【《基于S7-1200 PLC的风力发电机变桨距复合控制系统设计》8400字（论文）】

基于S7-1200PLC的风力发电机变桨距复合控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u12386基于S7-1200PLC的风力发电机变桨距复合控制系统设计 130971引言 295051风力发电机控制系统方案设计 2315651.1风力机的原理与结构 2255011.2桨叶气动力分析 3148831.3气动功率分析 5226211.4自动启动控制 5265531.5并网后变桨控制 6197721.6系统总体结构 9114881.7设计参数 991972控制系统设计 108062.1汇总输入输出变量 1033472.2设备选型 13115222.3硬件网络组态 13168042.4程序设计 14141742.4.1输入输出量程转换 14185562.4.2偏航控制 17221942.4.3启动组织块OB100 1887992.4.4PID反馈控制 20209652.4.5分段比例前馈控制 22148723上位监控系统设计 2562393.1画面设计 2518783.2通讯连接 25291123.3变量连接 29201404控制系统调试 33239914.1仿真设备介绍 3341824.2设计风况模型 3394514.3调试曲线 34160684.4调试曲线分析 365022结论 3729260参考文献 38引言伴随着经济的快速发展，我们所需要消耗的能源也越来越多，能源资源的短缺成为需要解决的最大难题，人们越发需要新能源来解决能源短缺问题。而风力发电作为新能源的一种，所具有的优势明显，不但对环境没有丝毫的污染，而且还可以循环多次使用，因此风能的这一优势决定了其在新能源领域中的重要地位，世界各国都在致力于风力发电的开发与应用。与其他清洁能源相比，风能不但绿色环保，而且无需代价即可获取，并且可无尽利用。此外，从风力发电厂角度来说，其稳定性强，风电市场稳定健康。在我国甚至世界范围内，风电领域都取得了飞速的发展。风电机组的大规模接入已经成为了现代工业化国家风电系统的主要特征，在2020年达到风电市场份额的12%是欧盟等发达国家的首要目标。随着风力发电技术的不断成熟，人们需要的解决问题是如何将风电接入电网，以及如何规划、运行和自动控制电网。风力发电是将所通过的气流能量加以捕捉，并将其转化为电能。其转化步骤仅需两步即可完成，即步骤一：风流经过推动风轮转动做功，发生机械功率，步骤二：转动起来的风轮，即可完成动能与电能的转换。山区及海上等风里资源丰富的地区，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°。1风力发电机控制系统方案设计1.1风力机的原理与结构从工作原理的角度来说，风力发电机可以把风能转化为电机的机械能，进而变为电能。风力机发电原理如图1.1所示。图1.1风力机发电原理作为重要的组成部分之一，风轮可以捕捉风能并把风能变成动了能，风轮上含有桨叶，桨叶则会通过具有特定速度及角度的风，其中角度也称做攻角，在这种风的作用下，桨叶会因旋转力的产生发生转动，这样便实现了由风能到动能的转变，在这里转化成的动能会经过增速器以带动发电机发电。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。下图给出了风力发电机的主要结构。图1.2风力发电机组结构示意图1.2桨叶气动力分析所谓攻角就是桨叶弦线同气流通过的速度方向二者时间的夹角。处于静止状态的浆叶，叶片上有空气用相同的相对速度吹过，作用在桨叶上的气动力大小将不会改变。攻角和相对速度据欸的那个气动力。因此，为便于研究，本论文假设桨叶为静止状态，而且保持均匀来流速中。然而，由于浆叶表面表现为不均匀的空气压力，所以整个下表面压力是变大的，而上表面压力是变小的。由伯努利原理可知，上表面的气流速度高于下表面，所以，对于桨叶来说，其为两个不同流速的组合：一个是空气环绕桨叶表面的流动，另一个是将翼型置于均匀流场中时围绕桨叶的零升力流动。在桨叶上作用的力同相对速度密切相关，对其进行分解：一是垂直方向，二是平行方向，平行方向称之为阻力，垂直方向上称之为升力，垂直于桨叶叶片的力称为升力。桨叶上的作用力如图1.3所示。图1.3桨叶作用力从图1.4我们可以看出，升力与攻角呈非线性关系，攻角变大，升力系数也会随之增加，但是快增加到最大值时，增加的速度会随之变缓，升力系数达到最大值之后，会逐渐降低。阻力也与攻角呈非线性关系。攻角变大，阻力系数初期会减小，在达到最小阻力系数时，攻角继续变大，阻力系数开始增加，但是比升力系数加的较为缓慢，且升力系数同阻力系数成反比例关系。图1.4攻角与升力和阻力的关系1.3气动功率分析对于风力发电组来说，影响其功率的主要因素就是风速。气流流过的面积以及气流密度同等能大小正相关，且风能正比于气流速度。由Betz理论，风力机的理论风能利用系数为0.593，留在尾流中的旋转功能为损失的功率部分。功率的下降主要是能量转换导致的，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，所以，风力机的实际风能利用系数＜0.593.进而，风机实际输出功率为。上式：，，，分别指空气密度和上游风速，以及气流扫掠面积，单位分别为，，。取决于。基于空气动力学角度，同成反比，同成正比，所以，当风速低于额定风速时，我们要令桨距角=0°保持不变，这样才能吸收更多的能量；当风速高于额定风速时，实际输出功率高于额定功率，此时，能够通过对桨叶桨距角的大小调整，实现攻角的调整，将风能利用系数减小，从而保证实际输出功率接近额定功率，这称之为变桨距控制。1.4自动启动控制风力发电机在停止状态时，桨距角此时的角度为90°。当风机启动时，要求启动步骤如下：首先，要对风速检测，若启动风俗低于实际丰富，风机启动，然后进行偏航对风，风向角与风机偏航角的差小于等于5°时，风机风向为正，接着打开风机机械刹车开关，启动变桨，桨距角会逐渐减小，从90°减小到0°。当发电机转速达到同步转速1500r/min时，并网开关闭合，发电开始。这是自动启动的全部过程。通过之前对气动力进行的分析，我们可以知道，在启动变桨时，要考虑到升力和阻力的配合，启动开始时桨距角设定值不能太低，否则风力机会启动不起来。因此，启动时采用分段变桨，开始时设置桨距角为40°，当转速增大到超过600rpm时，桨距角再设定为0°，保证叶片呈现垂直迎风的状态，就能够顺利启动风机发电，增加转速至1500rpm，此时就可以并网发电了。自动启动流程如图1.5所示。图1.5自动启动流程图1.5并网后变桨控制并网后，风力发电机开始发电输出有功功率。若额定风速高于实际风速，要尽可能多的吸收风能，让桨距角尽可能达到最小，最好保持0°不变。当风速大于等于额定风速后，风力发电组的工作状态为额定功率运行，需要通过控制功率，让功率和额定功率基本保持一致。控制方案采用反馈加前馈的变桨距复合控制。控制系统框图如图1.6所示。我们对功率反馈信号与给定值做出比较，若实际功率高于额定功率，桨叶桨距相较之前会朝迎风面积减小的方向进行转动，反之，其转动的方向为朝迎风面积增大的方向。变桨距系统经过PID功率控制算法得到桨距角设定值后，驱动变桨执行机构进行变桨。由于风力机功率的公式我们可以得知，功率正比于风速的三次方，因此，当实际风速高于额定风速，即使风速以微小的量增加，亦会引起功率的急剧增加，此外，因为变桨执行机构通常滞后较大，所以功率控制会发生在曲线图中，我们会看到巨大的波动，所以如果只通过反馈控制进行调节，可能难以保证实际功率时刻处于额定功率附近。此外，鉴于风速是个可测的外部扰动，输出功率受其影响极为严重，进而考虑引入一个前馈补偿器，根据风速给定出合适的桨距角前馈值，与反馈系统的功率控制器输出值相加，作为变桨执行机构的桨距角设定值。通过这一方式，借助前馈控制器的快速补偿，能够减弱输出功率收到风速扰动带来的影响，从而大大提高了控制性能。图1.6变桨距复合控制系统框图若风速为额定风速在额定风速时，可以通过PID反馈控制，使功率始终处于额定数值范围，桨距角尽可能达到最低，位于0°附近。若风速高于额定风速，要想将功率控制在额定值范围内，则需要增大桨距角。若额定风速以及当前实际风速分别为和，Δ=-为二者之差，差值越大对应越大的桨距角设定值。所以补偿角度可根据Δ确定，再叠加上反馈控制的输出作为桨距角设定值。在小于额定风速时，将桨距角置于0°。在大于额定风速时，并通过前馈补偿程序对桨距角进行补偿，补偿角度为。并网后变桨距复合控制流程如图1.7所示。图1.7并网后变桨控制流程图

1.6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，能够检测多种反馈信号和机组状态参数、风力参数以及电力参数，以保证风机的正常运行。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1.7设计参数本毕业设计对恒速变桨距风力发电机进行分析，对启动时变桨方法进行确定，以及并网后高风速下的变桨控制策略进行确定，下表给出了详细的系统设计参数。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个定子电流、3个定子电压、无功功率、有功功率、变桨系统润滑油油温、变桨系统润滑油压力、变桨系统润滑油液位、3个桨距角、传动系统冷却水温度、传动系统润滑油温度、传动系统润滑油液位、3个主轴转速（风轮）、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并网工作状态、2个盘式制动器工作状态、冷却风扇运行状态、机舱振动信号、电缆扭转状态、3个偏航电机运行状态、顺/逆时针偏航状态、发电机冷却水泵运行状态，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2.2开关量输入表2.3模拟量输出表2.4开关量输出2.2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。下表2.5给出了详细的模块配置。表2.5模块配置2.3硬件网络组态硬件网络组态如图2.1所示。为此系统控制器，配置I/O模块，借助交换机在以太网上连接控制器，上位PC机安装有TIAPortalV14软件，用于系统的控制程序编程和网络组态，以及硬件组态和调试。上位监控组件，通过以太网和控制器之间通讯。装有博途软件的机通过以太网和控制器通讯，下载借助编译器，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。为此选择函数块，通过编译了一个输入量程转换块，下图2.3给出了详细的输入量程转换SCL代码程序以及输入量程转换块的接口变量，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转化为十六进制。。为此选择函数块，通过编译了一个输入量程转换块，下图2.4给出了详细的输入量程转换SCL代码程序以及输入量程转换块的接口变量，（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偏航控制对于偏航系统而言，其核心作用有以下两个：其一，控制风力发电机对准风向，保证风机位于最大风能吸收状态不变，以达到最大的发电效率；其二，发挥安全保护作用，借助机组内部锁扣以对系统实现控制，从而保证其运行的正常。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，要进行系统的初始化设置，对发电机组赋予启动准备工作状态说明。将启动信号输出，并将桨叶桨距角初始值为90°。下图2.8给出了详细的程序段。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偏航角同风向角之间不高于5°的差角值时，风机与风口正对，刹车开关松开，驱动风轮转动。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，控制风能被发电机组吸收。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。当风速不同时候，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分段比例前馈补偿有数次前反馈控制测试，测定了发电机组的有效风况范围，并进行了分段，将前馈补偿系数调试了出来，下表2.6给出了详细的图示。表2.6分段补偿系数将反馈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调试曲线分析本设计，风机发电组启动风速、额定风速和额定功率分别为4m/s，12m/s和300kW，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，我了解到变桨距风力发电机的原理和结构，之后对变桨距风力发电机组进行桨叶气动力分析和气动功率分析。和老师进行了关于风力发电机前馈和PID反馈调节控制的可行性的探讨，之后制定了控制策略。汇总了输入输出变量，对设备进行了选型，完成了硬件网络组态，设计了控制程序，选用了FC块进行编程分类，分为了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。设计了上位系统监控画面，对风速、桨距角、偏航角、有功功率、转速进行了实时监控。对象同主控制器连接方式为，装有博途的电脑与控制器之间采用以太网进行通讯连接。调试过程中，由于在现实中风速的不稳定性、随机性和不可控性，加之整个设计系统为非线性复杂多变量系统，因此控制方式为单独，从而导致滞后和震荡的输出功率。所以前馈控制量添加风速，实现前馈控制和PID反馈控制的复合控制系统，去除风速随机变化对功率输出控制的不良影响，使功率快速调节到稳态。最终，本毕业尽最大的可能保证设计科学合理，同时缩减相应的成本。此外，保证发电机组的便捷简单和高安全性、稳定性相对稳定。

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