风电作为一种清洁能源越来越受到人们的关注，其中风电机组的控制系统是保证其正常运行的核心。目前大型风力发电机组多处于边远的地区和海上，机组本身结构的复杂性以及恶劣的外部环境，使得机组经常出现故障，影响正常生产运行。本文以大唐包头固阳怀朔风电场为研究对象，尝试开发出基于西门子 S7—300PLC 为主控制器的风机主控制系统，以保证机组更加稳定可靠的运行。
### 风力发电机组主控制系统的研究
#### 一、引言
随着全球对清洁能源需求的不断增长，风能作为一种重要的可再生能源受到了广泛的关注。在风力发电领域，风电机组的控制系统对于确保设备的正常运行至关重要。尤其对于位于偏远地区或海上的大型风力发电机组而言，其复杂的结构与恶劣的工作环境往往会导致频繁的故障，进而影响到整个风电场的正常生产和运行效率。因此，研究和开发更为高效稳定的风力发电机组主控制系统成为了当前的重要课题之一。
#### 二、研究背景与目标
本研究选取大唐包头固阳怀朔风电场作为研究对象，旨在开发一套基于西门子S7-300PLC为主控制器的风机主控制系统。该系统旨在解决现有风电机组在复杂环境条件下存在的问题，提升风能利用效率，确保机组运行更加稳定可靠。
#### 三、关键技术点
1. **模糊控制理论的应用**：为了提高风能利用率，研究引入了模糊控制理论，并成功实现了独立变桨距控制。模糊控制算法能够更好地适应非线性和多变量性的变桨距系统，有效稳定了发电机的功率输出。
2. **流程控制模块**：确保了风机正常启动与停止的流程控制模块，能够根据不同风速情况调整机组的运行状态，包括启动、最大风能跟踪、恒转速以及恒功率等四个阶段。
3. **小波分析理论的应用**：通过引入小波分析理论，显著提高了系统在振动监测方面的性能，有助于提前发现潜在的故障风险，保障设备的安全运行。
4. **人机交互界面设计**：利用组态软件设计触摸屏界面，以图像、报表、文字等多种形式直观展示系统状态，提升了人机交互体验。
#### 四、风电机组结构与原理
当前主流的大型风电机组采用的是变频恒速双馈机型。其主要组成部分包括风力机、齿轮箱、双馈电机及变频器。工作流程如下：
- 风力机接收风能并通过齿轮箱将其转化为机械能。
- 机械能进一步传递给发电机，由发电机将之转化为电能并输送至电网。
#### 五、过程监测控制模块设计
风电机组的主控制系统主要包括以下几个关键模块：
1. **变桨距控制模块**：通过电动变桨距系统实现对叶片的精确控制，采用模糊控制算法优化变桨过程，以适应不同的风速条件。
2. **偏航控制模块**：负责风电机组的方向调整，确保风轮始终面向风向，同时具备自动解缆和风轮保护功能。
3. **流程控制模块**：根据不同风速情况调整机组的运行状态，确保在各种情况下都能保持最优的能源转化效率。
4. **制动控制模块**：包括机械制动和空气动力制动两种方式，确保机组能够安全平稳地从运行状态转换到停机状态。
5. **振动监测模块**：通过监测齿轮箱内部的振动情况，及时发现潜在的机械故障，保障设备的长期稳定运行。
#### 六、结论
通过上述关键技术点的应用与设计，本研究所提出的基于西门子S7-300PLC的风力发电机组主控制系统能够显著提高风电机组的运行稳定性与可靠性。此外，通过优化控制策略和改进监测技术，还能进一步提升风能的利用效率，为风电行业的可持续发展做出贡献。未来的研究可以继续探索更多先进的控制技术和数据分析方法，以应对日益复杂的风电应用场景。
