本實用新型涉及可再生能源技術的風能與動力工程教學領域，具體為風電機組運行控制教學模擬裝置。

背景技術：

隨著當前風力發電的快速發展，配合行業技術人才的培養需求，高等院校風力發電相關專業應運而生，其專業教學大部分采用教師單純講授與工廠參觀的形式，學生無法進行主動學習，尤其對風電機組運行特性和監控的相關知識理解不深刻。而真正的風力發電機組造價昂貴、體積巨大、機組控制策略復雜難懂，難以將實際的風力發電機組應用到普通高校教學中來。

技術實現要素：

為了滿足教學需要，克服當前教學方法的缺陷，本實用新型提供一種風電機組運行控制教學模擬裝置，通過設計好的各模塊，模擬了實際的風力發電機組的自動運行控制系統。

本實用新型解決技術問題所采用的方案是：

風電機組運行控制教學模擬裝置，包括PLC控制器模塊、工具箱、電源模塊、實驗面板區域、風輪特性模塊、風電機組模型；所述的PLC控制器模塊通過連接線分別與實驗面板區域、風輪特性模塊、風電機組模型連接；電源模塊分別為PLC控制器模塊、實驗面板區域、風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。

實驗面板區包括啟動條件模擬區、運行狀態模擬區、安全系統模擬區、模擬信號輸入區、故障報警模擬區、變槳動作模擬區、偏航動作模擬區組成；

啟動條件模擬區采用6個并聯的開關與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、液壓準備和變距機構這六個啟動條件；

運行狀態模擬區采用4個并聯的開關與PLC控制器模塊的輸出端口連接，分別模擬待機、開機、并網、停機這四個運行狀態；還包括復位按鈕和手/自動并網切換開關，與PLC控制器模塊的輸入端口連接；

安全系統模擬區采用6個串聯的開關，分別模擬發電機過載、控制器失步、急停、風輪超速、過振和發電機超速這六個安全問題，從而模擬實際風電機組的緊急安全鏈；

模擬信號輸入區有兩個旋鈕，分別模擬風速和風向；風速由一個模擬輸入信號來模擬風速大小，將輸入電壓信號轉換為風速大小，PLC程序會根據模擬輸入風速的大小，改變發電機轉速，并顯示在液晶屏上；風向由一個模擬輸入信號來模擬發電機轉速大小，將輸入電壓信號轉換為風向大?。?/p>

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

變槳動作模擬區采用變槳電機與PLC控制器模塊輸出端口連接，通過調節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，將輸入電壓信號轉換為變槳角度；

偏航動作模擬區采用偏航電機與PLC控制器模塊輸出端口連接，通過調節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，將輸入電壓信號轉換為偏航角度；

還包括安全繼電器，負責模擬機組故障時的緊急關機過程；并聯的開關應由接入PLC控制器模塊的輸入端口，串聯的安全鏈開關接入PLC控制器模塊輸入端口。

風電機組運行控制教學模擬裝置的模擬方法，包括以下a～h步驟：

a、設計控制策略

設置好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位狀態；

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，表明風電機組已滿足所有啟動條件，做好開機準備；

④調節風速旋鈕，使模擬輸入風速到達風電機組的啟動風速3m/s，則風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，這便模擬了風電機組的整個開機過程；

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

c、偏航動作控制的模擬方法：

調節風向旋鈕模擬輸入風向，則滿足偏航條件，風電機組模型可以進行自動或手動偏航，從而模擬風電機組的偏航功能；

d、并網功能的模擬方法

調節風速旋鈕使PLC上顯示的轉速達到1000r/min，則滿足并網條件，風電機組模型可以進行自動或手動并網，從而模擬風電機組的并網功能；

e、變槳動作控制的模擬方法

首先調節風速旋鈕使模擬輸入風速達到12m/s，滿足變槳條件；再將風輪葉片與步進電機的輸出軸連接，當步進電機轉動時，葉片會按控制的速度隨之旋轉，從而改變葉片的槳距角，實現變槳動作；風電機組模型可以進行自動或手動變槳，從而模擬風電機組的變槳功能；

f.安全停機的模擬方法

在發電運行中，當按下某個安全鏈開關時，表明監測到風電機組模型對應結構出現安全問題，則風電機組模型會停止發電運行，進行安全停機，從而實現了風電機組安全停機的模擬功能；

g.故障停機的模擬方法

在發電運行中，當按下某個故障報警開關時，表明監測到風電機組模型對應系統出現故障，則風電機組模型會停止發電運行，進行緊急停機，從而實現了風電機組故障停機的模擬功能；

h.正常停機的模擬方法

在發電運行中，調節風速旋鈕使模擬輸入風速達到切出風速25m/s,滿足正常停機的要求，此時按下停機按鈕，停機燈亮，則風電機組模型就會停止發電運行，從而實現了風電機組正常停機的模擬功能。

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

附圖說明

圖1是本實用新型的結構圖；

圖2是本實用新型的實驗面板區結構示意圖；

圖3是本實用新型的風輪特性模塊結構示意圖；

圖4是本實用新型的風電機組模型結構示意圖；

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

結合附圖說明本實用新型的具體實施方式。

如圖1所示，風電機組運行控制教學模擬裝置，包括PLC控制器模塊1、工具箱2、電源模塊3、實驗面板區域4、風輪特性模塊5、風電機組模型6；PLC控制器模塊1通過連接線分別與實驗面板區域4、風輪特性模塊5、風電機組模型6連接；電源模塊3分別為PLC控制器模塊1、實驗面板區域4、風輪特性模塊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，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。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內置高達32K大容量存儲器；

④標準模式時基本指令處理速度可達0.21μs；

⑤控制規模:14～256點，包括CC-LINK網絡I/O；

⑥定位功能設置簡便，最多三軸；

⑦可實現浮點數運算；

⑧可設置兩級密碼，每級16字符，增強密碼保護功能。

實驗者利用上位機程序將自主設計的控制策略下載到PLC中，PLC控制器模塊控制風電機組運行控制教學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，為實驗面板區域4、風輪特性模塊5提供共陽極高電平。

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

啟動條件模擬區4.1采用6個并聯的開關與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、液壓準備和變距機構這六個啟動條件。

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

安全系統模擬區4.3采用6個串聯的開關，分別模擬發電機過載、控制器失步、急停、風輪超速、過振和發電機超速這六個安全問題，從而模擬實際風電機組的緊急安全鏈。

模擬信號輸入區4.4有兩個旋鈕，分別模擬風速和風向；風速由一個模擬輸入信號來模擬風速大小，將輸入電壓信號轉換為風速大小，PLC程序會根據模擬輸入風速的大小，改變發電機轉速，并顯示在液晶屏上；風向由一個模擬輸入信號來模擬發電機轉速大小，將輸入電壓信號轉換為風向大小；

故障報警模擬區4.5采用6個并聯的開關與PLC控制器模塊1的輸入端口連接，分別模擬偏航系統故障、液壓系統故障、變距系統故障、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，通過調節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，將輸入電壓信號轉換為變槳角度；

偏航動作模擬區4.7采用偏航電機與PLC控制器模塊1輸出端口連接，通過調節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，將輸入電壓信號轉換為偏航角度；

安全繼電器4.8負責模擬機組故障時的緊急關機過程；并聯的開關應由接入PLC控制器模塊1的輸入端口，串聯的安全鏈開關接入PLC控制器模塊1輸入端口。

如圖3所示，風輪特性模塊5，通過通訊線和PLC控制器模塊1連接，內嵌相關參數實現風輪特性輸出的程序算法，在輸入端口輸入槳距角β、風速v、發電機轉速n三個參數，便會通過程序算法得出一組調節量并經由PLC控制器模塊1發出動作指令完成調節，調節后的運行參數又會通過反饋通路作為風輪特性模塊5的輸出參數，進而完成新一輪調節。從而模擬了風電機組實際運行中對風輪的輸出特性。

風電機組模型6如圖4所示，風電機組模型6，包括風輪6.1，風輪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電機組，風電機組模型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對風電機組啟動、并網、變槳、偏航、停機等工況模擬的功能。下面介紹實現這些模擬功能所用的方法：

實現風電機組控制系統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、液壓準備和變距機構，6個開關分別對應PLC輸入X004、X005、X006、X007、X010、X011。

②安全鏈

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

③故障報警

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

各模擬功能的實現方法：

a、設計控制策略：

用和PLC控制器模塊1配套的編程軟件設計控制策略，設置好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，風電機組運行控制教學模擬裝置便有了自動控制風電機組運行的功能。

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

b、開機功能的模擬方法：

(1)實現該功能的流程圖如圖6所示；

(2)實現該功能的具體方法：

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

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，表明風電機組已滿足所有啟動條件，做好開機準備；

④調節風速旋鈕，使模擬輸入風速到達風電機組的啟動風速3m/s，則風電機組可以開機，此時按下開機按鈕，則待機燈滅開機燈亮，這便模擬了風電機組的整個開機過程。

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

c、偏航動作控制的模擬方法：

(1)實現該功能的流程圖如圖7所示；

(2)實現該功能的具體方法：

調節風向旋鈕模擬輸入風向，則滿足偏航條件。

①當手/自動開關在自動側時，儀器會按照學生自學習式偏航控制算法進行自動偏航，從而實現自動偏航功能；

②當手/自動并網開關在手動側時，按下順時針偏航按鈕，則步進電機順時針轉，由于風電機組模型的塔架和步進電機的輸出軸相連，則風電機組模型也會隨著步進電機順時針轉，同時偏航角度會在PLC控制器模塊液晶屏上顯示，從而實現對風電機組順時針偏航動作的模擬；按下逆時針偏航按鈕，則可實現對風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；

d、并網功能的模擬方法

(1)實現該功能的流程圖如圖8所示；

(2)實現該功能的具體方法：

調節風速旋鈕使PLC上顯示的轉速達到1000r/min，則滿足并網條件，風電機組模型準備并網

①當手/自動并網開關在自動側時，儀器會進行自動并網，且并網燈亮，從而實現自動并網功能；

②當手/自動并網開關在手動側時，按下并網按鈕，則風電機組模型并網，且并網燈亮，從而實現手動并網功能。

e、變槳動作控制的模擬方法

(1)實現該功能的流程圖如圖9所示；

(2)實現該功能的具體方法：

首先調節模擬輸入風速旋鈕使風速達到12m/s，滿足變槳條件；再將風輪葉片與步進電機的輸出軸連接，當步進電機轉動時，葉片會按控制的速度隨之旋轉，從而改變葉片的槳距角，實現變槳動作。

①當手/自動開關在自動側時，儀器會按照學生自學習式變槳控制算法進行自動變槳，從而實現自動變槳功能；

②當手/自動并網開關在手動側時，按下順時針變槳按鈕，步進電機順時針轉，帶動葉片順時針旋轉，變槳角度會在PLC液晶屏上顯示，從而實現對風電機組負變槳動作的模擬；按下逆時針變槳按鈕，則可實現對風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。

f.安全停機的模擬方法

在發電運行中，當按下某個安全鏈開關時，表明監測到風電機組模型對應結構出現安全問題，則風電機組模型會停止發電運行，進行安全停機，從而實現了風電機組安全停機的模擬功能。

g.故障停機的模擬方法

在發電運行中，當按下某個故障報警開關時，表明監測到風電機組模型對應系統出現故障，則風電機組模型會停止發電運行，進行緊急停機，從而實現了風電機組故障停機的模擬功能。

h.正常停機的模擬方法

在發電運行中，調節模擬輸入風速旋鈕使風速達到切出風速25m/s，滿足正常停機的要求，此時按下停機按鈕，停機燈亮，則風電機組模型就會停止發電運行，從而實現了風電機組正常停機的模擬功能。