基于PLC的风力发电控制系统设计

基于PLC的风力发电控制系统设计 毕业设计(论文) 计学生学院专业班级 校内指导教师专业技术职务 校外指导老师专业技术职务 断改善，在世界范围内石油、煤炭这些不可再生资源的使用量已经大大超过环境所能承受的范围，燃烧发电厂产生的污染物也对地球环境产生了负影响。然而风能是一种清洁、可再生的能源，在发电这一领域具有巨大的开发潜力和商业活力。随着科技的不断进步，计算机和可编程控制的科研水平在提升，这对于风电控制的研究又提供了新的途径。针对风能具有随机性、不确定性的特点，本文用西TheControlSystemofWindPowerBasedonPLCAbstract：Inrecentyears,withthecontinuousdevelopmentoftheeconomyandpeople’slivingstandardscontinuetoimprove,inthescopeofworldpetroleum,oilandcoalthesenon-renewableresourceconsumptionwassignificantlymorethantheenvironmentcanstand.Combustionpowergenerationofpollutantsgeneratedalsoproducednegativeeffecttotheenvironmentoftheearth.However,thewindenergyisaclean,renewableenergypowergeneration,ithastremendousdevelopmentpotentialandbusinessactivityinthisarea.Withtheprogressofscienceandtechnology,computerandprogrammablecontrolofthelevelofscientificresearchinascension,forwindpowercontrolresearchprovidesanewway.Inthispaper,aimingatthesecharacteristicsofuncertaintyandrandomnesswindenergy,wecanuseSiemensprogrammablecontrollerS7-200towindpowercontrol.Themaincontentsincludedrawing maticdiagramandtheflowchartselectingthePLCandelectricalcomponentsturbinestartupcontrolyawcontrol,temperaturecontrol,transformercontrolandsoon.Inthispaper,itgivesdetailedexplanationofthecontrolprincipleandthefunctionofeachmoduleandcontrolprogram.Finally,itneedstestingandsimulation,usingofSTEP7-Micro/WIN32programmingsoftwareforthePLCprogramdebugging,simulationandonlinediagnosisandsoon,sothatthesimulationresultsmeetthedesignrequirements.Keywords：windpowergeneration;programmablecontroller;yaw;temperatontrol 是因为大气受到太磨谷物，海航中利用风帆来推进船只前进等。此后，风车和风帆一直是人们主要的动现在人们所说的风能利用主要是指风力发电。最早的风车是由一位名叫阿布罗拉洁，成本花费较低，来源不受限制。风能也是种最具商业潜力，最具发展活力的绿很大的运用空间。风力发电具有装机容量增长快，成和商业经济开发的条件。风力发电可以完全避免像石油、煤炭等化石燃料发电所产的大量污染物和二氧化碳排放。大规模推广风力发电不仅在节能减排工作上做出了极的贡献，而且这种能源开发方式的理念在社会和人群中得到广泛的支持。在全球机的主流技术。 通信，预测调控，微控制器自动检中，通过调节发电机电磁力矩和风电机轮片桨距角使力的最大能量获取。利用风速风向、风力测量仪检测，传递给主控制器进行运算处理，控制器做出相应的角度等。但在随机性差异大，不确定因素多，非线性控制方法也会产生很大的误差。所以在国际国内范围鲁棒控制等。使风电控制相自动化智能化一体化方向发展。电系统和电网之间联系也越来越复杂，所以对控制方法要求很部、源主要集中在冬季。风电发展方向有以下几方面： (1)风力发电从陆地向海面拓展。 (2)单机容量进一步增大。 (3)新方案和新技术的应用：例如变速恒频技术和变桨距调节技术在功率调节方 (4)风力发电机组更加个性化。国家开始寻求代替化石燃料的新能源，在研究风力发电这一领域上，投入了相当多的人力和物力，结合空气动力学理论，运用新型材料，电机，可编程控制器，计算机技一个绿色风能时代。的自动控制系统，这些措施都很大地提升了风力发电的效率及可靠性[3]。围内广泛推广使用的大型有效利用风能资源的形式，在 场之一是美国，虽然政府政策方面的不确定性和随变性，但还存在着有利于风电发展的积极要国家海上风电项目的发展，预计欧洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。风电装机容量都很小。 (1)变速恒频机组应运而生。 (2)定桨距机组逐步向变桨距机组转换。 (4)控制与监控技术不断完善。 (5)海上风能利用技术及其风电场建设受到重视。 (6)致力于风力发电成本不断下降。 在本文中，设计一个风力发电机组的控制系统，主控制器为可编程控制器西门子S变控制机组应具有轮片随风向变化而变化的动作且具有恒功率输出的表现，传感器对风向标的夹角进行检测，风机转动在相应设定角度值区间内，根据需要采取相应的管理控制。本文中应了解相关风力发电的知识和需解决的一些具体问题：理解相关空气动力学知识，理解风力发电控制系统的硬件设备，选择合适的元器件型号；如何假设建立列举了设计的主要内容和各章节的安排。绍了发电机组的组成和空气动力学的相关知识。文中说道风电机组能等。在风能理论中介绍了风速和风能的意义。机的机械联动杆，发风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量可大小以划分为小型风电机组(10KW以下)，中型风电机组(10~100KW)，大型风电机组(100KW以上)；按其主轴与地面的相对位置，可以划分为水平轴风力发电机组(主轴与地面平行)，垂直轴风力发电机组(主轴与地面垂直)。最早最简单的风力发电机由叶轮和发电机两个部分组成，站立于一定高度的塔上。由于外界因素影响风很不稳定，这类风力发电机电压、频率差异很大且效率低能。而风轮轴则将能量给传动机构。于良好的叶片外使用寿命。一般叶片具有高硬度，高强度，低密上的装置。它的作用是叶片的力和力矩传递它在风轮以及齿轮箱之间。其前面端子由螺栓与轮毂箱低速相连，结构复杂且受力大。风轮轴有较高的综合机调节桨距角，用以风 离等特点。其中包含齿轮箱、发电机等主要部件。机舱的左边是风力发电转子(叶片与风轮轴)。发运作时，使两者实现工作的匹配。叶片产生的转矩通过齿轮的传动 风装置，被安装在机舱座内。它的作用是调控叶片随着风向变化风机获得最大的风能；当机舱内引出电缆发生缠塔架的功能是支撑位于空中的机舱、轮片等风力发电主要器件，一般要求高度达到六十米以上，且塔架与地基相连接处要求牢固，能够承受强大的风力冲击以及有风力发电系统运行引起的不同载荷，将这些载荷接地消除，使得整个系统能够平稳安全地运行下去。塔架内部配置线缆还必须将发电机运作得到的电能输送至蓄电池或者变压器传输至电网。控制系统是整个风力发电机组的核心部分，它关系到系统中每一个部件的动作和图。制电机启动控制 风能理论简介.1风速和风能V=Vm+v(2.1)空气流体力学可知，在一秒中流向风轮的空气具有的动能为：气体体积的质量为m=ρV=ρvS气体具有的动能为 ρ=352.99p(2.6)(273+t)*101325 (2.6)章小结理论知识。 3设计方案和电气元件选型案，这也是发电机工作的原理。相应的动作，例如启动发电机开始工作，随风向的变化驱动电机随之旋转，绕缆时自动停机，运行冷却机当机舱或塔架温度过高时，变压器运作控制等。一般设计的风力机，在范围内则启动发电机；(2)事先编制好风向标夹角的角度区间，启动发电机控制，运作向左偏航电机或者向右偏航电机，使之偏转到合适风向范围内；(3)对机恒定在安全范围内；(4)根据发电机运行状态来控制变压器的启动与停止。1.1系统整体设计 动YN控制机1.2具体模块设计根据系统不同方面的功能，将整个系统分为四个主要模块：发电机启动模块、偏块和变压器控制模块。下来具体说明每个模块的主要功能、 (1)发电机启动模块 电机，发电机将风能转换为电能，并在此时发发电机启动模块的顺序控制流程图如下：启动上启动上电采集外界风速参数N在启动风速范围内Y风力发电机启动 (2)偏航控制模块风轮机用于驱动偏航系统运作，停止的，它包偏航驱动装置常用伺服电动机和偏航减方式：风向标控制的迎风自动偏航、风主要航。制系统的工作原理是通过风向传感器检测外界风向，将风向模拟信号A/D向一致，风电机吸收的功率最偏右电动机组成的自动对风系动三相异步电动机。电机接电源后，制动装置的整流器也随之电产生磁力吸引衔铁进行制动，经过摩擦力矩的阻碍，电动机即会向传感器信号得到的风向标夹角信号给出偏航控制指令，当角度为角频率与齿轮的齿数决定的[8]。 将机舱水平轴拨到与风轮回转面垂直的位夹角度，控制电机向左或向右持续偏转一???????YNYNYNYNYNYN??????????????????????????????????????? (3)温度控制模块 ，温度影响，会破坏机舱温度的稳定，通过闭环控制可以有效地抑制各种扰需要被控对象的数学模型，结构简单容易实现，有很强的灵活性、实用性，使用方便A/DD/A-pυ(t)M(t)TI态误差，提高系统的 K*ECE(a)偏差阶跃变化(b)比例整定作用第二进行整定积分环节。在比例控制下稳态误差不能满足要求时，则需要加入积个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并且相应调整比例系PIDTD逐渐加大dT*EdK*ECt=0t(0.(b)微分整定作用这个温控系统进行分析，分别反复凑试各个参数，得到微分系数调节没有效温度控制模块的设计思想主要是假设温升过快超过额定值时，控制器启动冷却机机舱是风力发电系统中很重要的组成部分，假若温度过高将会影响发电机、主轴、齿轮箱等重要元器件的运行状态，严重的甚至烧坏电缆，毁坏电机。所以将机舱温度控制在一定范围内是很重要的。塔架内部配置控制器，还必须放置变压器和线缆将发电机运作得到的电能输送至蓄电池或者变压器传输至电网。塔架内部空间大，常有人员在其内部操作、维护。因为存在控制器、计算机系统、变压器等各类重要的电机舱排气阀M机舱排气阀MM整个系统具有机舱和塔架内两个温度控制单元，要对两个棚内温度进行控制。具 发发电机停运变压器停止按钮按下变压器停运 和排气闸门。这样连锁的控制，使室内温度保持恒定[11]。要冷却机工作输送输出点。两个开关量进行钮、停止按钮和急停按 (4)变压器控制模块在变压器控制系统中，将发电机产生的电压转为标准的高压(此电压为传输到高压输电线路的高电压)。这有利于电压的传输与利用，电压过低或过高会引起线路的按钮按下时此时发电机正在，所以在发电机运行的条件要在发电机停止转动的状态运行和停止分别需要两个开关条件的实现。发发电机运转变压器启动按钮按下变压器运行 I/O口地址I0.1I1.1I AIW0AIW2AIW4AIW6阀进气气 (1)电机的选择：机)。 (2)变压器的选择： (3)传感器、继电器的选择：注释行标志位志位化 (4)接触器的选择： (5)熔断器的选择：本章从系统总体设计方案到各个具体模块设计方案有层次地阐述每个系统的具体工作原理和工作过程，绘制相关控制流程框图。提出对于这个系统的方案相匹配的电气 4可编程控制器及控制程序4.1可编程控制器简介个流程的国算或是中规模集成电减少赘余。IO PLC的操作模式有两种，分别为运行(RUN)模式和停止(STOP)模式。PLC的工作，一直循环下去。在停止模式时，和运行模式相似，控制器一个阶段有历读取输 (1)功能强大，性价比高。 (2)编程方法多样、简单易学 (3)硬件配置完整、体积小，能耗低、使用便捷有效 (4)可靠性高、抗干扰能力强 (6)系统的设计、安装、调试简单程方法简单，使得用户设计简单关来模拟查看结果，另一方面可 (1)逻辑量控制和数字量控制能。 )运动控制 使用到数字量和模拟量的转换(A/D和D/A)。对模拟量实施PID控制(比例-积分-微分)。它已经广泛应用于化工、电力、冶金等行业。 (4)数据处理 信发电机启动程序中包括系统总启动、风速模拟量输入、与正常风速参数比较、启A/D转换值的转换。假设模拟量系，函数关系A=f(D)可以表示为数学方程： (A)可以表示为数学方程：比较，在3m/s-5m/s风速范围内有信号则启动发电机(Q0.0)；假若大于风速范围，则发出停机警报(Q0.5)，工作人员察觉后可以手动停机。4.2.2偏航控制程序标夹角而采取不同的偏航控制策略。根据上一节关于风速模拟量转换的介绍，同样地，风向模拟量可以同样的方法进ADX00数。度越大，电动机工作时间越长。在合适的风向范围内(传感器、电机工作有误差171°-189°)，则两个电动机均不做任何动动向右偏航的电动机(Q0.2)并且运作延时50s；在165°-171°时，启动向右偏航的电动机(Q0.2)并且运作延时20s。风向标夹角为145°-155°区间的控制方法为M0.3触点连接定时器T39的常闭触点和向右偏航电机(Q0.2)，经上升沿有效接通，接通延时其他三个角度区间的控制方法和前两种相似。在189°-195°时，启动向左偏航的电动机(Q0.3)并且运作延时20s。在195°-205°时，启动向左偏航的电动机(Q0.3)并且运作延时50s。在205°-215°时，启动向左偏航的电动机(Q0.3)并且运作延时90s。控制，只需对其这种状态进行显示，打开指示灯(Q0.4)显示在合适的风向标夹角4.2.3温度控制程序分配表：分配表：表操作人员摁下温控总启动或温控总停止按钮。处理系统读取按键信息，根据信息下按钮I1.7,Q1.2被置0表示总进气阀停止进气流(Q1.2=0)。 中，选用冷却机来控制制冷系统，冷却机控制电路的控制电压Vk 分析程序网络28，首先分别对机舱温度控制启动(I1.0)和停止(I1.1)的运行标 Q且进入子程序SBR_0。调用子程序系统急停(I1.2),并将模块EM232的AQW0值设为16000，这表示进气阀关闭。网络2中传送机舱温控PID参数(第三章说明参数的整定)，VD104中存放机舱模拟量(过程变量)进行转换为标准值(0.00-1.00之间的标准化实数)从而利于PID工程实际值标准化的要求是： D4.2.4变压器控制程序在运行状态(Q0.1)，按下启动按钮(I0.1)变压器才会运行(Q2.0)。同样道理，变压器停运前需要保证在发电机停止转动(Q0.1置0)后，按下停止按钮(Q0.2)变压 本章主要介绍了可编程控制器的相关知识，例如它的发展历程、编程语言、基本结。仿真N调试和在线仿真等，也可以用于实时监控用户程序的运行状态[19]。程序调试步骤如下： (4)修改程序，直至系统提示没有错误可以运行为止。 (7)退出RUN模式。真S据处理、报警和安全机制、流程控一部分是风力发电机的模拟示电机启控制按钮部分，发电机的启动需要系统启动按钮绿灯。第三部分是风速检测系统，模拟量输入转化为风速，在范围内则使发电机启动指示灯变绿灯；风速过大则使四部分使偏航控制模块，检测风向参数在七个区间内的哪、机舱温控启动、机舱温控停止、机舱温控急停、塔架内停止和塔架内部温