【风力发电机控制系统方案设计6000字（论文）】

风力发电机控制系统方案设计摘要风力发电机可以通过捕获气流能量，进而把气流能量转换成电能。这种转换只需要经过两个步骤，第一步是随着风的流动，使风力机风轮发生转动，从而做功，产生机械功率；第二步是通过风轮的转动，推动电机产生电能。由于山区和海上较为空旷，所以它们的风力资源远比其他地区丰富，但是山区和海上的环境比较恶劣，人烟比较稀少，为了保证机组控制系统的可靠性和安全性，需要无人值守以及远程监控技术。本课题将以S7-1200PLC为控制器，设计风力发电机变桨距复合控制系统，实现风力发电机的自动变桨启动，并实现并网后变桨距复合控制，在高风速下，采用了前馈加反馈的复合控制，以输出稳定的有功功率；在低风速下，保持功率最大输出，桨距角要保持0°。关键字：风力发电机；S7-1200；控制系统目录TOC\o"1-3"\h\u239091风力发电机控制系统方案设计 463271.1风力机的原理与结构 436001.2系统总体结构 5293831.3设计参数 516092控制系统设计 658882.1汇总输入输出变量 647562.2设备选型 9103342.3硬件网络组态 9226232.4程序设计 1049782.4.1输入输出量程转换 10254462.4.2偏航控制 1322252.4.3启动组织块OB100 1590492.4.4PID反馈控制 1786132.4.5分段比例前馈控制 19275163上位监控系统设计 2261953.1画面设计 22107573.2通讯连接 22185883.3变量连接 26237764控制系统调试 29193084.1仿真设备介绍 29193124.2设计风况模型 30162184.3调试曲线 30171324.4调试曲线分析 3210421结论 3314992参考文献 341风力发电机控制系统方案设计1.1风力机的原理与结构风力发电机的工作原理是将风的动能转化为机械能，再驱动发电机发电，把机械能转化为电能。风力机发电原理如图1.1所示。图1.1风力机发电原理风轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和角度（这种角度被称为攻角）作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能，然后通过增速器的机械能，继续驱动发电机。本次毕业设计的选用的风力发电机是恒速变桨型、水平轴、3个叶片的风力机。风力发电机组结构如图1.2所示。图1.2风力发电机组结构示意图1.2系统总体结构控制系统结构如图1.8所示。系统采用S7-1200作控制器，通过PROFIBUS-DP总线连接分布式I/OET200M，风力发电机的输入输出信号连接至ET200M的I/O点。上位PC机安装有博图软件，使用博图软件进行硬件网络组态、程序设计，并设计上位监控功能，可以监测电力参数、风力参数、机组状态参数以及各种反馈信号等，确保风机稳定运行，也可以获得启动过程和并网后变桨功率控制趋势图。图1.8系统总体结构1.3设计参数本毕业设计对恒速变桨距风力发电机进行分析，分别确定启动时变桨方法和并网后高风速下的变桨控制策略。其系统设计参数见表1.1。表1.1系统设计参数2控制系统设计2.1汇总输入输出变量汇总风力发电机控制系统的输入输出变量，其中模拟量输入包括2个风速、2个风向、发电机转速、发电机温度、冷却水温度、偏航角、3个主轴转速（风轮）、传动系统润滑油液位、传动系统润滑油温度、传动系统冷却水温度、3个桨距角、变桨系统润滑油液位、变桨系统润滑油压力、变桨系统润滑油油温、有功功率、无功功率、3个定子电压、3个定子电流、功率因数、发电机效率，共30个模拟量输入信号。模拟量输出包括3个桨距角设定值和变桨速度限制，共4个模拟量输出信号。开关量输入包括发电机冷却水泵运行状态、顺/逆时针偏航状态、3个偏航电机运行状态、电缆扭转状态、机舱振动信号、冷却风扇运行状态、2个盘式制动器工作状态、发电机并网工作状态，共13个开关量输入信号。开关量输出包括顺/逆时针偏航、2个盘式制动器、2个航空警示灯、并网开关，共7个开关量输出信号。具体输入输出变量如表2.1、2.2、2.3、2.4所示。表2.1模拟量输入列表序号名称下限上限额定值单位地址1风速102512m/sIW1322风速202512m/sIW1343风向1-1801800°(degree)IW1364风向2-1801800°(degree)IW1385发电机转速035001500rpm(n/min)IW1406发电机温度-20200130℃IW1467冷却水温度-5010050℃IW1488偏航角-1800-18000°(degree)IW1509主轴转速1010053rpm(n/min)IW15210主轴转速2010053rpm(n/min)IW15411主轴转速3010053rpm(n/min)IW15612传动系统润滑油液位010070%IW15813传动系统润滑油温度-5015050℃IW16014传动系统冷却水温度-5010055℃IW16215桨距角10900°(degree)IW16416桨距角20900°(degree)IW16617桨距角30900°(degree)IW16818变桨系统润滑油液位010050%IW17019变桨系统润滑油压力0300140barIW17220变桨系统润滑油油温-5020080℃IW17421有功功率-500500300KWIW17622无功功率-500500145KWIW17823定子电压101000690VIW18024定子电压201000690VIW18225定子电压301000690VIW18426定子电流101000508AIW18627定子电流201000508AIW18828定子电流301000508AIW19029功率因数010.9IW19230发电机效率010.95IW194表2.2开关量输入表2.3模拟量输出序号名称下限上限额定值单位地址1桨距角设定值10900°(degree)QW1042桨距角设定值20900°(degree)QW1063桨距角设定值30900°(degree)QW1084变桨速度限制0905°/sQW110表2.4开关量输出序号名称下限上限说明地址1顺时针偏航011偏航，0停止Q4.02逆时针偏航011偏航，0停止Q4.13盘式制动器1011为松开，0为投入使用Q4.24盘式制动器2011为松开，0为投入使用Q4.35航空警示灯1011闪烁，0停止Q4.46航空警示灯2011闪烁，0停止Q4.57并网开关011为并网，0为断开电网Q5.12.2设备选型选取CPU1214CDC/DC/DC，配置分布式I/OET200M，DP主站模块选择CM1243-5，配置4块模拟量输入模块SM331，1块模拟量输出模块SM332，1块数字量输入模块SM321，1块数字量输出模块SM322。具体模块配置如表2.5所示。表2.5模块配置模块名称型号订货号CPU模块CPU1214CDC/DC/DC6ES7214-1AE30-0XB0DP主站模块CM1243-56GK7243-5DX30-0XE0接口模块IM153-16ES7153-1AA03-0XB0模拟量输入SM331AI8×12BIT6ES7331-7KF02-0AB0模拟量输出SM332AO8×12BIT6ES7332-5HF00-0AB0开关量输入SM321DI16×24VDC6ES7321-1BH02-0AA0开关量输出SM322DO8x24VDC/0.5A6ES7322-8BF00-0AB02.3硬件网络组态硬件网络组态如图2.1所示。此系统以S7-1200PLC作为控制器，配置I/O模块，控制器通过交换机连接在以太网上，上位PC机安装有TIAPortalV14软件，用于系统的硬件组态、网络组态、控制程序编程和调试。上位监控组件WinCCRTStart，通过PROFINET以太网和控制器之间通讯。装有博途软件的PC机通过PROFINET以太网和控制器通讯，通过编译下载，PC机可以作为上位操作站运行WinCC软件实时监控电梯系统的运行状态。图2.1硬件网络组态视图2.4程序设计根据系统控制流程图，编写对应的顺序逻辑控制程序。因为程序是顺序控制逻辑，所以选用FC块进行编程分类，分为6块程序块：量程转化、偏航控制、输出量程转换、输入量程转换、正常工作偏航控制、自动启动。如图2.2所示。图2.2程序块2.4.1输入输出量程转换为了方便计算和监视，需要把输入量程转换为十进制。为此采用了FC函数块用SCL语言编写了一个输入量程转换块，输入量程转换块的接口变量和输入量程转换SCL代码程序如图2.3所示，输出值=输入值*（最高值-最低值）/27468+最低值。图2.3输入量程转换需要把十进制的实际数值经过输出量程转换为16进制的数字量。为此采用了FC函数块用SCL语言编写了一个输出量程转换块，输出量程转换块的接口变量和输出量程转换SCL代码程序如图2.4所示，（输入值-最低值）*27468/（最高值-最低值），并在输出的时候，把REAL型转换成INT类型。图2.4输出量程转换部分量程转换程序块如图2.5所示。风速量程设定在0到25之间。图2.5风速量程转换先将三个桨距角数据相加，再除以3，取平均值，以取得相对准确的桨距角过程值，如图2.5所示。图2.5桨距角过程值2.4.2偏航控制偏航系统的主要作用有两个：第一就是让风力发电机系统控制其对准风向，使风机始终处于最大吸收风能的状态，发电效率会大大提高；第二便是起到安全保护作用，通过机组硬件内部的锁扣来保证控制系统正常运行。偏航控制部分程序段如图2.6、2.7所示。如果风速大于等于4时，角差等于风向角减偏航角。图2.6偏航控制程序图2.7偏航控制程序2.4.3启动组织块OB100启动组织块OB100在第一扫描周期完成初始化工作。发电机组接通电源和启动控制系统初始，需要对系统进行初始化设置，对发电机组赋予启动准备工作状态说明。输出启动信号并且设置桨叶桨距角初始值为90°。程序段如图2.8所示。图2.8初始化程序自动启动程序如图2.9、2.10、2.11、2.12所示。用偏航控制算法，将角差求出，并判断出是否正对风，如果没有对好风，确定需要左偏航还是右偏航。如图2.9所示。图2.9自动启动偏航控制程序当风向角与偏航角之差即角差的绝对值小于等于5度时即为风机正对风，风机松开刹车开关，风轮桨叶开始转动。如图2.10所示。图2.10对风后松开机械刹车当角差的绝对值小于等于5度时，根据发电机的转速，调节桨距角设定值。若发电机转速小于等于50r/min时，桨距角设定值调节为60度；若发电机转速大于50r/min，小于等于150r/min时，桨距角设定值调节为40度；若发电机转速大于150r/min，小于等于600r/min时，桨距角设定值调节为15度；若发电机转速大于600r/min时，桨距角设定值调节为0度。程序如图2.11所示。图2.11根据发动机转速调整桨距角设定值当发电机转速大于1000r/min，桨距角过程值小于等于2度时，设定1S延时，之后使发电机打开并网开关，使其处于并网发电状态，程序如图2.12所示。图2.12发电机转速达到后并网2.4.4PID反馈控制并网后，在额定风速以上时需要进行变桨距复合控制，通过调节桨距角限制有功功率在额定功率300KW附近。变桨距复合控制采用反馈加前馈方式，反馈控制采用增量式PID控制算法，前馈控制采用分段比例控制。PID反馈控制程序编写一个增量式PID控制算法功能块，然后编译成FB块。SCL代码程序如图2.13所示。图2.13增量式PID程序变桨功率PID调节程序如图2.14所示，调用增量式PID算法功能块，并赋相应的实参，调试出合适的增量式PID控制参数，实现对桨距角的微调，使功率更平稳地稳定在额定功率附近。图2.14变桨功率PID调节2.4.5分段比例前馈控制前馈控制在复合控制系统中，主要负责风速对功率剧烈影响的桨距角值补偿，限制风力发电机组对风能的吸收。采用分段比例前馈控制可以快速的、有效的补偿风速扰动对功率的剧烈影响。在不同的风速下，采用不同的前馈补偿系数。这里列举部分分段比例前馈控制如图2.15、2.16、2.17。图2.1511.7m/s-13.5m/s分段比例前馈补偿图2.1613.5m/s-15.5m/s分段比例前馈补偿图2.1715.5m/s-17.5m/s分段比例前馈补偿通过多次前馈控制测试，对发电机组的有效风况范围进行了分段，调试出前馈补偿系数，如表2.6所示。表2.6分段补偿系数风速范围（m/s）前馈补偿系数11.7～12.53.012.5～13.52.713.5～14.52.414.5～15.52.0515.5～16.51.9516.5～18.51.918.5～20.51.520.5～21.51.421.5～25.01.3将反馈PID控制输出的桨距角与桨距角补偿值相加，得到桨距角设定值，如图2.18所示。图2.18反馈加前馈后的桨距角设定值

3上位监控系统设计3.1画面设计上位监控系统主界面如图3.1所示，在主界面中可以监控到风速，风向角，偏航角，有功功率和发动机转速，不同的变量用不同颜色的线绘入曲线图，例如：有功功率是黑色的线、发电机转速是红色的线、偏航角是粉色的线、桨距角是蓝色的线。并将相应的变量连接连入，风速可以在柱状图中直观地看到，选取风速1和风速2的平均值，使数据相对准确，右边的曲线图可以直观、便捷地观察到功率、转速、偏航角、桨距角的变化。图3.1主界面3.2通讯连接通讯模块,在主程序开始时，把十进制数16赋予QB3,如图3.2所示。图3.2通讯模块首先，需要进行PG/PC端口的设置，打开控制面板，找到PG/PC接口设置，添加程序访问点CP-TCPIP，之后选择应用程序访问点为CP-TCPIP方式，为接口分配参数选择带有TCP/IP协议的网卡，单击“确定”按钮，如图3.3所示。图3.3设置PG/PC接口然后为PC机与PLC控制器设置相同网段的IP地址，如图3.4、3.5所示。图3.4设置PC机IP地址图3.5设置PLC控制器IP地址调节PM125的地址，令PM125的地址与风力发电仿真设备地址一致，均为7。如图3.6、3.7所示。 图3.6PM125地址图3.7风力发电仿真设备地址然后测试输入输出点是否连接正确，检测元件有无故障。最后，下载程序到PLC控制器，检测PLC是否可以与PC机进行在线访问，如图3.8所示。图3.8PLC在线访问3.3变量连接风速、风向角、偏航角、有功功率、发电机转速变量连接如图3.9、3.10、3.11、3.12、3.13、3.14所示。图3.9风速变量连接1图3.10风速变量连接2图3.11风向角变量连接图3.12偏航角变量连接图3.13有功功率变量连接图3.14发电机转速变量连接4控制系统调试4.1仿真设备介绍风力发电机仿真设备E-WindTurbine，其仿真软件能够有效模拟风力发电机组的运行环境及过程，并可以实时动态监测系统各种的运行数据，还可以用于风力发电机学习和开发，包括其运行原理和结构、控制策略、控制系统编程和调试以及运行和维护等；控制系统的学习和开发，包括控制系统的硬件选型、通讯、PLC编程调试以及HMI组态等。仿真软件界面如图4.1所示。图4.1仿真软件界面4.2设计风况模型在调试过程中，我们需要设计风况模型，来模拟风力，观察曲线并进行调节。风况模型如表4.1所示。表4.1风况模型风速波动风向角度持续时间12.00.00°300s14.00.10°300s12.00.00°300s10.00.10°300s4.3调试曲线调节PID参数，KP=3.0,KI=2.3,KD=3.0,令曲线相对稳定。如图4.2，发电机组在启动时，风速为12m/s，有功功率快速提高，发动机转速也极具提高，桨距角初始为90度，之后急速下降，之后在风速提高14m/s后，功率迅速提高，桨距角角度也有所上升，之后在前馈和反馈控制下，有功功率迅速回归正常，下图为风速=14.0m/s时的曲线峰值。图4.2风速=14.0m/s时的曲线如图4.3所示，由于风速从14m/s下降到12m/s，有功功率急速下降，但是很快恢复到稳定值，下图为风速=12.0m/s开始时的曲线。图4.3风速=12.0m/s时的曲线如图4.4，风速由12m/s下降到10m/s，有功功率快速下降，之后趋于稳定值，图44为风速=10.0m/s开始时的曲线。图4.4风速=10.0m/s时的曲线4.4调试曲线分析本系统试用风力发电机额定功率为300kW，额定风速为12m/s，启动风速为4m/s，发电机额定转速为1500r/min，在额定风速的控制下，功率可以控制在300±20kW的范围内。发电机组在启动时桨距角经过调节，从90度快速下降，发电机转速也快速提升到1500r/min，之后由于风速提高到14m/s，有功功率也迅速上升，桨距角角度也有所上升，但是在前馈调节和反馈调节的复合控制下，有功功率很快恢复正常，之后由于风速降低到12m/s，有功功率也会有所降低，但是也会很快恢复到正常300kW左右，之后风速下降到10m/s，有功功率也趋于稳定。在额定风俗的控制下，有功功率基本可以控制在300±20kW的范围内。

结论本次毕业设计以S7-1200PLC为控制器，设计风力发电机变桨距复合控制系统，实现风力发电机的自动变桨启动，并实现并网后变桨距复合控制，以输出稳定的有功功率。对完成毕业设计课题，我得到了以下几点结论：通过查询相关资料，我了解到变桨距风