提供可靠气象参数。

所述的机组状态数据系统包括风轮机转速、发电机转速、变速装置的油温、液压系统的油温等数据系统，进一步地，实时动态采集机组运行状态的数据、监控机组运行的历史曲线和实时运行曲线，为机组正常运行提供可靠的数据，保证风力发电装置正常发电。

所述的传感器包括温度传感器、压力传感器、风向传感器、液位传感器及转速传感器。

具体地，所述的温度传感器型号为WTCJK-313-H-B-Y，把温度传感器检测到的电压信号转换成4～20mA标准电流信号输出。

所述的压力传感器采用型号为PTC302的油压传感器，用于变速箱和液压站压力的检测。

所述的风向传感器选择kriwan INT 30H，用来测量和监控风力发电机械装置的风力和风向。

所述的液位传感器选用的是CR-6061通用型油位传感器，适合常温常压下各种燃料油、液压油的测量。

所述的转速传感器选用海德ISC5208旋转编码器3600脉冲DC5-24V编码器码盘瑞普ZSP5208。

所述的执行装置包括液压执行装置、信号灯、风力发电机，作为PLC控制系统的输出液压阀动作、信号信号灯显示、风力发电机转动发电。

如图3所示，所述的液压执行装置包括液压工作站、PLC系统控制台、液压换向装置、液压驱动头、风力发电设备液压阀及液压制动装置，液压执行装置安装在风力发电机机械装置升降工作台上，通过升降工作的移动来调节液压执行装置。

如图4所示，所述的风力发电机装置包括风力发电机、稳压装置、联轴器、变速装置、异步电动机、变频装置及风力发电机械装置升降工作台。

进一步地，所述的风力发电机是风力发电机装置中的主要机械设备，包括风轮机、叶片、转子、其它装置，输出电压装置等设备。

所述的稳压装置是由主要三端可调节的电压集成稳压器构成，型号为LLM338K，实现电 能储存。

又，本发明采用稳压装备实现电能储存，提高了风电发电机的风能利用效率，降低了风力发电的成本，能够产生很好的经济效益和社会效益，是本发明的一个显著特点。

所述的联轴器用来连接叶片和发电机，选用45钢材料。

所述的变速装置主要包括变速箱，用来变速传递不同比例的转速扭矩，实现风力发电机机械装置的速度变化。

所述的变频装置主要由变频器构成，所选用的变频器为安川VS-61665型全数字变频器，适用于电动机宽范围的调速。

所述的风力发电机械装置升降工作台由液压千斤顶装置构成，通过液压能调节风力发电机、变速装置、电动机、变频器的位置，使风力发电机机械装置处于合适的位置，便于PLC控制风力发电机发电。

所述的伺服系统为液压伺服系统，包括风力发电机的高速轴制动系统和风力发电机的功率控制系统。

具体地，所述的风力发电机的高速轴制动系统是风力发电机的一个保护系统，当风力发电机启动或停止，要求刹车抱闸，电磁换想法断开液压缸的液压回路，系统压力卸荷，刹车抱闸，风力发电机停车。

又，本发明的伺服系统采用液压高速轴制动伺服系统，当风力发电机启动或停止，要求刹车抱闸，电磁换想法断开液压缸的液压回路，系统压力卸荷，刹车抱闸，风力发电机停车，保护风力发电机的及时、快速制动，是本发明的一个显著特点。

具体地，所述的风力发电机的功率控制系统为液压控制系统，用于电动机的变浆控制。

一种PLC控制的风力发电系统实现PLC控制及风力发电的过程，如图5所示：包括以下几个步骤：

1)PLC控制的风力发电系统开始、初始化；

2)PLC控制的风力发电系统准备；

3)输入风力发电系统的参数，接受数据采集系统采集的风力数据，如电网数据系统中的电网数据、气象数据系统中的气象数据、机组运行状态数据系统中的机组状态数据等；

具体地，以1MV系列风力发电机机组的基本数据为例，如表1所示：

表1  风力发电机机组的基本数据

4)传感器检测数据采集系统采集的风力数据，将非物理量(如风速、风向、液位、温度、转速等)转换为物理量(如电流、电压)；

5)将传感器检测到的数据送入伺服系统，伺服系统动作；

6)判断执行装置是否动作：

若执行装置没有动作，从步骤3)开始从新输入风力发电系统的参数；

若执行装置动作，风力发电机开始发电；

7)判断是否完成风力发电：

若没有完成风力发电PLC控制系统的控制，则PLC控制系统开始准备、控制部分动作、其它控制部分动作和人机对话装置完成人机对话、数据采集系统采集数据(如电网数据、气象数据及机组运行状态数据)；

若完成风力发电，PLC控制系统执行步骤8)的动作，实现风力发电的控制。

8)结束，整个PLC系统实现风力发电机机械装置的控制，风力发电的完成。

又，本发明的一个显著特点是采用PLC控制系统作为风力发电机实现风力发电的控制，其控制系统：结构简单、操作方便、控制性强，实现风力发电的控制。

实施实例2：

本发明执行的效果：

本发明的实现风力发电机装置发电的控制参数，如表2所示：

表2  风力发电机装置实现风力发电的控制参数

由实验数据绘制风力发电机的输出功率P随风速v的曲线v-P图，如图6所示。

由图6可知，风力发电机大约在0.25m/s时开始启动，在风速v增大时，输出功率P也增 大，风力发电机实现风力发电。由于在PLC控制系统中实现风力发电，当风速v增大到一定的值时，风力发电机的输出功率接近额定功率，输出功率P的图像近似一条直线，实验结果表明输出功率P趋于稳定。

又，实验效果良好、PLC控制运行情况稳定，实现风力发电预期控制的目标，在其它风力发电设备上控制使用具有很强的借鉴意义。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而限制，尽管通过参照本实用新型的优选实施例已经对本实用新型进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围。

Claims (7)

1.一种PLC控制的风力发电系统，其特征在于：包括工控机、PLC控制系统、数据采集系统、传感器、伺服系统和执行装置；所述的PLC控制系统，包括控制部分、其它控制部分、以太网模块与人机对话装置，PLC系统通过以太网及以太网模块与工控机连接，人机对话装置通过RS482与PLC系统连接，作为人机一体化的设备与PLC控制系统对话，显示风力发电机运行状态及风力发电的结果。

2.根据权利要求1所述的一种PLC控制的风力发电系统，其特征在于：

(1)所述的PLC控制系统采用西门子S7-300系列可编程控制器，包括数字输入量SM321、模拟输入量SM331、计数模块FM350、接口模块IM153、数字输出量SM322、模拟输出量SM332、CPU－315处理模块等，作为并网异步无人值守的风力发电机组的核心控制器；

(2)所述的控制部分包括风力发电机装置的机械控制系统、电气控制系统和液压控制系统；

所述的风力发电机装置机械控制系统用于风力发电机装置的变速箱变速控制风力发电机装置和机械制动刹车、停止，包括变速装置和机械制动，具体地，变速装置包括齿轮变速箱和传动轴和联轴器；

所述的电气控制系统包括电机启动、并网控制和其它控制，用于电机的启动、并网和刹车、制动，实现风力发电机装置的电气保护；

(3)所述的人机对话装置包括触摸屏和监控系统，所述的触摸屏作为人机对话设备通过人机界面与风力发电机装置对话，用户可以通过触摸屏输入用户命令并修改控制参数，用户根据风力发电机装置的控制状态及时调整PLC控制的风力发电机械装置的工作状态；所述的监控系统用于远程监控PLC控制系统的运行状态，如机组运行参数的监控、风力发电机装置状态的监控，历史曲线和实时运行曲线的监控，报警状态的监控。

3.如权利要求1所述的一种PLC控制的风力发电系统，其特征在于：所述的数据采集系统包括电网数据系统、气象数据系统、机组状态数据系统；

所述的电网数据系统包括采集电网三相电流、电压及频率及相序故障、电压故障等数据，实现电网数据的监控与报警；

所述的气象数据系统包括采集风速、风力、风向及温度等气象数据，为风力发电控制提供可靠气象参数；

所述的机组状态数据系统包括采集风轮机转速、发电机转速、变速装置的油温、液压系统的油温等数据，实时动态采集机组运行状态的数据，监控机组运行的历史曲线和实时曲线，为机组正常运行提供可靠的数据，保证风力发电装置正常发电。

4.如权利要求1所述的一种PLC控制的风力发电系统，其特征在于：所述的传感器包括温度传感器、压力传感器、风向传感器、液位传感器及转速传感器；

所述的温度传感器型号为WTCJK-313-H-B-Y，把温度传感器检测到的电压信号转换成4～20mA标准电流信号输出；

所述的压力传感器采用型号为PTC302的油压传感器，用于变速箱和液压站压力的检测；

所述的风向传感器选择kriwan INT 30H，用来测量和监控风力发电机械装置的风力和风向；

所述的液位传感器选用的是CR-6061通用型油位传感器，适合常温常压下各种燃料油、液压油的测量；

所述的转速传感器选用海德ISC5208旋转编码器3600脉冲DC5-24V编码器码盘瑞普ZSP5208。

5.如权利要求1所述的一种PLC控制的风力发电系统，其特征在于：所述的伺服系统为液压伺服系统，包括风力发电机的高速轴制动系统和风力发电机的功率控制系统；

所述的风力发电机的高速轴制动系统是风力发电机的一个保护系统，当风力发电机启动或停止，要求刹车抱闸，电磁换想法断开液压缸的液压回路，系统压力卸荷，刹车抱闸，风力发电机停车；

所述的风力发电机的功率控制系统为液压控制系统，用于电动机的变浆控制。

6.如权利要求1所述的一种PLC控制的风力发电系统，其特征在于：所述的执行装置包括液压执行装置、信号灯、风力发电机，作为PLC控制系统的输出液压阀动作、信号信号灯显示、风力发电机转动发电；

所述的液压执行装置包括液压工作站、PLC系统控制台、液压换向装置、液压驱动头、风力发电设备液压阀及液压制动装置，液压执行装置安装在风力发电机机械装置升降工作台上，通过升降工作的移动来调节液压执行装置。

7.根据权利要求5所述的一种PLC控制的风力发电系统，其特征在于：所述的风力发电机是风力发电设备中的主要机械设备，主要包括风轮机、叶片、转子及输出电压装置等设备。