風電機組運行控制教學模擬裝置及其模擬方法制造方法及圖紙

本發明專利技術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及其模擬方法。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；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。該裝置用于教學模擬實驗，通過PLC控制器模塊和風輪特性模快，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，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。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術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及其模擬方法。
技術介紹
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。
技術實現思路
為了滿足教學需要，克服當前教學方法的缺陷，本專利技術提供一種風電機組運行控制教學模擬裝置及其模擬方法，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。本專利技術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小；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。本專利技術提供的風電機組運行控制教學模擬裝置及其模擬方法，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模快，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是本專利技術的結構圖；圖2是本專利技術的實驗面板區結構示意圖；圖3是本專利技術的風輪特性模塊結構示意圖；圖4是本專利技術的風電機組模型結構示意圖；圖5是本專利技術的模擬方法流程圖；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專利技術的具體實施方式。如圖1所示，風電機組本文檔來自技高網...

【技術保護點】
風電機組運行控制教學模擬裝置，其特征在于：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)；所述的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。

【技術特征摘要】
1.風電機組運行控制教學模擬裝置，其特征在于：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)；所述的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。
2.根據權利要求1所述的風電機組運行控制教學模擬裝置，其特征在于：所
述的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。
3.根據權利要求2所述的風電機組運行控制教學模擬裝置，其特征在于：所
述的實驗面板區(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，

\t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；
還包括安全繼...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄧英，田德，張超宇，陳忠雷，龐輝慶，
申請(專利權)人：華北電力大學，
類型：發明
國別省市：北京;11