基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组制动控制系统的研究与实现.docx
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基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组制动控制系统的研究与实现
摘要
变速恒频双馈风力发电技术是一种新型风力发电技术,是今后风力发电的必然趋势,在风力发电中制动控制是风力发电机组安全运行的重要环节，在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，我们就需要根据机组发生的故障种类进行判断，并发出控制指令进行不同的制动控制进行停机，达到保护机组安全运行的目的。
本文以S7-300型PLC为核心控制器，通过传感器的选型、PLC硬件的选型、I/O口的确定、制动控制的编程，对整个系统设计。
由于某些原因需要停机时发出信号给PLC，PLC发出指令给变频器和发电机进行脱网停机。
关键字：
制动，PLC，传感器，编程
ABSTRACT
VSCFdoublyfedwindpowergenerationtechnologyisanewwindpowertechnology,windpoweristheinevitabletrendofthefuture,Inwindpowergenerationwindturbinebrakecontrolisanimportantpartofsafeoperation,thewindturbinefailureorduetootherreasonsshutdown,weneedtosetthefaultoccurredZhongleiunderjudgetheinstructionsaresenttomakedifferentparkingbrakecontroltoachievethepurposeofprotectionofthesafeoperationofunit.
Inthispaper,S7-300typePLCasthecorecontroller,throughtheselectionofsensors,PLChardwareselection,I/Otodeterminepopulation,brakecontrolprogramming,theentiresystem.ForsomereasonneedtoshutdownsignaltothePLC,PLCtoissueinstructionstotheinverterandthegeneratoroffnetworkdowntime.
Keywords:
brake,PLC,sensor,program
目录
1课题背景1
1.1我国风力资源的状况1
1.2我国风电产业的发展与展望2
1.3变速恒频双馈风力发电的含义5
1.4制动控制系统的意义5
2制动控制系统的结构6
2.1变速恒频双馈风力发电系统结构6
2.2制动控制系统结构与原理7
3制动控制传感器的选型8
3.1传感器的介绍8
3.2传感器的型号选择与优点9
4制动控制系统的PLC硬件设计11
4.1PLC的概述11
4.2西门子S7-300选用依据14
4.3模块的选型与硬件图15
5制动控制系统的PLC软件设计18
5.1控制系统中对PLC程序的具体要求18
5.2I/O对照表18
5.3制动控制流程图19
5.4程序的具体实现23
6总结28
参考文献29
致谢30
1课题背景
1.1我国风力资源的状况
风能的大小用风功率密度[1]（w/m2）来度量，它与空气密度和风速的立方成正比。
我国的风能资源，据中国气象科学研究院对全国900多个气象站年平均风能功率密度的估算，10m高度层的总资源量为3226GW。
假设其中1/10在技术上可供开发，并考虑风轮扫掠面积系数0.785，得出技术可开发资源量为253GW，主要分布在西北、东北和华北的草原和戈壁，以及东部和东南沿海及岛屿。
我国东部沿海水深2～15m的近海海域，风能资源丰富，专家初步估计约为陆上风能资源的3倍，即750GW。
三北（东北、华北、西北）地区丰富带，风能功率密度在200～300w/m2以上，有的可达500w/m2以上，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等、可利用的小时数在5000小时以上，有的可达7000小时以上。
这一风能丰富带的形成，主要是由于三北地区处于中高纬度的地理位置有关[2]。
沿海及其岛屿地丰富带。
年有效风能功率密度在200w/m2以上，将风能功率密度线平行于海岸线，沿海岛屿风能功率密度在500w/m2以上如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等。
可利用小时数约在7000-8000小时，这一地区特别是东南沿海，由海岸向内陆是丘陵连绵，所以风能丰富地区仅在海岸50km之内，再向内陆不但不是风能丰富区，反而成为全国最小风能区，风能功率密度仅50w/m2左右，基本上是风能不能利用的地区。
沿海风能丰富带，其形成的天气气候背景与三北地区基本相同，所不同的是海洋与大陆两种截然不同的物质所组成，二者的辐射与热力学过程都存在着明显的差异。
大气与海洋间的能量交换大不相同。
海洋温度变化慢，具有明显的热隋性，大陆温度变化快，具有明显的热敏感性，冬季海洋较大陆温暖，夏季较大陆凉爽，这种海陆温差的影响，在冬季每当冷空气到达海上时风速增大，再加上海洋表面平滑，摩擦力小，一般风速比大陆增大2-4m/s。
东南沿海又受台湾海峡的影响，每当冷空气南下到达时，由于狭管效应的结果使风速增大，这里是我国风能资源最佳的地区。
在沿海每年夏秋季节都可受到热带气旋的影响，当热带气旋风速达到8级（17.2m/s）以上时，称为台风。
台风是一种直径1000km左右的圆形气旋，中心气压极低，台风中心0-30km范围内是台风眼，台风眼中天气较好，风速很小。
在台风眼外壁天气最为恶劣，最大破坏风速就出现在这个范围内，所以一般只要不是在台风正面直接登陆的地区，风速一般小于10级（26m/s），它的影响平均有800~1000km的直经范围，每当台风登陆后我国沿海可以产生一次大风过程，而风速基本上在风力机切出风速范围之内。
是一次满发电的好机会[3]。
登陆台风每年在我国有11个，而广东每年登陆台风最多为3.5次，海南次之2.1次，台湾1.9次，福建1.6次，广西、浙江、上海、江苏、山东、天津、辽宁合计仅1.7次，由此可见，台风影响的地区由南向北递减、对风能资源来说也是南大北小。
由于台风登陆后中心气压升高极快，再加上东南沿海东北~西南走向的山脉重叠，所以形成的大风仅在距海岸几十公里内。
风能功率密度由300w/m2锐减到100w/m2以下。
综观上述，冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿。
相对内陆来说这里形成了我国风能丰富带。
由于台湾海峡的狭管效应的影响，东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区。
我国有海岸线18000多公里，岛屿6000多个，这里是风能大有开发利用的前景的地区[4]。
内陆风能丰富地区，在两个风能丰富带之外，风能功率密度一般在100w/m2以下，可以利用小时数3000小时以下。
但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能也较丰富，如鄱阳湖附近较周围地区风能就大，湖南衡山、安徽的黄山、云南太华山等也较平地风能为大。
但是这些只限于很小范围之内，不像两大带那样大的面积，特别是三北地区面积更大。
青藏高原海拔4000m以上，这里的风速比较大，但空气密度小，如在4000m的空气密度大致为地面的67%，也就是说，同样是8m/s的风速，在平原上风能功率密度为313.6w/m2，而在4000m只为209.9w/m2，而这里年平风速在3~5m/s，所以风能仍属一般地区。
1.2我国风电产业的发展与展望
1．2．1我国风电产业发展现状
（1）发展速度“风驰电掣”，装机容量连续翻番
作为新能源产业中最成熟的发电细分产业，风电行业正在以惊人的速度增长。
全球风能理事会（GWEC）日前公布的年度数据显示，2008年，全球风电的增长速度远远高于过去十年内的平均增长，达到28.8%。
其中，新增的风电装机量达2700万千瓦，同比增长36%。
而中国更是连续三年实现新增装机容量翻番，并首次突破了千万千瓦大关。
2008年，中国风电机组今年新增装机容量达到719.22万千瓦，累计装机达到1324.22万千瓦，新增装机容量增长率达到118.9%[5]。
图1-11995－2008年中国风电装机容量及其增长情况
（2）完整的风电产业链基本形成，但发展不平衡
风力发电产业链总体上分为风电设备制造和风电运营两个环节，其中风电设备制造又可细分为风机零部件制造和风机整机制造，风电运营从风电场投资开始，按照运营模式的不同分为并网和离网两种，并网风力发电以运营商为主体构建整个体系，离网风力发电以销售商为主体构建整个体系，风力发电产业链如下图所示。
总体上风机零部件及整机制造处于初创期向成长期的过渡阶段，风电运营处于成长期。
图1-2风力发电产业链结构图
在风电设备产业中，风电整机制造业环节逐步形成了日益多元化的企业主体。
我国形成了大型国有工业企业、股份制企业和民营企业、外资企业（含中外合资企业）三分天下的的风电设备制造业多元化主体。
在国内新增市场中，内资企业生产的风电机组产品所占的市场份额也不断上升，从2005年的29%，到2006年的41%，2007年首次超过了50%。
风机零部件制造环节，发电机、叶片、齿轮箱的产业化发展进程较好，这也是国产化率最高的几种主要部件。
但是，随着国内整机企业数量的增加，研发进度的加快，上述部件的产能将会成为整机企业发展的瓶颈。
鉴于零部件供应不能满足整机制造的需要，在目前的生产能力基础上，各零部件制造企业都在积极扩大产能。
（3）围绕风电设备制造和风电场建设，形成多个风电产业集群
风电设备制造方面，除了原来的金风科技、浙江运达加大投入、迅速扩张之外，上海电气、东方汽轮机、华锐风电（原大连重工集团）、中国船舶以及通用电气、维斯塔斯、歌美飒、苏司兰、西门子等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入中国风电制造业市场，还有一批中小型制造企业正在成长，依托良好的研发基础，表现出较强的发展实力，如南车、湘电集团等。
以这些设备制造商为中心，形成了新疆、河北、浙江、上海、湖南等产业集群。
风电场方面，风能分布比较丰富的省、市、自治区主要有内蒙古、新疆、河北、吉林、辽宁、黑龙江、山东、江苏、福建和广东等。
2008年起，国家将陆续在内蒙古、甘肃、新疆、河北和江苏等风能资源丰富地区，开展了６个千万千瓦级风电基地的规划和建设工作，其中甘肃酒泉作为我国第一个千万千瓦级风电基地已经开工建设[6]。
1．2．2我国风电产业发展展望
（1）近期看，产业仍会保持快速增长
中国风电2008年已经突破1000万千瓦，国家制定的2020年风电装机3000万千瓦的目标，有可能在2011年实现。
业内人士普遍认为，2020年中国风电装机的最保守估计是8000万千瓦，一般估计是1亿千瓦，乐观的估计为1.2亿千瓦。
中国风电装备制造业的情况可能更加乐观。
根据可再生能源专业委员会的判断，2012年中国风电装备制造能力将达到1000万～1500万千瓦，除了满足中国风电市场的需求之外，还有可能成为世界主要的风电装备制造基地，开始向美国、欧洲等地区出口，成为新的国内产业出口力量[7]。
（2）中长期看，新能源产业振兴规划、智能电网计划等因素将保证产业持续发展
2008年开始的全球金融危机将促使国家加大风电产业的发展，继汽车、信息产业等十大产业振兴规划先后出台后，新能源产业振兴规划即将破茧而出。
据悉，规划将对新能源发展指标作重大调整，在新能源产业的各子行业中，风电产业成为未来的发展重点。
对风电产业而言，新能源产业振兴规划推出的最大受益者，将是风电产业链的上下游两端，包括风电设备制造商和风电场运营商。
在政策扶持下，未来风电的市场空间将不断扩大，为风电设备制造商提供了更广阔的盈利和发展空间。
而随着更多的风电厂商参与到市场中，风电整机市场将出现群雄逐鹿的局面，少数优势企业将脱颖成为业内龙头。
另一方面，国家电网公司5月份向社会公布了“智能电网”发展计划，根据该计划，智能电网发展在我国将分为三个阶段逐步推进，到2020年，可全面建成统一的“坚强智能电网”。
由于智能电网便于风电等新能源并网发电，风力发电受制于电网调度的瓶颈有望打破，所以该计划堪称风能等新能源发展的一大“利好”。
一旦智能电网建成，国家将通过政策鼓励家庭和企业安装小型高效的可再生能源发电设备，并支持消费者购买或出售绿色电力。
也就是说，智能电网可供风能等及时接入电网，介入过程还可以自行控制。
1.3变速恒频双馈风力发电的含义
并网型恒速恒频风力发电系统是上世纪80年代和90年代初的经典风力发电系统，具有结构与控制简单、性能可靠的优点。
在这种风力发电系统中，风力机采用定桨距失速控制或主动失速控制，大容量的机组主要是采用主动失速控制。
发电机主要采用三相异步发电机，也可采用同步发电机。
其主要缺点是对风能的利用率不高，而且当风速突变时，会在主轴、发电机和齿轮箱等部件上产生很大的机械应力。
变速恒频双馈风力发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行，通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位，从而实现转速的调节，可在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，进而实现追求风能最大转换效率；同时又可以采用一定的控制策略灵活调节系统的有功、无功功率，抑制谐波，减少损耗，提高系统效率，变速恒频双馈风力发电技术将是今后风力发电的必然趋势[8]。
1.4制动控制系统的意义
变速恒频双馈风力发电机组制动控制系统是风力发电机组电控系统的重要组成部分，制动控制系统是风力发电机组安全运行的重要环节，在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，控制器根据机组发生的故障种类进行判断，并发出控制指令进行不同的制动控制进行停机，达到保护机组安全运行的目的。
2制动控制系统的结构
2.1变速恒频双馈风力发电系统结构
系统由风力机、齿轮箱、双馈异步发电机、双PWM变换器组成。
交流励磁双馈发电机定子绕组直接接入工频电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频交流励磁变频器供给三相低频励磁电流，不论风速如何改变，当电机的转速变化时，利用变频器相应地调节输入转子的励磁电流频率以改变转子磁势的旋转速度，使转子磁势相对于定子的转速始终是同步速，定子感应电势频率即可保持恒定。
风力机吸收的风能，通过发电机的定子和转子侧输送到电网，当发电机处于超同步速（s<0）和亚同步速（s>0）的时候，转子侧能量流向的方向相反[9]。
图2-1变速恒频双馈风力发电系统结构图
一般来说，大型双馈变速恒频风力发电机组由底座、塔筒、机舱、轮毂以及叶片组成，机舱内主要包括齿轮箱、发电机、偏航驱动单元、液压系统，冷却系统、并网控制单元、变桨控制系统、电控系统，风力发电变换器系统、蓄电池等，是风力发电机组最重要的部分；轮毂内则主要为变桨驱动单元。
图2-2双馈型风力发电机组机舱内部结构示意图
在运行时，气流对叶片产生力矩使得轮毂旋转，通过变速齿轮箱增速之后带动发电机旋转发电。
同时，风机主控制系统实时监控风速变化以及发电机状态，控制发电机励磁并网发电[10]。
2.2制动控制系统结构与原理
在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，我们根据故障的原因进行判断，PLC发出不同的控制指令进行不同方式的停机，达到保护机组安全运行的目的。
整个结构可分为：
故障原因分析、变浆系统变浆、PLC控制停机、传感器检测转速、变换器进行发电机变频器的脱网。
发电机和变频器脱网
故障原因分析
变浆系统变浆
PLC控制停机
传感器检测转速
图2-3制动控制系统结构
制动控制功能包括暂停，一般停机和紧急停机三种方式。
我们将对每种停机方式进行设计。
我们先对故障原因进行分析，选用何种制动方式，然后进行变浆系统的变浆，PLC发出指令进行停机，当电机转速小于规定值时进行发电机和变频器的脱网。
3制动控制传感器的选型
3.1传感器的介绍
3．1．1传感器的定义
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节[11]。
3．1．2传感器的作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。
而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况，就需要传感器。
因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展，进入了许多新领域：
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。
此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。
显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平[12]。
传感器按照不同的要求分类极广，其中霍尔传感器就是一种。
3.2传感器的型号选择与优点
3.2.1霍尔传感器工作原理
霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。
霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。
3.2.2霍尔传感器的优势
霍尔转速传感器的应用优势主要有三个，一是霍尔转速传感器的输出信号不会受到转速值的影响，二是霍尔转速传感器的频率相应高，三是霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强，因此霍尔转速传感器多应用在控制系统的转速检测中。
同时，霍尔转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，如抗错误的干扰信号等，因此不易因环境的因素而产生误差。
霍尔转速传感器的测量频率范围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。
另外，霍尔转速传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、电气环境影响。
霍尔转速传感器的，测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放油、防潮，并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔转速传感器的工作温度可以达到100℃。
霍尔转速传感器的安装简单，使用方便，能实现远距离传输。
3.2.3HAL-506霍尔传感器
HAL-506霍尔转速传感器是一种小型封闭式传感器，具有性能稳定、功耗小、抗干扰能力强、使用温度范围宽等优点。
其原理是当磁力线穿过传感器上感应元件时产生霍尔电势经过霍尔芯片的放大整形后，成电信号供二次仪表使用。
使用时，只要在旋转物体上粘一块小磁钢，传感器固定在离磁钢一定距离内，对准磁钢S极即可进行测量。
表3-1技术特点
测量范围
0.5Hz~45KHz
输出方式
低电平有效，驱动能力不小于15mA
输出信号
波形：
矩形波
幅值
高电平接近供电电源，低电平≤0.5V
供电电源
（4.5~24）VDC，（12~18）V最值
每转脉冲数
与贴的磁片数量一致
检测距离
≤4mm
表3-2正常工作条件
温度
-20℃~+80℃
相对湿度
不大于85%
大气压力
86KPa~106KPa
周围无爆炸性、腐蚀性气体
表3-3外形及开孔尺寸
总长
L+21.9（不包括输出导线）
外螺纹
M12×1
螺纹有效长度
L，L=50，75，100mm
输出导线
2m
图3-1HAL-56霍尔传感器
3.2.4电机转速转换为十进制数的计算方法
设K为电机转速与电流的比值，X为电流，Y为电机转速。
转速传感器测量范围为30-
rpm，输出为4-20MA的电流信号，则有
K=
=
（3-1）
每改变一个电机转速都有对应的一个电流信号
X=
（3-2）
因为20MA在PLC模拟输入对应的十进制数为27648，所以每一个电流信号都有一个十进制数与之对应。
4制动控制系统的PLC硬件设计
4.1PLC的概述
4.1.1PLC的基本概念
可编程控制器是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，融自动化技术，计算机技术，通信技术为一体的新型工业控制装置。
目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一个重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为是现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一[13]。
国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿，该草案中对可编程控制器定义如下：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备都应按易于与工业系统联成一个整体易于扩充其功能的原则来设计。
4.1.2PLC的产生与发展
在制造业和过程工业中，除了以模拟量为被控对象的反馈控制外，还存在着大量的以开关量（数字量）为主的逻辑控制，这一点在以改变几何形状和机械性能为特性的制造业中显得尤为突出。
它要求控制系统按照逻辑条件和一定的顺序、时序产生控制动作，并能够对来自现场的大量开关量、脉冲、计时、计数以及模拟量的越限报警等信号进行监视和处理。
在早期这些电路由继电气电路来实现的，继电气电路的缺点是体积庞大，故障频率高、功耗大、不易维护、不易改造和升级等。
1986年，美国通用汽车公司（GM）鉴于传统的继电器控制系统的一系列缺点，提出了研发新型控制器的设想，总结出新型控制器应具备的10项指标，并公开在社会招标，10项指标是：
1）编程方便，可在现场修改程序。
2）维护方便，最好是插件式。
3）可靠性高于继电器控制柜。
4）体积小于继电器控制柜。
5）可将数据直接送入管理计算机。
6）在成本上可与继电气控制柜竞争。
7）输入为交流115V。
8）输出为交流
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