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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III
变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统研究与实现
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
ABSTRACT
Tostartthecomputer,usingadvancedPLCS7-300typenuclearcontrollerhardwaredesignfortheheart,usingtheconfigurationsoftwareMCGScontrollerdesign,byimprovingthesoftwareandhardwaretodesignavariablespeedconstantfrequencywindpowerunitpitchcontrolsystem.Inthewindpowersystem,variablepitchcontroltechnologyrelatedtowindturbinessafeandreliableoperation,affectedthelifeofwindturbinebycontrollingthepitchanglesothattheoutputpowerstable,reducingthetorqueoscillation,reducecabinvibration,notonlyoptimizetheoutputpower,andeffectivelyreducethenoise,stableoutputpowergeneratorstoimprovethebladeandthestressstateofthewholemachine.Pitchthanthefixedpitchwindturbinewindturbinestocapturewindenergywithbetterfeatures,mostmodernlarge-scalewindturbineswithpitchcontrol.Inthispaper,awell-knownforeigncompanieswindpowerhydraulicvariablepitchwindturbine,usingprogrammablelogiccontroller（PLC）asawindturbinepitchcontroller.Thispitchcontrolmodecontrollerwithaflexible,programmingissimple,andstronganti-interferencecharacteristics.
Keywords:
VSCF，Pitchcontrol，PLC，Windpower
目录
1绪论 1
1.1文献综述 1
1.2风力发电机的历史与现状 3
1.3选题背景及其意义 5
2变桨控制系统工作原理 7
2.1变桨控制 7
2.2角距控制系统 9
2.3变浆控制功能模块设计 9
3FC-2A风速传感器的介绍 12
3.1FC-2A风速传感器 12
3.2FC-2A风速传感器结构 13
3.3现场安装调试及使用 13
4PLC控制系统的介绍 15
4.1PLC的概述 15
4.2西门子S7-300的选择原因及主要模块介绍 18
4.3模拟值的表示 21
4.4PLCS7-300的模块选择及其介绍 22
5系统设计 24
5.1I/O对照表 24
5.2系统流程图 24
5.3硬件接线图 24
5.4序实现说明 24
5.5PLC程序 25
6.结论 26
参考文献 27
致谢 28
变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统研究与实现 40
1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PROFIBUS—DP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。
SIMATICS7-300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。
SIMATICS7-300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：
0.1~0.6us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。
SIMATICS7-300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（HMl）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4~20mA或一个0~10V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·0~10V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
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