基于PLC的風力發(fā)電控制系統(tǒng)設計—本科畢業(yè)設計論文

1、 基于plc的風力發(fā)電控制系統(tǒng)設計摘 要：近年來隨著經濟的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷改善，在世界范圍內石油、煤炭這些不可再生資源的使用量已經大大超過環(huán)境所能承受的范圍，燃燒發(fā)電廠產生的污染物也對地球環(huán)境產生了負影響。然而風能是一種清潔、可再生的能源，在發(fā)電這一領域具有巨大的開發(fā)潛力和商業(yè)活力。隨著科技的不斷進步，計算機和可編程控制的科研水平在提升，這對于風電控制的研究又提供了新的途徑。針對風能具有隨機性、不確定性的特點，本文用西門子可編程控制器s7-200來對風力發(fā)電進行控制。主要內容包括電氣原理圖和設計流程圖的繪制，plc、電氣元件的選型，發(fā)電機組啟動控制、偏航控制、溫度控制和變壓器控制等

2、。在論文中給出詳細的控制原理解釋和各模塊的功能介紹，并配有每一模塊的控制程序。最后進行相關調試和仿真，利用step7-micro/win32編程軟件對plc程序進行調試、仿真運行和在線診斷等，使仿真結果滿足設計要求。關鍵詞：風力發(fā)電；可編程控制器；偏航；溫度控制the control system of wind power based on plcabstract：in recent years, with the continuous development of the economy and peoples living standards continue to improve, i

3、n the scope of world petroleum, oil and coal these non-renewable resource consumption was significantly more than the environment can stand. combustion power generation of pollutants generated also produced negative effect to the environment of the earth. however, the wind energy is a clean, renewab

4、le energy power generation, it has tremendous development potential and business activity in this area. with the progress of science and technology, computer and programmable control of the level of scientific research in ascension, for wind power control research provides a new way. in this paper,

5、aiming at these characteristics of uncertainty and randomness wind energy, we can use siemens programmable controller s7-200 to wind power control. the main contents include drawing the corresponding electrical schematic diagram and the flow chart, selecting the plc and electrical components, turbin

6、e start-up control, yaw control, temperature control, transformer control and so on. in this paper, it gives detailed explanation of the control principle and the function of each module and control program. finally, it needs testing and simulation, using of step7-micro/win32 programming software fo

7、r the plc program debugging, simulation and online diagnosis and so on, so that the simulation results meet the design requirements.key words：wind power generation; programmable controller; yaw; temperature control目 錄1 引言1.1 選題背景與意義自然界的風，是由于大氣運動而產生的自然形式。大氣運動則是因為大氣受到太陽的輻射，能量來源于大氣吸收的部分太陽能，太陽到達地球輻射的20%

8、會轉變成風能。人類對于風能利用的歷史久遠，可以追溯到公元10世紀，波斯就出現(xiàn)了種水平轉動的風磨，即為以風車為動力的磨坊。公元12世紀時，歐洲開始使用風車來抽水，碾磨谷物，海航中利用風帆來推進船只前進等。此后，風車和風帆一直是人們主要的動力機械。到19世紀中葉蒸汽機出現(xiàn)之后，以風能為主能源的應用才逐漸減少。中國開始利用風車作為動力大約在13世紀中葉?，F(xiàn)在人們所說的風能利用主要是指風力發(fā)電。最早的風車是由一位名叫阿布羅拉的古波斯奴隸發(fā)明的1，它就是一種簡單的風力發(fā)電機。在此后的時代中，這種風能的技術從中東傳入歐洲，荷蘭人利用風車進行排水，與海爭地，在低洼的海灘上建設強大的國家。19世紀丹麥人首先研

9、制出了風力發(fā)電機，在1891年丹麥建成世界上第一座風力發(fā)電站。此后在20世紀，風力發(fā)電蓬勃發(fā)展。21世紀開始，風能成為世界能源供應的支柱之一。風能是種取之不盡、用之不竭的可再生能源之一。它的特點是生產運用過程安全清潔，成本花費較低，來源不受限制。風能也是種最具商業(yè)潛力，最具發(fā)展活力的綠色能源，運用于發(fā)電這一領域有很大的運用空間。風力發(fā)電具有裝機容量增長快，成本下降快，安全環(huán)保等優(yōu)勢。風力發(fā)電在為社會發(fā)展和經濟增長提供穩(wěn)定可靠的電力供應的同時，可以有效地緩解空氣污染、水體污染和溫室效應問題。在各類新能源開發(fā)利用中，風力發(fā)電技術相對于其他能源開發(fā)是比較成熟的，并且具有大規(guī)模場地開發(fā)和商業(yè)經濟開發(fā)的

10、條件。風力發(fā)電可以完全避免像石油、煤炭等化石燃料發(fā)電所產生的大量污染物和二氧化碳排放。大規(guī)模推廣風力發(fā)電不僅在節(jié)能減排工作上做出了積極的貢獻，而且這種能源開發(fā)方式的理念在社會和人群中得到廣泛的支持。在全球能源危機和環(huán)境日益脆弱的嚴重背景下，風能資源的開發(fā)越來越受到普通民眾關注。近代風力發(fā)電機發(fā)展可以分為三個階段2：第一階段，在20世紀70至80年代。人們證明了風能可以用來發(fā)電，風的許多特點是可以被人們加以利用和控制的。丹麥和美國的研究水平提升最快，風力發(fā)電機容量也從幾十瓦發(fā)展到百千瓦。第二階段，20世紀末。風電技術逐步成熟，風電產業(yè)成規(guī)模發(fā)展，并建立了穩(wěn)定的商業(yè)模式。技術較為成熟的專業(yè)制造企業(yè)

11、大量出現(xiàn)，單機容量從百千瓦提高到幾百千瓦，變漿機組技術成熟并進入市場，與失速機組在競爭中發(fā)展。第三階段，21世紀初。兆千級的風力發(fā)電機成為主要趨勢，海上風電開始大規(guī)模發(fā)展。隨著單機容量提高，為應對極限載荷和疲勞載荷的挑戰(zhàn)，新的直驅變速變漿和雙饋變速變漿逐步成為兆千級風力發(fā)電機的主流技術。在風電領域中引入新技術，例如計算機技術和先進的控制技術，這一舉措使得風電機組的控制方式從單一的定漿距失速式轉變?yōu)橹悄芑?，偏航變槳距變速式的。主要的控制方式有人工手動調控，計算機模擬，上下通信，預測調控，微控制器自動檢測調控等。在智能化的風電領域中，通過調節(jié)發(fā)電機電磁力矩和風電機輪片槳距角使葉尖速比保持在最佳值

12、，實現(xiàn)風力的最大能量獲取。利用風速風向、風力測量儀檢測實際模擬量和數(shù)字量或是電功率，傳遞給主控制器進行運算處理，控制器做出相應的控制措施，調整輪片轉速，偏航角度等。但在隨機性差異大，不確定因素多，非線性嚴重的風電系統(tǒng)中，這種簡單的控制方法也會產生很大的誤差。所以在國際國內范圍內，研究人員都致力于最合適的控制方式，例如模糊邏輯控制，神經網絡智能控制，魯棒控制等。使風電控制相自動化智能化一體化方向發(fā)展?；诂F(xiàn)在風電機組發(fā)展的幾個主要趨勢，本文主要研究風電機的控制策略和控制方法，由于外界因素影響大，導致風不穩(wěn)定，而且風電機組的容量逐步增大不適宜適應多變的外界環(huán)境，風電系統(tǒng)和電網之間聯(lián)系也越來越復雜，

13、所以對控制方法要求很高?；趐lc為主控制器的系統(tǒng)，邏輯功能強大，體積小，結構簡單，編程方便，便于擴展，通用性強，使用安全便捷，能夠直接反應現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，達到有效高速地控制整個系統(tǒng)的目的。本文運用可編程控制器西門子s7-200作為主控制器，通過啟動發(fā)電機，偏航控制，變壓器控制和溫度控制等幾個模塊設計，對不穩(wěn)定的風做出相應的控制，使得風能得到最大程度的利用。1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國內發(fā)展狀況我國的風能資源分布：我國風能資源的地區(qū)區(qū)域差異大。沿海、內蒙古和甘肅北部、黑龍江南部和吉林東部三個區(qū)域風能最多；青藏高原中部和北部、西北、華北、東北三區(qū)域的北部，東南沿海的風能資源豐富；山區(qū)

14、，例如南嶺、武夷山地區(qū)，遼河、華北、長江中下游平原、西北高原地區(qū)，風能可待開發(fā)利用；云貴川陜西、豫西、鄂北、湘西、福建廣東，盆地地形區(qū)等風能貧乏。我國風能資源的分布除了具有空間上的差異以外，在時間上也有很大的差異。東部沿海地區(qū)，夏季風勢力強勁，風能資源主要集中在夏季。而北方以及西北內陸地區(qū)，冬季風勢力強勁，所以這些地區(qū)風能資源主要集中在冬季。我國政府在2007年制定了可再生能源中長期發(fā)展計劃，力求達到2010年和2020年風電裝機容量要到達1000萬千瓦和3000萬千瓦的目標，并且制定了風電設備國產化的政策3。2005年中國除臺灣省外裝機容量50.3萬千瓦。與2004年當年新增裝機19.8萬千

15、瓦相比，2005年當年新增裝機增長率達到了254%。2008年，我國的新增裝機容量已達到630萬千瓦,我國總裝機容量翻兩倍達到了1200萬千瓦，已達到了上面所說的2010年風電裝機1000萬千瓦的目標。在2010年，我國的風電裝機容量已超過3000萬千瓦，而2020年則有望突破1億千瓦或者1.2億千瓦的風電裝機容量。風力發(fā)電機組主要零部件像是輪片、齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、電控系統(tǒng)、塔架等已經國產化，并且可以進行批量生產。我國風電發(fā)展方向有以下幾方面：（1）風力發(fā)電從陸地向海面拓展。（2）單機容量進一步增大。（3）新方案和新技術的應用：例如變速恒頻技術和變槳距調節(jié)技術在功率調節(jié)方法上的應用，計

16、算機分布式控制技術和新的控制理論應用。（4）風力發(fā)電機組更加個性化。圖1-1 我國風能資源分布圖1.2.2 國外發(fā)展狀況在20世紀70年代，以美國為主的西方國家發(fā)生石油危機波及全球范圍后，許多國家開始尋求代替化石燃料的新能源，在研究風力發(fā)電這一領域上，投入了相當多的人力和物力，結合空氣動力學理論，運用新型材料，電機，可編程控制器，計算機技術，通信技術，自動化控制等最新開發(fā)成果，研發(fā)新一代的風力發(fā)電機組，充分利用豐富的風能資源，開創(chuàng)了一個綠色風能時代。在技術方面，美國，丹麥，德國等科技實力強勁的國家向風電機偏航控制，變槳距控制，調整失速控制，自動化調控等各方面進行開發(fā)，他們建立了各種基于計算機技

17、術的風能資源的測量，傳感和模擬系統(tǒng)，擴展了空氣動力學方面的理論知識，研制出了新一代的電機，例如具有變速發(fā)電機、變極發(fā)電機、變速恒頻發(fā)電機、變滑差發(fā)電機、步進低速發(fā)電機等。開發(fā)種由計算機控制多臺或單臺風力發(fā)電機組成的組群的自動控制系統(tǒng)，這些措施都很大地提升了風力發(fā)電的效率及可靠性3。海上風電場是最近世界范圍內廣泛推廣使用的大型有效利用風能資源的形式，在1980年初在美國加利福尼亞首先興起。在海陸線附近由于陸地、海洋吸熱量差異大，表體溫度差異大而產生豐富的風能資源，風力強大，可以大規(guī)模采取進行發(fā)電。不過在海陸線上建設風力發(fā)電廠還存在技術的難度，需要投入巨額資金裝備和維護，所以在美國，德國，中國等這

18、樣的大國才進行投產建設。2003年底，全球風力發(fā)電裝機總容量突破4000萬千瓦，風力發(fā)電占全球電力供應的0.5。過去5年全球風電裝機容量年平均增長速度超過26.3，2003全球的新增風電裝機容量已經超過830萬千瓦。目前全世界風電工業(yè)規(guī)模約為120億美元，預計到2020年可望達到1200億美元。近年來美國的風力發(fā)電發(fā)展最高端，新增裝機容量169萬千瓦，總裝機容量達到636萬千瓦。美國風電年均平增速達到了24，有超過30個州建成了風電場。毋庸置疑，全球最重要的風電市場之一是美國，雖然政府政策方面的不確定性和不穩(wěn)定性使得風力發(fā)電的發(fā)展充滿了隨變性，但還存在著有利于風電發(fā)展的積極要素。全世界風力發(fā)電

19、發(fā)展速度最快是歐洲。歐洲也是風電設備裝設最多的一大洲。20世紀初時歐洲地區(qū)累計風電裝機容量為2930萬千瓦，約占全球風電總裝機容量的73。盡管2003年歐洲風電裝機增長幅度有所放緩，年增幅由02年的35降為23，不過隨著一些歐洲國家海上風電項目的發(fā)展，預計歐洲地區(qū)風電裝機仍將維持快速增長的勢頭。亞洲地區(qū)風力發(fā)電與西方國家相比發(fā)展相對比較緩慢，除了印度中國，其它國家風電裝機容量都很小。2011年全球風電新增裝機容量超過41000mw3，目前全球風電總裝機容量已經超過238000kw。這表明去年風電市場的年增長率達6%，總量同比增長超過21%。另一組統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出，在全球已經有風電商業(yè)運營項目的75

20、個國家中，超過22個國家裝機容量已逾1gw。就發(fā)展相對成熟的歐美風電市場來看，歐洲去年新增裝機9.6gw，總裝機容量上升至94gw，這一數(shù)字支撐著歐洲6.3%的用電需求。美國風電行業(yè)去年新增裝機6.8gw，形勢有所回落。過去幾年風電裝機量在美國的新增裝機里占到了三分之一，而且正在努力實現(xiàn)到2030年使風電能提供美國20%的用電量的目標，這也是布什政府之前的政策之一。索耶爾對2012年拉美、亞洲和非洲的風電市場表示出樂觀的判斷，但他同時指出，“如果不對全球傳統(tǒng)發(fā)電方式的碳排放成本價格化后計入其真實發(fā)電成本，風電產業(yè)將在一直在巨大壓力下前行?！眹H風電發(fā)展方向有以下幾方面：（1）變速恒頻機組應運而

21、生。（2）定槳距機組逐步向變槳距機組轉換。（3）葉片、齒輪箱、發(fā)電機等關鍵部件不斷在可靠性、大型化。（4）控制與監(jiān)控技術不斷完善。（5）海上風能利用技術及其風電場建設受到重視。（6）致力于風力發(fā)電成本不斷下降。1.3 主要內容及章節(jié)安排在本文中，設計一個風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)，主控制器為可編程控制器西門子s7-200。主要完成的內容包括風力發(fā)電系統(tǒng)的初始化，發(fā)電機的啟動，偏航控制，變壓器控制和溫度控制，在溫度過高時進行溫度的調控?？刂茩C組應具有輪片隨風向變化而變化的動作且具有恒功率輸出的表現(xiàn)，傳感器對風向標的夾角進行檢測，風機轉動在相應設定角度值區(qū)間內，根據(jù)需要采取相應的措施，變壓器變送高電壓

22、，對電力傳輸能夠施以嚴格的管理控制。本文中應了解相關風力發(fā)電的知識和需解決的一些具體問題：理解相關空氣動力學知識，理解風力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件設備，選擇合適的元器件型號；如何假設建立個風力發(fā)電硬件模擬設備組，如何有效合理地分配i/o地址，如何正確繪制各個功能的電路圖，如何編制plc程序，如何進行上下位機聯(lián)調模擬等。在論文中的第一章中講述了設計課題的背景和選題意義。從風力發(fā)電相比不可再生資源發(fā)電具有的優(yōu)勢和plc控制的好處這兩個方面介紹基于plc風力發(fā)電控制系統(tǒng)的設計意義。文中又介紹了風力發(fā)電的歷史，國內、國外發(fā)展現(xiàn)狀與研究趨勢。最后列舉了設計的主要內容和各章節(jié)的安排。第二章主要介紹了發(fā)電機組的組

23、成和空氣動力學的相關知識。文中說道風電機組是由風輪、機艙、塔架以及控制系統(tǒng)這四個部分組成且詳細描述了各部分的結構、功能等。在風能理論中介紹了風速和風能的意義。第三章和第四章是本論文中的重點部分。第三章主要是設計方案的確定，從整體到各個模塊分層介紹了各個控制部分的工作原理、工作過程，繪制控制流程圖，最后制作i/o地址分配表。第四章則是控制程序的具體分析，針對各控制功能列出程序進行詳細解說，最后形成控制總程序。第五章中主要說明了對已編好的程序進行調試和仿真的過程，最后得出仿真結果。利用step7-micro/win32軟件輸入程序，查錯調試，連接實驗電路板，進行模擬仿真，根據(jù)觀察結果判斷程序正確與

24、否。最后一章是對本文的分析和總結，列出設計中的不足之處及改進方案。附錄中給出了整個系統(tǒng)的硬件電路圖。2 風電機組組成與風能理論 風能發(fā)電的原理，是風力帶動風電機的輪片旋轉，輪片的一端連接發(fā)電機的機械聯(lián)動桿，發(fā)電機內導體切割磁感應線而產生電流，這樣實現(xiàn)了風力發(fā)電的目的。 按照現(xiàn)在的風機技術，風速3m/s左右的微風即可以開始發(fā)電。本章簡單介紹風力發(fā)電機組的組成以及相關的空氣動力學知識，即可清楚了解風力發(fā)電的原理和過程。2.1 風電機組組成部分介紹 風力發(fā)電機組是將風能轉化為電能的裝置，按其容量可大小以劃分為小型風電機組（10kw以下），中型風電機組（10100kw），大型風電機組（100kw以上）

25、；按其主軸與地面的相對位置，可以劃分為水平軸風力發(fā)電機組（主軸與地面平行），垂直軸風力發(fā)電機組（主軸與地面垂直）。最早最簡單的風力發(fā)電機由葉輪和發(fā)電機兩個部分組成，站立于一定高度的塔上。由于外界因素影響風很不穩(wěn)定，這類風力發(fā)電機電壓、頻率差異很大且效率低下，沒有實際運用價值。所以在原有的基礎上，增加了偏航系統(tǒng)，齒輪箱，控制系統(tǒng)，停機系統(tǒng)等部件更加有效地使用風能。在現(xiàn)有技術基礎上大致可以把一個普通的風電機分為四大部分：風輪組件，機艙組件，塔架組件以及控制部分。圖2-1表示風機各個部分的組成。圖2-1 風電機組的組成2.1.1 風輪及其組件 風輪由三部分組成：葉片、輪轂、風輪軸4。風輪是風力發(fā)電機

26、最重要的部件，也是風力發(fā)電機區(qū)別于其他發(fā)電機的顯要標志，其作用是獲取和吸收風能，它將風能轉化為機械能。而風輪軸則將能量給傳動機構。葉片是風力發(fā)電機獲取風能的部件，風能利用率的好壞大都取決于良好的葉片外形，它材料的強度、硬度、密度以及使用壽命。一般葉片具有高硬度，高強度，低密度等特點。根據(jù)葉片橫截面形狀可以將葉片分為平板型，弧板型和流線型。輪轂是將葉片和葉片組固定到主轉軸上的裝置。它的作用是葉片的力和力矩傳遞到主傳動機構中。輪轂有固定式和鉸鏈式兩種。風輪軸也叫主軸、低速軸，它在風輪以及齒輪箱之間。其前面端子由螺栓與輪轂剛性連接，后面端子與齒輪箱低速相連，結構復雜且受力大。風輪軸有較高的綜合機械性

27、。此外風輪機構組件還包括變漿機構，它是根據(jù)風速的變化來調節(jié)槳距角，用以風電機保持高效率的輸出功率。2.1.2 機艙及其組件 風力發(fā)電機的機艙承擔容納所有的機械零部件，起到支撐作用。它還需要承受所受外力作用（靜負載和動負載），機艙罩材料應具高強度高硬度，表面光滑，均勻厚度，無層件剝離等特點。其中包含齒輪箱、發(fā)電機等主要部件。機艙的左邊是風力發(fā)電轉子（葉片與風輪軸）。 風力發(fā)電機的傳動機構包含增速器、主軸、齒輪箱、發(fā)電機和聯(lián)軸器等4，它是用于傳遞機械能，并且將機械能轉化為電能的裝置。一般情況下，風輪轉速低于發(fā)電機的轉子所必須的轉速，增速器要給風輪轉動加速。聯(lián)軸器與制動器往往設計在一起。 發(fā)電機是將

28、傳動軸傳給的機械能轉化為電能的裝備。一般選用直流發(fā)電機、永磁發(fā)電機、同步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機等作為風電專用發(fā)電機。 齒輪箱也是風電發(fā)電機組的關鍵部件之一，它的作用是在風電機工作在低轉速，而發(fā)電機在高轉速下運作時，使兩者實現(xiàn)工作的匹配。葉片產生的轉矩通過齒輪的傳動遞給發(fā)電機。齒輪箱結構復雜，在機艙內安裝空間小，由于外界工作環(huán)境惡劣，常有強風沖擊，維修檢查顯得十分困難，所以齒輪箱材料和可靠性要求比較高。齒輪箱按照傳動的方式可以分為：展開式，分流式，同軸式和混合式。圖2-2展示了齒輪箱的樣式。圖2-2 風力發(fā)電齒輪箱 偏航系統(tǒng)也稱作對風裝置，被安裝在機艙座內。它的作用是調控葉片隨著風向變化而變

29、化，快速平穩(wěn)地對準風向，以便風機獲得最大的風能；當機艙內引出電纜發(fā)生纏繞時，它會自動解纜。2.1.3 塔架部件 塔架的功能是支撐位于空中的機艙、輪片等風力發(fā)電主要器件，一般要求高度達到六十米以上，且塔架與地基相連接處要求牢固，能夠承受強大的風力沖擊以及有風力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的不同載荷，將這些載荷接地消除，使得整個系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全地運行下去。塔架內部配置線纜還必須將發(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，必須配有爬梯與安全導軌，備以工作人員操作、維護。塔架的幾種基本形式：單管拉線式，衍架拉線式，衍架式和錐筒式。2.1.4 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是整個風力發(fā)電機組的核心部分

30、，它關系到系統(tǒng)中每一個部件的動作和狀態(tài)。通常使用plc，或者dsp微機處理器作為控制器件，它們功能強大，能夠應付惡劣的工作環(huán)境，所以受到廣泛應用?？刂葡到y(tǒng)的功能主要有對運行過程的模擬量和數(shù)字量進行采集、傳遞、分析、運算，從而做出命令控制風電機組的運行，使得功率輸出穩(wěn)定，轉速在合理的范圍內；若出現(xiàn)故障或者遇到異常情況可以快速準確地檢測到并且分析原因，做出相應的保護措施或停機?？刂葡到y(tǒng)通常由各種傳感器，微機處理器，編程控制器，軟件系統(tǒng)和執(zhí)行機構組成。圖2-3為風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)示意圖。圖2-3 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)2.2 風能理論簡介2.2.1 風速和風能瞬時風速是指風速的瞬時值8。它只可給出相

31、關風的近似概念，并且因為傳感器的慣性作用，風速的瞬時值只能近似地測量。瞬時風速v用平均風速vm加上風的波動分v來表示：v=vm+v （2.1） 風速為v，當風吹過葉輪時，葉輪受力轉動。假設m為氣體質量，為空氣密度。根據(jù)空氣流體力學可知，在一秒中流向風輪的空氣具有的動能為：e=mv2 （2.2）單位時間里氣體流過截面s的氣體體積是v，那么v=sv （2.3） 單位氣體體積的質量為m=v=vs （2.4） 流動氣體具有的動能為e=mv2=v3s （2.5） 據(jù)風能表達式可知，風能的大小與流過截面的面積和氣體的密度相關且成正比，與氣體流速的立方也成正比。氣體密度和速度都隨著海拔高度的變化而變化。p為

32、當?shù)卮髿鈮?，t為當?shù)卮髿鈮?，則氣體密度計算公式：= （2.6） （2.6） 2.3 本章小結 本章主要介紹了風力發(fā)電機組的四個主要組成部分：風輪及其組件、機艙及其組件、塔架部件和控制系統(tǒng)，詳細介紹了它們的構造和功能。最后還介紹了相關的風能理論知識。3 設計方案和電氣元件選型3.1 設計方案風力發(fā)電的主要工作原理：機械能轉化為電能，這也是發(fā)電機工作的原理。控制方面的工作原理及過程為：當系統(tǒng)的總開關合上后，可編程控制器初始化，測速傳感器感知到風速模擬信號a/d轉換后并且傳輸給plc，處理中心則將模擬量與額定參數(shù)進行比較，若在參數(shù)范圍內則啟動系統(tǒng)中的發(fā)電機，不在參數(shù)范圍內則報警手動停機。發(fā)電機運作后

33、，在運作過程中溫度傳感器、風向傳感器、測速傳感器將測得的各類參數(shù)模擬量a/d轉換后傳送給plc進行分析，plc根據(jù)分析后的結果，做出相應的動作，例如啟動發(fā)電機開始工作，隨風向的變化驅動電機隨之旋轉，繞纜時自動停機，運行冷卻機當機艙或塔架溫度過高時，變壓器運作控制等。一般設計的風力發(fā)電設備如果遇到突發(fā)情況，沙塵暴或是暴風，風速突然加大，測速傳感器要及時傳送模擬量，經plc分析后立即做出停機措施。最后還有將輸出的直流電流經過濾波器濾波，送入電流變換裝置成為三相交流電，這兩部分控制要求在本文中不涉及。據(jù)系統(tǒng)功能的要求，本文將對風力發(fā)電系統(tǒng)的啟動，發(fā)電機控制，偏航控制、溫度模糊控制以及變壓器控制著重進

34、行研究?？刂祈樞驗?，首先系統(tǒng)初始化啟動后，進行發(fā)電機啟動，接著進行偏航控制，然后控制溫度的變化，最后控制變壓器的啟動與停止。了解該設計所需用到的電器元件，對各種元件進行選型。在設計中四個基本控制要求是：（1）發(fā)電機啟動之前，將外界風速模擬量轉換后傳送至內存單元，與正常發(fā)電的風速范圍進行比較，不在范圍內則警報進行手動停機，在范圍內則啟動發(fā)電機；（2）事先編制好風向標夾角的角度區(qū)間，啟動發(fā)電機后，將外界風向模擬量轉換后傳送給控制器，將角度數(shù)據(jù)分析后歸相應角度區(qū)間進行控制，運作向左偏航電機或者向右偏航電機，使之偏轉到合適風向范圍內；（3）對機艙和塔架內部的溫度進行控制，因為是對模擬量的閉環(huán)控制，所以

35、采用pid控制方法。系統(tǒng)內分為機艙控制單元與塔架控制單元，打開進氣閥排放冷氣流，間隔一定時間檢測室溫，溫度太高則使得進氣閥繼續(xù)進氣，溫度低于設定值停止進氣，使得溫度恒定在安全范圍內；（4）根據(jù)發(fā)電機運行狀態(tài)來控制變壓器的啟動與停止。3.1.1 系統(tǒng)整體設計本文中，控制方式將采取順序控制和中斷控制。主要流程如下：啟動后plc開始初始化，用風速傳感器檢測外界風力的大小，在發(fā)電允許范圍內將控制發(fā)電機啟動，風速檢測值過大，則要報警并且進行手動停機。在正常風速范圍內，發(fā)電機啟動，接下來進行各類控制，控制的目的是使風力得到最大程度的利用。首先是偏航自動控制，由于風向不同導致風能吸收率下降，控制航向使風輪機

36、頭部隨風向轉動，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(shù)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3-1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(shù)大于額定參數(shù) 啟動發(fā)電機偏航控制停機溫度控制n變壓器控制圖 3-1 系統(tǒng)程序流程圖3.1.2 具體模塊設計根據(jù)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

37、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 3-2 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

38、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90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(xiàn)風輪機隨風向轉動功能。在本文中，設

39、計一個偏航工作區(qū)間為145-215的控制系統(tǒng)，控制次數(shù)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(jù)風向傳感器信號得到的風向標夾角信號給出偏航控

40、制指令，當角度為180時，表明機艙位置已對準風向，在171-189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205之間，向左偏航電機將連續(xù)工作90秒?？梢钥闯?，偏轉10大約需要30秒，這是由電動機的工作頻率與齒輪的齒數(shù)決定的8。以上所述的角度區(qū)間控制原理可以用圖3-3進行表示：圖 3-3 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3-4，從圖中可以看出，偏航控制的次數(shù)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(jù)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。

41、圖 3-4 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(shù)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(xiàn)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。

42、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(shù)學模型，結構簡單容易實現(xiàn)，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)- p(t)m(t)sp(t)e (t)機艙溫度控制plca/d圖3-5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 3-5溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)圖圖中sp(t)是給定值，p(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)=kce(t)+(1/ti)+(de(t)/)/dt+mo(t) (3.1)其中kc為比例系數(shù)，ti為積分時間常數(shù)，td為微分時間常數(shù)9。比例系數(shù)k

43、c反應控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)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(shù)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(xiàn)對設定值的無靜差跟蹤。微分系數(shù)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(shù)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(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應曲線，從而確定pid控制參數(shù)。

44、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(xiàn)反應快、超調量小的響應曲線。e(k)et=0t(0.1s)p(k)kc*et=0t(0.1s)(a)偏差階躍變化 (b)比例整定作用圖 3-6 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(shù)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(shù)，反復湊試至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。p(k)kc*et=0t(0.1

45、s)積分時間p(k)td*et=0t(0.1s)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(shù)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 3-7 偏差階躍變化分別經積分、微分整定圖p(k)t=0t(0.1s)圖 3-8 偏差階躍變化經比例、積分和微分綜合整定圖根據(jù)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(shù)，得到最滿意的響應曲線，圖3-9為系統(tǒng)經pid各系數(shù)整定后的階躍響應曲線。在測試比例系數(shù)kc

46、時，發(fā)現(xiàn)當系數(shù)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(shù)越大，偏差也隨之變大，過渡過程容易震蕩。反復湊試確認系統(tǒng)的比例系數(shù)為0.01，但余差比較大。測試積分系數(shù)ti時，將比例系數(shù)0.01減小到原來的一半，首先置積分系數(shù)為10.0，發(fā)現(xiàn)不能很好地消除由比例系數(shù)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。在湊試積分系數(shù)為3.0時，發(fā)現(xiàn)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(shù)調節(jié)沒有效果。通常使用pi控制方式。因此，設定微分系數(shù)為0.0。設定系統(tǒng)采樣時間為0.1s。圖

47、3-9 溫控pid參數(shù)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，溫度設定值為0.616，增益為0.01，采樣時間為0.1，積分時間為3.0，微分時間為0.0。溫度pid機艙pid設定參數(shù)和塔架內部pid設定參數(shù)一樣。溫度設定值0.616表示實際溫度為25。計算25由公式3.1帶入各系數(shù)具體值得到的。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 3-10 機艙溫度閉環(huán)控制流程圖溫度控制模塊的設計思想主

48、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 3-11 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

49、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?shù)礁邏狠旊娋€路的高電壓）。這有利于電壓的傳輸與利用，電壓過低

50、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(xiàn)。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(xiàn)。變壓器控制流程圖如下：圖 3-12 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。3.2 i/o地址分配與電氣元件選型3.2.1 i/0地址分配根據(jù)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(shù)為1

51、1個，開關量輸出點數(shù)為11個，擴展模擬量輸入模塊em231模擬量輸入點數(shù)為4個，擴展模擬量輸出模塊em232模擬量輸出點數(shù)為2個。表3-1是基于plc的風力發(fā)電控制系統(tǒng)的i/o地址分配。表3-2是與風力發(fā)電控制程序相關的存儲器注釋內容。3.2.2 plc的選型西門子s7-200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。s7-200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(jù)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

52、關量輸入點數(shù)為11個，開關量輸出點數(shù)為11個，模擬量輸入點數(shù)為4個，模擬量輸出點數(shù)為2個。選擇西門子s7-200cpu226型號，有24點開關量輸入，16點開關量輸出，6個計數(shù)器，擴展輸入/輸出模板數(shù)量為7個。提供給擴展單元5vdc10。西門子s7-200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。3.2.3 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3

53、-1 i/o地址分配表分類名稱數(shù)據(jù)類型i/o口地址輸入系統(tǒng)總啟動booli0.0變壓器啟動booli0.1變壓器停止booli0.2機艙溫控系統(tǒng)啟動booli1.0機艙溫控系統(tǒng)停止booli1.1機艙溫控系統(tǒng)急停booli1.2塔架內部溫控系統(tǒng)啟動booli1.3塔架內部溫控系統(tǒng)停止booli1.4塔架內部溫控系統(tǒng)急停booli1.5溫度控制系統(tǒng)總啟動booli1.6溫度控制系統(tǒng)總停止booli1.7輸出系統(tǒng)啟動顯示燈boolq0.0發(fā)電機啟動boolq0.1向左偏航boolq0.2向右偏航boolq0.3合適風向顯示燈boolq0.4風速過大警報顯示燈boolq0.5機艙電動機boolq1.

54、0塔架內部電動機boolq1.1溫控進氣閥進氣boolq1.2變壓器運行boolq2.0變壓器停運boolq2.1em231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）電機的選擇：風力發(fā)電機選用雙饋異步發(fā)電機。型號：yrkf500-4（空-空冷式雙饋異步發(fā)電機）。偏航控制電機選用帶電磁制動的三相異步電動機。型號：mqaej系列電磁制動三相異步電動機。溫度控制送風電動機選用三相異步電動機。型號：yljw系列力矩三相異步電動機。（2）變壓器的選擇： 變壓器選用干式自冷變壓器scb10-m-630/10，低壓側為380v，高壓側則在3000v以上。（3）傳感器、繼電器的選擇：風速風向傳感器使用ph100sx型號12。溫度傳感器選用pt100風管式溫度傳感器。表3-2 存儲器注釋表存儲器名稱注