变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统研究与实现.doc

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1、摘 要以计算机入手，采用先进的S7-300型PLC为心核控制器硬件设计，利用MCGS组态软件进行控制器设计，通过完善的软件与硬件相结合，设计了一种变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统。在风力发电系统中，变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行，影响风力机的使用寿命，通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音，稳定发电机的输出功率，改善桨叶和整机的受力状况。变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性，现代的大型风力发电机大多采用变桨距控制。本文针对国外某知名风电公司液压变桨距风力机，采用可编程控制器(PLC)作为风力发电

2、机的变桨距控制器。这种变桨控制器具有控制方式灵活，编程简单，抗干扰能力强等特点。关键词：变速恒频，变桨控制，PLC，风力发电ABSTRACTTo start the computer, using advanced PLC S7-300 type nuclear controller hardware design for the heart, using the configuration software MCGS controller design, by improving the software and hardware to design a variable speed con

3、stant frequency wind power unit pitch control system. In the wind power system, variable pitch control technology related to wind turbines safe and reliable operation, affected the life of wind turbine by controlling the pitch angle so that the output power stable, reducing the torque oscillation, r

4、educe cabin vibration, not only optimize the output power, and effectively reduce the noise, stable output power generators to improve the blade and the stress state of the whole machine. Pitch than the fixed pitch wind turbine wind turbines to capture wind energy with better features, most modern l

5、arge-scale wind turbines with pitch control. In this paper, a well-known foreign companies wind power hydraulic variable pitch wind turbine, using programmable logic controller (PLC) as a wind turbine pitch controller. This pitch control mode controller with a flexible, programming is simple, and st

6、rong anti-interference characteristics.Key words: VSCF，Pitch control，PLC，Wind power目 录1绪论11.1文献综述11.2风力发电机的历史与现状31.3选题背景及其意义52变桨控制系统工作原理72.1变桨控制72.2角距控制系统92.3变浆控制功能模块设计93 FC-2A风速传感器的介绍123.1 FC-2A风速传感器123.2 FC-2A风速传感器结构133.3现场安装调试及使用134 PLC控制系统的介绍154.1 PLC的概述154.2西门子S7-300的选择原因及主要模块介绍184.3模拟值的表示214.4

7、 PLCS7-300的模块选择及其介绍225系统设计245.1 I/O对照表245.2系统流程图245.3硬件接线图245.4序实现说明245.5 PLC程序256.结论26参考文献27致谢281绪论基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统研究与实现，变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统是风力发电机组电控系统的重要组成部分，变桨控制可以使得风力发电机组在较大的风速范围内获得较高的风能利用系数。本课题的实现需要综合风力发电技术，风力发电机组变桨控制技术、传感器技术，电子电路技术、PLC硬件技术、PLC软件编程技术，上位机组态技术等多门技术的研究与应用。该课题不仅可以锻炼学生进行系统的整体

8、结构和软件架构的设计，进行PLC硬件的选型，进行PLC的软件编程，系统调试，还可以锻炼学生根据课题进行技术开发与技术创新的意识和能力以及实际的工程开发意识和能力，符合学校本科教育的实际需要，该课题还提高学生对新能源的关注力。该课题来自导师的实际科研项目，具有较好的科研和技术应用研究意义。1.1文献综述1.1.1 变桨距调节技术 为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，在定桨距风力机的基础上加装桨距调节环节，便构成了变桨距风力机组。变桨距风力机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，主要依靠与叶片相匹配的叶片攻角的改变来进行调节。在额定风速以下时，叶片攻角处于 0 附近，此时叶片

9、角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，基本上可看作是定桨距风力机组。在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围内。风力机的桨距控制系统，通常采用典型的转速、功率和桨距角三模态控制，速度控制和直接桨距控制系统，用于风力发电机的启动、停止和紧急事故处理。因而，变桨距风力机的启动风速比定桨距风力机低，但对功率的贡献没有意义，停机时对传动机械的冲击应力相对缓和。变桨距调节技术的主要优点是，叶片受力较小，可以做的比较轻巧，同时，由于攻角可以随风速的大小进行自动调节，因此能够尽可能多的捕获风能，提高发电效率，又可以在高风速段保持输出功率平稳，不至于引起异步发电机的

10、过载。但是，这种系统的结构比较复杂，故障率相对较高，并且由于风的随机性和间歇性特点，使风力机的出力变化很大，机组的动态负荷增加，对电网的冲击增大1。1.1.2 可编程控制器应用技术S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。中央处理单元(CPU)：各种CPU有不同的性能，例如，有的CPU上集成有PROFIBUSDP通讯接口等。信号模块(SM)：用于数字量和模拟量输入/输出。通讯处理器(CP)：用于连接网络和点对点连接。功能模块(FM)：用于高速计数，定位操作(开环或闭环定位)和闭环控制。负载电源模块(PS)：用于

11、将SIMATICS7-300连接到120/230V交流电源，或24/48/60/110V直流电源。接口模块(1M)：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7-300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。SIMATIC S7-300适用于通用领域：高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。SIMATIC S7-300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下：高速的指令处理：0.10.6u s的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。浮点数运算：用此功能可以有效地

12、实现更为复杂的算术运算。方便用户的参数赋值：一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值。人机界面(HMl)：方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内、因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMl)从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送。诊断功能：CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如：超时、模块更换等)。口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改，操作方式选择开关：操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当

13、钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的STEP7的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。SIMATIC S7-300具有多种不同的通讯接口：多种通讯处理器用来连接AS-I接口和工业以太网总线系统；串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统；多点接口(MPl)集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。CPU支持下列通讯类型：过程通讯：通过总线(AS-I或Pronbus)对I/O模块周期寻址(过程映象交换)。数据通讯：在自动控制系统之间、人机界面(HM

14、l)和几个自动化功能块间相互调用2。1.1.3 液压变桨控制系统独立变桨驱动装置的自动防故障操作，可通过在独立液压元件之间建立逻辑连接器来实现。其功能基于纯机械原理，可靠性很高，然而，系统的复杂性也随之升高。在失去外部控制动力的情况下，液压蓄能器可以驱动叶片旋转到安全终端位置。其带内部处理器和存储器的比例阀，能够执行从简单的开环控制到复杂的闭环控制等所有的功能任务。这样可以减小作用在控制系统和总线系统上的载荷。该系统采用了高品质的液压元件，配备了高纯度的液压油和精细的过滤器，以及保持最佳操作温度的冷却器和加热器，保证了液压元件的长使用寿。使用带液压蓄能器的液压控制式变量柱塞泵，可以输出很高的驱

15、动力且占据空间小，能源利用率也极高。液压系统中的独立功能模块无需排列布置。使用柔性连接器连接各独立模块，可以使得整个液压系统最大化地集成在风力发电机组中3。1.1.4 传感器与变送器 以检测功能为主线，将将以风速传感器为主。是一种应用范围很广的风速（空气流速）变送器，可应用于监测、控制及风速调节和通风系统等。 特性： 可将空气流速转换为420mA或一个010V信号 线性信号输出 由可调电阻材料制成 全电子仪表读空气流速 交流或直流供电 具温度补偿 套筒式传感器利于安装 010V的温度输出信号 保险丝保护 运用： ESF-35-2空气流量转换器运用范围极广 通过PLC/远程站点/EMS来测量空气

16、流速 调节空气流速 监测空气流速。1.2风力发电机的历史与现状风能使太阳能的一种表现形式。它是由太阳的热辐射引起的空气流动。太阳把自己能量的绝大部分以热的形式给了地球，而到大气求得太阳能约有2%转变为风。所以，地球上风能资源蕴藏丰富。人类对于风能的开发利用也很早就开始了。对风能的利用首先出现在波斯，在荷兰和英国的风车磨坊大约从公元七世纪就广泛应用，在中国对风能的利用至少不晚于13世纪中叶，主要用于磨面和提水灌溉。利用风力发电的设想始于1890年的丹麦，到1918年，丹麦已拥有120台风力发电机。1931 年前苏联采用螺旋桨式的叶片建造了一台大型风力发电机。随后，各国相距建造了一大批大型风力发电

17、机。但是，近代火力、水力发电机的广泛应用和20世纪50年代中东油田的发展，使风力发电机的发展缓慢下来。20世纪70年代后，由于能源短缺，人类生存环境的进一步恶化，环境与能源问题成为当今世界面临的两大挑战。因此寻求无污染、可再生的能源成为科技界的一大目标。风能这一古老而丰富的自然资源，以其易于获得并转换，且分布广泛无污染又能够不断再生，而被重新认识，开发和利用。此时的风力发电机设计应用了航空器的成熟理论，使得风力机的效率比老式的风车提高了几倍乃至十倍。欧美工业发达国家凭借其先进的科技和工业水平，投入数以亿美元计的研制经费，相继制造了兆瓦级风力发电机，形成了风能工业，使风力机的概念由单机运行发展到

18、并网运行和建成有相当规模的风车田。据报道，截止1990年底的报道材料统计，全球风力发电设备总装机容量已经达到3800MW，其中美国约200MW，而且各国正在不断加大对风能开发的投入。 面对新世纪的来临，美国、丹麦、荷兰、德国、日本和英国等国家纷纷制定出能源规划的长远目标3。在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持，因而发展较慢。五十年代后期由过一个兴旺时期，吉林、辽宁、内蒙古、江苏、安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风车，但是没有做好巩固和发展成果的工作。七十年代后，随着国民经济的较快发展出现了能源供应紧张、环境污染严重等现象，另外由于科技意识日渐深入人心，可再生无污染

19、的风能利用受到了足够的重视。在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在我国得到了相应的发展。目前微型（1KW）、小型（110 KW）风力发电机的技术日渐成熟， 已经达到商品化程度。同时大型风力发电机组（600 KW）也研制成功，并已投入了运行。此外，从国外引进了大型风力发电机组建设了20余个风电场。总装机容量达到了近25MW。从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展，与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的

20、开发与研制方面4。图1-1 风力发电机历史图图1-2 风力发电机历史图1.3选题背景及其意义随着风电技术的不断成熟与发展，变桨距风力发电机的优越性显得更加突出：既能提高风力机运行的可靠性，又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线。采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，使整机的受力状况大为改善，使风电机组有可能在不同风速和风向下适当的调节风桨，使输出功率最大，从而提高系统性能。随着风电机组功率等级的增加，采用变桨距技术已是大势所趋。目前变桨执行机构主要有两种：液压变桨距和电动变桨距，按其控制方式可分为统一变桨和独立变桨两种7。现在市场上的一些风力发电机系统存在着以下缺点：1制造体积过于

21、庞大，但是效率还是和以前一样。2对于现有的技术，还不能完全的利用风能（在风小的时候）。3现有的风力发电机组的维修率过于频繁，而且安全性有待提高。4并且保持恒转速或恒功率状态，更好的利用风能，降低发电机组的超负荷运行。图1-3双馈型风力发电机组机舱内部结构示意图2变桨控制系统工作原理 本课题为变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统是风力发电机组电控系统的重要组成部分，变桨控制可以使得风力发电机组在较大的风速范围内获得较高的风能利用系数。变浆执行机构采用液压控制方式，变浆控制的主要工艺操作过程包含以下几个方面，在低风速时，桨叶节距角可以转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩，起动容易。风力发电机组

22、起动时，调节桨叶使发电机转速保持恒定，有利于发电机的并网。并网成功后，桨距角保持0不变。当发电机组需要脱网时，可以先转动叶片使之减小功率。在机组与电网断开之前，使之输出功率减小到0，对电网的冲击最小。以S7-300型PLC为核心控制器，以计算机为人机交互界面，以MCGS组态软件开发平台，通过对变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统的硬件设计、PLC的控制程序设计、计算机程序的设计，从而实现变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统6。2.1变桨控制变桨距技术可以使得风力发电机组在较大的风速范围内获得较高的风能利用系数。变浆执行机构采用液压控制方式，变浆控制的主要工艺操作过程包含在运行过程中，变桨控制框

23、图如图6-10所示。图2-1 变桨控制框图由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角的调节是直接或者间接通过发电机输出功率的反馈信号来控制的，因此可以避免因温度和海拔高度的变化而引起气流密度的变化对风力发电机组输出功率的影响。在低风速时，桨叶节距角可以转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩，起动容易。风力发电机组起动时，调节桨叶由顺桨位置（90到0），风机叶轮速度不断上升，当发电机转速达到700rpm时，主控制发出并网指令，由变换器输出一定频率和幅值的正序励磁电流，使得发电机定子输出电压与电网电压等幅值同相位，然后控制并网接触器并网,并网成功后，由变换器返回一个并网成功信号给主控制器。并网成功后，在

24、额定风速以下，由主控制器对发电机组的转速进行控制，桨距角保持0不变。额定风速以上，调节桨距角限制风力机接受的风能的增大，限制发电机转速的增加，通过改变桨距角来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。当发电机组需要脱网时，可以先转动叶片使之减小功率。在机组与电网断开之前，使之输出功率减小到0，对电网的冲击最小。当有紧急情况需要停机时，通过变桨机构可以使桨叶迅速调节到顺桨位置，起到气动刹车的作用，使发电机组迅速停下来。对于我们研究的1.25MW风力发电机组，变桨距控制系统地节距控制是通过比例阀来实现的。主控制器根据功率或者转速信号给出一个420mA的电流信号，由变桨机构内的比例阀控制

25、器转换成较大的电流信号，控制比例阀输出流量的方向和大小。比例控制就是根据输入电信号电流值的大小，通过放大器，将该输入电流信号(一般在420mA之间)转换成相应的电流信号，这个电流信号做为输入量被送到比例电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量力或位移，该力或位移又作为输入量加给比例阀，后者产生一个与前者成比例的流量或压力，这样不但能控制机械部件运动方向，而且能对其作用力和运动速度进行无级调节。变桨距液压缸按比例阀输出的方向和流量操纵桨叶节距角在-688之间变化。主控制器输出的直接控制量是变桨速度，达到控制节距角（位置）的目的。液压缸分为2部分，-645 之间由一个液压缸控制，为了提高变桨调节的

26、静态和动态性能，在该液压缸上设置有位置传感器，控制实现桨距角（位置）的闭环控制。对桨距角的闭环控制一般采用PID控制。4588由一个安全液压缸控制，安全液压缸上在88的位置处设置有限位开关。在风力机组正常工作时，节距角的工作范围在045之间，只需要对第一个液压缸进行控制即可，安全停车和紧急停车时才需要对安全液压缸进行控制。需要说明的是，变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将桨叶节距角置于0附近，不作变化，可以认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨机构开始动作，调整叶片节距角，将发

27、电机的输出功率限制在额定值附近。但是对于MW级风力发电机组，单个叶片的重量已达数吨，变桨机构操作如此大的惯性体，要求其响应速度跟得上风速的变化是不可能的，因此，仅仅靠变桨机构的话变桨距风力发电机组对于高频风速变化仍然是无能为力的，由于风力机可获取的能量随风速的三次方增加，因此在输入量大幅度、快速地变化时，要求控制增益也随之改变，对于双馈变速恒频风力发电来讲，就是要求变桨机构对节距角（位置）的控制能够达到足够的精度。变桨距技术可以使得风力发电机组在较大的风速范围内获得较高的风能利用系数。变桨执行机构可采用液压控制或电机驱动方式，变桨控制的主要工艺操作过程包含在运行过程中7。2.2角距控制系统由于

28、变桨距风力发电机组的桨叶节距角的调节是直接或者间接通过发电机输出功率的反馈信号来控制的，因此可以避免因温度和海拔高度的变化而引起气流密度的变化对风力发电机组输出功率的影响8。主控制器对变桨系统的控制规律如下：在低风速时，通过控制桨叶节距角转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩，起动容易。风力发电机组起动时，调节桨叶由顺桨位置（90）到0，风机叶轮速度不断上升，当发电机转速达到同步速的50%，主控制器发出并网指令。并网成功后，在额定风速以下，由主控制器控制桨距角保持0不变。额定风速以上，调节桨距角限制风力机接受的风能的增大，限制发电机转速的增加，通过改变桨距角来跟踪相应的速度给定值。功率输出将

29、稳定地保持在额定值上。当发电机组需要脱网时，先转动叶片使之减小功率。在机组与电网断开之前，使之输出功率减小到0，对电网的冲击最小。当有紧急情况需要停机时，通过变桨机构可以使桨叶迅速调节到顺桨位置，起到气动刹车的作用，使发电机组迅速停下来。由此可见，主控制器对变桨系统的控制与风机所处的运行状态密不可分，并且控制量单一（只需向变桨控制器发送桨距角的期望值即可），因此可将这部分控制功能归入风机流程控制中去实现10。2.3变浆控制功能模块设计主控制器中包含一个变浆PID调节控制器对变浆进行控制，变浆执行机构采用液压控制方式，变浆控制的主要工艺操作过程包含在运行控制功能中，变浆过程中需要进行变浆的润滑控

30、制。图2-2 闭环控制比例系统比例控制：根据输入电信号电压值的大小,通过放大器,将该输入电压信号(一般在0至9V之间)转换成相应的电流信号。这个电流信号做为输入量被送到比例电磁铁,从而产生和输入信号成比例的输出量力或位移。该力或位移又作为输入量加给比例阀,后者产生一个与前者成比例的流量或压力。这样不但能控制机械部件运动方向,而且能对其作用力和运动速度进行无级调节。位置传感器： 位于比例阀心的反馈传感器。它产生一个净输出电压,其大小和运动量成比例而相位移指示运动方向。控制放大器： 输入信号是可变的电流或电压, 根据输入信号的极性,比例阀两端的电磁铁将有一个通电, 使阀心向某一侧移动。放大器为两个

31、运动方向设置了单独的增益调整,可用于微调阀的特型或者设定最大流量。还设有斜坡发生器,进行适当的接线可启动或者禁止该发生器,并且设置了斜坡时间调整。还针对每个输出级设置了死去补偿时间。使用位置传感器的比例阀意味着阀心位置是可以控制的,即阀心在阀体中的位置仅取决于输入信号,位置传感器提供了反馈信号,此反馈信号和输入信号相加得到的误差信号通过PID调节器驱动放大器的输出级。变桨控制：通过比例阀实现。控制器根据功率或转速信号给出一个(-1010V)的控制电压,通过比例阀控制器转换成一定范围内的电流信号,控制比例阀输出流量的方向和大小。流压缸按比例阀输出的方向和流量操纵桨叶节距在-5至88之间运动。变桨

32、距控制原理： 风力发电机组的变桨距系统包含两种控制方式,即并网前的速度控制与并网后的功率控制。由于异步电机的功率与速度严格对应,功率控制最终也是通过速度控制来实现的。 变桨距风轮的叶片静止时,桨距角为90,这时气流对叶片不产生力矩,整个叶片实际上是一块阻尼板。当风速达到启动风速时,叶片向0转动,直到气流对叶片产生一定的攻角,风轮开始起动。风轮从起动到额定转速,其叶片的桨距角随转速的升高是一个连续变化的过程。根据给定的速度参考值,调整桨距角,进行所谓的速度控制。变桨距控制系统实际上是一个随动系统。变桨距控制是一个非线性比例控制控制器,它可以补偿比例阀的死区和极限。变桨距系统的执行机构是液压系统,

33、变桨距控制器的输出信号经过D/A转换后,变成电压信号控制比例阀,驱动流压缸,推动变桨距机构,使叶片桨距角变动12。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量,经转换后输入比较器：图2-3 变桨距控制系统3 FC-2A风速传感器的介绍3.1 FC-2A风速传感器本次在选择硬件方面我选择（北京飞超风速控制仪器有限责任公司生产的“FC-2A风速传感器”）。首先它测速范围比较大，而且功耗低等优点。3.1.1 主要技术参数如表3-1 FC-2A风速传感器主要参数型号TC-2A1TC-2A2TC-2A3TC-2A5型号输出电流信号普通脉冲电压信号RS485/232信号型号输出420mA1.5/M*S05V、15VRS485/232输入电压 DC24V/DC12V/DC5V响应时间 1km测量范围 05M/S、030M/S、070M/S可选测量精度0.5%启动风速 3.9A（动态）电压跌落，电压自动恢复闪烁3