基于PLC的风力发电变桨控制系统的设计与研究

1、论文题目：基于 plc 的风力发电变桨控制系统的设计与研究 工程领域：电气工程 硕 士 生：蔡 博 (签名) 指导教师：蔡文皓 （校内） (签名) 指导教师：雷红卫 （校外） (签名) 摘 要 工业的跳跃式进步，使得煤炭、石油等不可再生能源被过度开采，不仅在使用过程 中造成了对环境的污染，而且这些化石矿物分布的不均，也使世界各国为此频起争端。 面对这样的窘境，开发清洁的、可再生能源代替，对解决这些问题有着重要的意义。而 风能就是一种新型的、无污染能源，利用风能发电已经被全世界广泛提倡和推广。随着 相关科学技术的不断进步， 变桨风电机组这种通过调节桨距角保持机组输出功率稳定的 发电方式逐渐成为了

2、大型风电机组的主流，其相关的变桨控制技术也在不断地完善、进 步。 通过阅读大量国内外文献资料， 研究风力发电机组及控制系统的基本结构和工作原 理，对变桨控制系统的原理、结构、功能和工作流程进行了详细的分析，结合实际生产 工艺要求，对市场上的主流变桨驱动装置进行了比较和选型，最终采用三桨叶独立电动 变桨方式。 由于 plc 在工业控制领域应用广泛，拥有很多优势，且价格合理，综合各方面因 素，本文选择西门子 s7-300 作为控制器。 调节桨距角以保持机组输出功率最优是本文研究和设计控制系统的主要内容。 通过 分析风电机组的空气动力学特性， 在此基础上设计了变桨控制系统在不同风速段时的控 制策略，

3、 鉴于 pid 控制稳定性好、 控制算法简单、 响应速度快且能实现无差调节等特点， 本文利用西门子 step 7 下位软件，通过功率偏差及 pid 算法调节等相关程序块进行了 控制程序编写。利用力控组态软件良好的兼容性，在上位机创建了变桨控制系统的操作 监控画面，并完成了与下位机的通讯组态。 通过调试，本文所设计的变桨控制系统能够在各种风速条件下，通过自动调节桨距 角的大小，始终维持机组输出功率稳定。软、硬件都能够满足机组的控制要求，运行良 好。调试过程中对 dtu 装置的尝试，也成功的摆脱了电缆的束缚，即使监控上位机远 在异地，也可实时的监控机组运行。 万方数据 关 键 词：风能发电 变桨控

4、制系统 plc 功率偏差调节 pid 控制 研究类型：应用研究 万方数据 subject : the design and research of wind turbine pitch control system based on plc specialty : electrical engineering name : cai bo (singature)_ _ instructor : cai wenhao (singature)_ _ _ instructor : lei hongwei (singature)_ _ _ abstract as a result of highly d

5、eveloped industry-coal, oil and other non-renewable energy are overexploited, which not only pollutes the environment, but also causes frequent conflicts in worldwide because of uneven distribution of these fossils. based on this issue how to find and explore other renewable energy to be back up res

6、ource is quite significant. wind is a new, non-polluting energy sources, the use of wind power has been widely advocated and promoted worldwide. with the continuous progress of science and technology, wind turbine pitch control system which maintains a stable output power by adjusting the pitch angl

7、e has gradually become the mainstream way of large scale wind turbine; with its related pitch control technology is constantly improved. in this article the basic structure and operating principle of the wind turbine and control system is introduced. it focus on an important part of current mainstre

8、am wind turbine - the principle, structure, functions and workflows of pitch control system and provides a detailed analysis of the production process, and in accordance with the requirements designs the hardware structure of the pitch control system, and plc-based control system architecture. this

9、paper analyzed every section of the pitch control system, and lists the main parameters of the selection, and configure the systems hardware by using siemens s7-300 series plc control system. main content of the paper is on how to adjust the pitch angle to maintain optimal output power unit as well

10、as on design of control systems. to fulfill requirements for plant operation under different wind conditions, we use the siemens step 7 lower position machine software, per power deviation and pid algorithm adjustments and other relevant program modules to realize edition of ladder diagram. by force

11、 control software, this created in the pc monitor screen operation of pitch control system for the operation and maintenance personnel to 万方数据 provide a good human-computer interaction interface. by testing, all pitch control system designed hardware and software in the article are able to meet requ

12、irements of the control unit and run smoothly. the test of dtu device in the process also successfully got rid of the shackles of cable, even if the pc monitors located remotely, real-time monitoring of plant operation may get to. key words: wind power, pitch control system, plc, power bias adjustme

13、nt, pid control thesis : application research 万方数据 目 录 i 目 录 1 前言.1 1.1 风力发电研究的背景和意义.1 1.2 风力发电系统在国内外的应用及发展趋势.2 1.2.1 国外风力发电的应用及发展趋势.2 1.2.2 国内风力发电的应用及发展趋势.5 1.2.3 国内外在风力发电技术上的比较.6 1.3 未来的发展方向和策略.7 1.4 研究课题来源及内容.7 2 风力发电及控制系统概述.9 2.1 风力发电机组.9 2.1.1 风力发电机组类型.9 2.1.2 变桨风力发电机组结构.9 2.1.3 风力发电机运行原理.13 2.

14、1.4 控制系统结构.15 2.1.5 控制系统功能.16 2.1.6 变桨控制系统的概述.19 2.2 变桨控制系统总体设计.21 2.2.1 变桨控制系统的设计要求.21 2.2.2 控制系统构成.22 2.2.3 变桨控制系统的系统结构.23 2.2.4 程序控制中 pid 调节的设计 .23 2.3 本章小结.26 3 基于 s7-300plc 的风力发电变桨控制系统硬件设计.27 3.1 变桨系统设备选型.27 3.1.1 伺服电机及伺服系统的选型.28 3.1.2 编码器的选型.29 3.1.3 ups 的选择.30 3.2 plc 控制单元的组成和选型.30 3.1.1 cpu

15、模块.31 3.1.2 开关量模块.32 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 ii 3.1.3 模拟量模块.32 3.1.4 定位模块.33 3.1.5 通讯模块.33 3.2 变桨控制系统的主要任务.34 3.3 本章小结.34 4 变桨控制系统软件设计.35 4.1 变桨控制功能分析.35 4.1.1 控制参数.35 4.1.2 控制过程.36 4.2 控制程序.41 4.3 通讯协议.46 4.4 上位机软件界面开发.48 4.4.1 力控简介.48 4.4.2 界面设计与开发.49 4.5 本章小结.54 5 系统运行测试结果.55 5.1 系统运行调试.55 5.2 运行结果分析

16、.57 5.3 本章小结.58 6 结论.59 6.1 结论.59 6.2 展望.59 致 谢.60 参考文献.61 附 录.64 万方数据 1 前言 1 1 前言 1.1 风力发电研究的背景和意义 阳光照射会使地表温度上升，因为照射面的不均匀，不同区域温度的也会不一样， 从而引起了对流空气的形成，产生了风。风在运动中产生了能量。调用这种能量使风机 转动，将机械能转化为电能，驱动发电机工作的方法就是风力发电。风能是自然界提供 的可再生资源。通过风力发电对环境不会造成污染和危害，而且不论在科技应用方面还 是经济效益方面，风能都是现今相较于光能、地热等能源，更具有发展前景并适合大规 模开发和应用的

17、新型能源。 煤炭、石油和天然气等化石燃料在地球上的蕴藏量是非常有限的，这些能源的产生 需要一个漫长的过程，过度的开发总有一天要枯竭，能源消耗的快速增长带来的的环境 污染和安全问题已经成为世界能源使用的主要矛盾。 为避免不久的将来可能要面临的能 源危机，及工业急速发展带来的环境污染问题，研究和开发风力发电技术都是有着很重 要的意义。风力资源作为可再生能源，具有非常广阔的开发前景。开发、利用风力资源， 其中最关键的技术是电力电子技术和控制技术。将最先进的电力电子技术、控制技术应 用在风力发电生产过程中， 对于降低风力发电的成本、 提高发电的效率和电能变换质量、 使清洁的、可再生的能源逐步替代传统的

18、化石燃料，减少对大自然的危害，对促进人与 自然的和谐发展有重大意义。 能源是经济持续高速增长的基本物质保障, 经济的发展离不开能源,但仅靠常规能 源是不行的。 煤炭占据电力供应燃料的70 %,已探明的剩余储量可开采部分为1390亿吨， 按一年开采速度 16.67 亿吨算， 也仅能维持 83 年， 而且还得面对开采所带来得环境污染 问题。我国地大物薄，石油资源本就不足，天然气资源也并丰富，据统计，我国可利用 的水力发电量为 4.02 亿千瓦，按照年发电量 1.7 万亿千瓦时来算，经过 20 到 30 年的开 发，大部分的水能也面临被利用枯竭的局面，而且过多的开发也会影响当地水资源的平 衡，因此单

19、纯的依靠水力发电无法解决我国的能源困境。 相反，鉴于我国地势环境的优势，风力资源相对却很丰富。据估计，我国海拔 10 米以内可开发利用的地表风电能源约为 12 亿千瓦，再上升到 50 米以上高度后，可利用 的风能甚至可以达到约 30 亿千瓦。如此丰富的风力资源加以利用，可以为我国经济和 风电技术的可持续发展提供强有力的基础保障。 风力发电的技术核心是机组，它决定了风力发电的投资成本。因此，反映国家风力 发电技术水平的依据，就是风电机组的设计水平和生产工艺。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 1.2 风力发电系统在国内外的应用及发展趋势 1.2.1 国外风力发电的应用及发展趋势 （1）

20、世界能源应用现状 经济飞速发展和人口激增导致能源消费几何增长 随着世界经济规模的不断增大，世界能源消费量持续增长。近 20 年来，全球生产 总值年均增长 3%。据统计，二十一世纪初的一次能源消耗总量相比二十世纪七十年代 时期提高了将近一倍之多，世界能源消耗量每年都比上年增长将近 2%左右。 能源消费区域差别大，但结构正在优化 1873 年产业革命带来了急剧增长的燃料消费量问题。 从最开始的以煤炭为主要能源 供应，到 20 世纪以后，随着生产工艺的先进，石油逐渐取代了煤炭，成为能源供应的 主导。经历过两次石油危机后，煤炭、石油消费量才有所下降，天然气逐渐进入了人们 的视野。与此同时，世界进入了能

21、源多元化发展时期，日益增长的能源需求，迫使人类 开始积极开发新能源。核能、风能、水力、地热等各种形式的新能源的研究和应用，形 成了世界能源消费新格局-以化石燃料为主，多种新能源和可再生能源并存。二十一世 纪初，化石能源仍然在世界能源消费中占很大的比重。尽管可再生的新型清洁能源比重 在逐渐呈上升趋势，但像石油、天然气这些能源所占比重仍在上升，仅煤炭的消费有所 减缓。 各国增长速度不同，发达国家趋于饱和 过去 40 年来，北美和欧洲地区的经济相较于亚洲、非洲等发展中地区在经济、科 技上发展更迅猛，随着对能源的危机意识，消费量有所减缓，经济发展观念发生改变： 在保证高产能的情况下，逐渐降低能耗；重视

22、节能环保；提高能源开发和使用效率；高 能耗的生产、制造企业逐渐向发展中国家迁移。 而油气资源最为丰富的中东地区，由于开采成本极低，能源消费稳居世界之首。中 国、印度等国家的石油和天然气在亚太地区占比偏低，但煤炭资源相对丰富，中国的煤 炭储量在整个亚太地区的比重达到一半以上。因此，这些地区的煤炭消费仍然占据很大 的比重。石油、天然气仍然是欧美地区消费的主要能源。 能源的地区分布不均，导致进出口压力增大 中东地区占有世界上可开采石油总储量的一半以上，其他地区均在 10%左右，亚太 地区低于 5%。世界石油产量每年仍在以 4%左右的幅度增长，一半以上的石油年消费量 由中东地区源源不断的向外输出，非洲

23、和南美洲也有着丰富的石油储量，而北美和欧洲 仍然存在 4 亿吨左右的能源缺口，由于亚太处在经济增长期，因此石油缺口达到 8 亿吨 左右。按这样的能源消耗水平计算，石油也会在未来几百年内面临枯竭。 万方数据 1 前言 3 煤炭资源尽管已被其它能源种类取代，但仍然在一些地区占有能源主导地位。而煤 炭的地区分布也很不均衡， 二十一世纪初的一项统计表明， 全球可开采的煤炭剩余储量， 还是主要集中在欧美、亚太地区，这些地区的可开采储量达到世界总储量的 90%。天然 气剩余可采储量为 175.78 万亿立方米， 储采比达到 67。 作为占有世界天然气总储量 75% 的中东和欧洲地区， 对一些过度开采导致能

24、源资源枯竭的发展中地区的贸易增长会随着 经济发展逐渐加快，对进出口的响应速度要求逐渐提高，贸易中各个环节的安全问题也 成为各国热切关注并丞待解决的问题。 （2）世界能源发展趋势 据相关统计预测，过去 10 年和未来 30 年，世界能源需求和消耗仍然以平均 1.5% 的年增长率继续增加。 尽管欧洲和北美洲这些发达地区的消耗比例在逐年下降， 但亚洲、 南美洲等发展中国家仍然在能源消耗中占据重要角色。日益增长的能源需求，加上能源 分布过于集中，各地区对能源的争夺也将愈演愈烈，甚至演变为冲突乃至战争也不无可 能。而且伴随着世界能源消耗量的增大，二氧化碳等有毒有害气体也在逐年增多，对人 类的生存构成了威

25、胁，对全球气候的影响也日渐严重，全球温室效应加剧，气候恶劣， 沿海和内陆地区也多发海啸、龙卷风等自然灾害。据 eia 统计，二十世纪九十年代到二 十一世纪初这 10 年，世界二氧化碳的排放量比之前增长了大约 25 亿吨，到 2010 年增 长了将近 40 亿吨，预计今后的 20 年间，污染排放也将以每年 2%的速度增长。面对以 上惊人的数字，多元化、高效化、清洁化、市场化和全球化是未来世界能源供应和消费 的必然发展趋势。 多元化 人类的发展经历了从伐木取火，到以煤、石油为主燃料，再到天然气，同时发展风 能等清洁型或可再生能源。出于对投资成本和利用效率及环境保护的考虑，世界能源的 消费结构正在向

26、既保证可持续发展，又利于人类和自然和谐发展的方向改变，能源多样 化是世界能源发展利用的必经之路。如何在解决急剧增加的能源需求的同时，保护好生 态环境正日渐受到各国的高度重视。 高效化 近年来，科学技术的发展和应用，逐渐提高了能源的利用效率，多次利用使能源消 耗逐渐降低。例如，2001 年世界能源消耗强度为 0.3121 吨油当量/千美元，2010 年下降 了 11%，预计到 2025 年这个数字可降到 0.2375 吨油当量/千美元。 但是， 由于加工手段的差异， 导致使用效率区别很大。 发展中国家由于技术的限制， 能源消耗的强度在未来 20 年内仍然会是欧美地区等发达国家的 2-3 倍。因此

27、，全球能 源利用的高效化是非常有潜力且必须的发展趋势。 清洁化 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 在世界能源消费结构中，煤炭所占的比例逐渐降低，而天然气的比例逐渐升高，石 油的比例基本维持不变。过去煤炭、秸秆等这些被认为是“脏”的能源都在向清洁化方向 发展，清洁煤的脱硫脱尘等先进技术、沼气技术、能源制造后的副产品再利用等高新科 技都得到完善和广泛的应用。 随着世界能源技术的提高及保护环境意识的加强， 对生产技术水平也有了更高的要 求，零污染的生产过程及高效的产能，预示着未来能源利用将走上清洁化、高效能的道 路。 这其中， 核能的利用使人们把它从战争工具转变为生产工具， 回归了创造者的

28、本意， 并大大的节约了世界能源， 从一定程度上避免了无节制开采后将面临能源短缺的尴尬后 果。 市场化 国家将逐渐减少参与和干涉能源利用的行为，加大为能源市场服务的力度，完善法 律法规来作为良好能源市场环境的基础， 使世界能源利用的市场化程度越来越高。 现在， 一些能源储量相对丰富的国家，都在进行市场化运作的摸索，试图制定一个完善的政策 导向和管理机制，为投资者提供良好的贸易环境。 全球化 由于石油等能源的消耗逐年增长，贸易量也急剧增加，增长率超过同时期石油消费 的年均增长率。由于能源储量的不均匀分布，致使那些能源相对匮乏，而经济又处在发 展阶段的国家对能源的需求量越来越大，从而依靠进口外国能源

29、来保证本国发展。随着 全球经济一体化进程的加快，能源贸易也在全球范围展开。贸易额的逐年递增，使能源 供应国和需求国都积极地促进能源贸易的全球化发展。 （3）风力发电的发展趋势 定桨距风力发电机组于1985年开始进入能源供应市场，采用软并网技术、空气动力 刹车技术、偏航与自动解缆等技术，解决了风力发电机组的并网问题，提高了机组运行 的安全性与可靠性。 20世纪90年代以后，当风力发电机组的可靠性已不成问题时，转速可控和并网后功 率可控技术的变距风力发电机组进入了风力发电市场。 此种机组对风力机的起动性能和 功率输出特性都有明显改善。 经过不断的运行实践，在积累了大量生产经验后，针对变距风力发电机

30、组在额定风 速以下运行时效果不太理想的问题， 各种基于变距技术的变速风力发电机组进入风电市 场。不同于定速发电机组，变速风力发电机组是把风速作为控制系统的输入变量来达到 控制转速和功率目的的。 变速风力发电机组的主要特点是：低于额定风速时，能达到最高的风能转换效率， 保持机组输出最佳功率；高于额定风速时，削弱了系统的高频振荡，使输出功率更加稳 定，使系统高效、高质地向电网提供电力。 万方数据 1 前言 5 本世纪初开始至今，全球的风电机组容量年均增长超过 20%，年均新增机组容量超 过 30%，保持着世界增长最快能源的地位。2010 年全球装机容量达 196630mw，新装 机容量 37642

31、mw，比去年同期增长 23.6%。 近年来，除了欧洲一些拥有先进风电技术经验的老牌国家之外，中、美、日等国也 逐渐提高了对风电的重视，制定相关政策，加快了风电建设的步伐。在大规模的建设和 发展进程中， 德国、 西班牙和意大利拥有的风电机组总容量已经是欧洲总量的一半以上， 随着风力发电的全球化应用，世界上相继已有 80 多个国家在积极开发和建设风力发电 厂。 海上风力资源分布比陆地更广阔的， 欧洲部分国家已经将风电场建设扩展到近海发 展，甚至在未来技术条件具备的情况下，有着向远海发展的趋势。风电未来的发展趋势 已经逐渐从内陆转向近海，为了更多地利用风力资源，未来可能还会向远海继续扩张。 近些年，

32、北美国家的风电发展呈逐年下降趋势，中国的年装机容量甚至一度超越了 美国。东欧国家成为风电发展的集中地和风电技术的核心力量。西欧国家的风电逐渐饱 和。北非是非洲地区风电发展的前沿地区。 近些年风电的发展，一些风电制造企业成为了风电市场的主力军，占据了国际风电 市场一半的份额。这些企业包括丹麦 vestas、美国 ge wind、德国 enercon。中 国的金风和华锐，也跻身进入世界的前五强之列。 丹麦 vestas 在 2010 年之前共安装 4 万多台风电机组，总容量超过 4 万兆瓦，产 品遍布 60 多个国家和地区，在中国也拥有五分之一的市场份额。 单机容量 3-6 兆瓦的风电机组随着海上

33、风电的迅速发展，已经开始进入商业化运营 阶段。美国和英国已经研制成功了 7 兆瓦风电机组，10 兆瓦机组也在攻坚阶段；而挪威 已经开始研制 14 兆瓦的风电机组， 欧盟对 20 兆瓦的风电机组构想也已经进入实质性设 计工作， 全球各个风电机组制造厂商也都在为未来建设更大规模的海上风力发电厂做前 期的研究设计工作。 1.2.2 国内风力发电的应用及发展趋势 “七五”至“九五”期间国家制定优惠、补贴政策，鼓励风电厂的有序、规模建设，并 把风电机组列为了重点技术攻关项目。 山东 1983 年引进的 3 台丹麦 vestas55kw 风力发 电机组，开启了我国风力发电并网技术的先河。1986 年到 1

34、993 年，全国共建设风电厂 12 个，总装机容量达到 13300kw，平均每年装机 1662.5kw；1994 年到 1999 年，全国 风电共装机 249050kw，平均年装机 41508 kw。 上世纪九十年代，我国风电机组主力机型集中在 300kw 以下，到了本世纪初，主力 机型已发展为 600kw 机组。 由此可见， 我国风电单机容量在过去二十年经历了跳跃式发 展。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 在上世纪九十年代末到本世纪初，单机容量在 310.1-749.9kw 的机组已经成为我国 风力发电厂的主力机型。 截止 1999 年底，国产机组已投入运行 29 台，占全国机组

35、比重 4.9%；装机容量 8350kw，占全国总容量的 3.2%。国产机组主要来自自行研发设计和参考进口机组后生 产的样机，但存在未解决的技术和质量问题；和通过与国外厂商合作，部分国产化，单 核心部件仍然采用进口的方式，这类机组基本都能够正常运行。或者通过支付高额技术 转让费并引进全套制造技术的方式，但通过完全照搬外国的技术，我们无法完成相关的 创新设计，且购买的技术相对国外的现行技术水平还是很落后。我国自 1984 年研制 200kw 机组至今，在这 30 多年中，国产风电机组尚且在国内都未能占据一席之地。 二十一世纪初开始， 我国的风电厂投入和建设逐年递增， 到 2010 年这 10 年时

36、间里， 风电机组总容量达到 2300 万千瓦，并网发电的机组超过 80%。仅 2010 年一年时间，装 机容量新增 2 千万千瓦，比过去十年翻了一倍还多，取代了美国世界风电装机容量第一 的地位。 2010 年是中国风电建设发展实现了跳跃性增长的标志年， 不仅在内陆实现了大范围 的建设和并网发电，还有计划的逐渐向海上风电建设发展。随着技术的革新，大容量机 组也逐渐被开发和应用。其中，东海大桥风电厂已开始并网发电并投入使用。 我国风电设备制造行业因技术差别，也分成了三个梯队：华锐风电、金风科技和东 方电气属于第一梯队，他们拥有雄厚的技术团队和运行经验，且都在全球风机制造商十 强之列；明阳风电、国电

37、联合动力和湘电集团在设备检修过程中积累的丰富经验为风电 机组制造提供了良好的基础，属于第二梯队；其他较小的风机制造商属于第三梯队。 华锐风电、金风科技等国内先进风电制造企业紧随国际潮流，把握大型风电设备开 发趋势，积极研发 5mw 甚至更大功率的风电机组。2010 年末，中国企业已自主研发出 拥有全球知识产权的大容量风电机组，并投入使用。第二年，更大容量的风电机组也已 顺利投产。 这标志着中国拥有了适合自己的风电技术， 并在世界风电市场拥有了话语权。 风电技术的不断进步，使中国的老牌制造商纷纷将目光放在了风电未来的发展上， 风电制造业得以迅猛发展。不仅国内风电机组市场份额的绝大多数被国内制造商

38、占据， 还渐渐地在攻占海外市场。尽管中国的风机制造产业链已经逐渐完善，但基于技术的相 对落后，核心部件的制造仍然采取进口的模式，在技术研发和认证的缺口上，导致我国 的风电制造业不能完全独立自主。 1.2.3 国内外在风力发电技术上的比较 丹麦(风电机组产量占世界市场一半份额)、德国和美国是世界上先进风电设备制造 商的集中所在地。德国不仅在风电技术上遥遥领先，还是拥有世界上风电机组台数及容 量最多的国家，其风电技术的发展方向，也为世界风电技术的发展提供了科学的依据。 万方数据 1 前言 7 在增大单机容量的同时， 提高转换效率， 并降低投资成本， 是风电技术发展的必然趋势。 通过提升风机轴心高度

39、和加大叶轮直径，发电容量也随之成倍增长。 风能的核心技术就是控制、调整能量输出的稳定性。以前的定桨距调节技术简单可 靠，简化了控制，导致调节的作用很小，使桨叶、轮毂、塔架等部件受力增大。时下流 行的变桨距控制技术，通过调节桨距角应对不同的风速状况，来达到控制功率输出稳定 的目的。 但由于生产工艺复杂， 这其中的控制技术需要全面的考虑各个环境和设备因素。 不过从风电技术发展趋势来看，变桨风力发电技术正是因为其全面的控制策略，终将成 为世界上先进的主流技术。 二十一世纪开始，风电机组已经发展到兆瓦级别，海上风电机组的容量也达到 5 兆 瓦。与德国先进的风电机组调节技术相比，我国技术水平仍然较低。但

40、随着近年来我国 风电机组应用的广泛及制造工艺的提升， 有望在短时间内缩小技术差距并赶超世界先进 水平。 国外在双馈变速恒频型风力发电机组上的控制技术比较成熟。 国内大部分整机制造 商目前使用的控制基本上是基于这些国外技术。 风电技术的发展，已经从定桨恒速向变桨变速逐渐发展，研发力量的不断壮大和技 术进步，已经实现从最初的正常运行的最低要求，到现今能够保证输出最优功率并网发 电的理想目标。 1.3 未来的发展方向和策略 （1）提高科技水平，加大政策引导力度，提高生产和利用效率，走清洁化的能源 道路。我国煤炭的能源主体暂时无法彻底改变，能源消费差异仍会继续存在，结合中国 能源资源储量结构的特点及中

41、国经济结构的特色，在政策上加以扶持、引导，特别是风 电等清洁能源的基础建设、 生产利用、 环境控制等方面制定一些利于市场化发展的政策， 鼓励相关研发，加大投入力度，强调提高能源利用效率的重要性，倡导可持续发展。 （2）通过借鉴国外先进经验技术，完善能源相关法律法规，建立能源安全预警机 制、能源储备机制和能源危机应急机制，积极倡导能源多元化发展。 1.4 研究课题来源及内容 近年来，由于油价一路攀升，发展风能等清洁再生能源越来越受到国家的重视和大 力扶持。国家的十五规划明确了国内风电设备要在市场份额中占据主力地位的目标。尽 管我国的风电制造在国际上取得了一定的地位， 但由于技术方面的限制， 不仅

42、产量较低， 而且主要部件仍然需要高价在国外采购，尽管满足了市场需求，但却限制了风电技术的 独立自主发展。这其中，变桨系统就是需要攻克的一大难题，变桨伺服电机和控制系统 都依赖于从国外进口，国内仍未在这方面投入研发力量，高额的采购价格，加上过长的 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 8 采购周期， 也导致我国的风电建设投资成本高昂， 从某种程度上限制了风电产业的发展。 鉴于此，国家发改委规定，风电设备未达到70%的国产化，不能投入建设。因此，国产 化风电机组是中国发展风电产业的必要条件，为实现风电产业的全面化进程，不论是风 电制造商，还是投资企业，都应该把建设拥有独立知识产权的风电设备作为首要目标和 责任。 本课题就是在这样的背景下，我们利用plc，结合生产工艺，为1.5mw风电机组设 计了一套变桨控制系统。 本文主要对以下几个方面进行了研究： （1）对风力发电机组的工作原理进行了分析，并设计了变桨系统结构。 （2）针对变桨系统结构设计了变桨控制系统。 （3）提出了以plc为控制方案，并进行了相应的硬件组态。 （4）对plc进行了下位机的控