基于PLC的风力发电控制系统设计.doc

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学号：

常州大学

毕业设计（论文）

题目基于PLC的风力发电控制系统设计

学生

学院专业班级

校内指导教师专业技术职务

校外指导老师专业技术职务

二○一二年六月

基于PLC的风力发电控制系统设计

摘要：

近年来随着经济的不断发展和人们生活水平的不断改善，在世界范围内石油、煤炭这些不可再生资源的使用量已经大大超过环境所能承受的范围，燃烧发电厂产生的污染物也对地球环境产生了负影响。

然而风能是一种清洁、可再生的能源，在发电这一领域具有巨大的开发潜力和商业活力。

随着科技的不断进步，计算机和可编程控制的科研水平在提升，这对于风电控制的研究又提供了新的途径。

针对风能具有随机性、不确定性的特点，本文用西门子可编程控制器S7-200来对风力发电进行控制。

主要内容包括电气原理图和设计流程图的绘制，PLC、电气元件的选型，发电机组启动控制、偏航控制、温度控制和变压器控制等。

在论文中给出详细的控制原理解释和各模块的功能介绍，并配有每一模块的控制程序。

最后进行相关调试和仿真，利用STEP7-Micro/WIN32编程软件对PLC程序进行调试、仿真运行和在线诊断等，使仿真结果满足设计要求。

关键词：

风力发电；可编程控制器；偏航；温度控制

TheControlSystemofWindPowerBasedonPLC

Abstract：

Inrecentyears,withthecontinuousdevelopmentoftheeconomyandpeople’slivingstandardscontinuetoimprove,inthescopeofworldpetroleum,oilandcoalthesenon-renewableresourceconsumptionwassignificantlymorethantheenvironmentcanstand.Combustionpowergenerationofpollutantsgeneratedalsoproducednegativeeffecttotheenvironmentoftheearth.However,thewindenergyisaclean,renewableenergypowergeneration,ithastremendousdevelopmentpotentialandbusinessactivityinthisarea.Withtheprogressofscienceandtechnology,computerandprogrammablecontrolofthelevelofscientificresearchinascension,forwindpowercontrolresearchprovidesanewway.Inthispaper,aimingatthesecharacteristicsofuncertaintyandrandomnesswindenergy,wecanuseSiemensprogrammablecontrollerS7-200towindpowercontrol.Themaincontentsincludedrawingthecorrespondingelectricalschematicdiagramandtheflowchart,selectingthePLCandelectricalcomponents,turbinestart-upcontrol,yawcontrol,temperaturecontrol,transformercontrolandsoon.Inthispaper,itgivesdetailedexplanationofthecontrolprincipleandthefunctionofeachmoduleandcontrolprogram.Finally,itneedstestingandsimulation,usingofSTEP7-Micro/WIN32programmingsoftwareforthePLCprogramdebugging,simulationandonlinediagnosisandsoon,sothatthesimulationresultsmeetthedesignrequirements.

Keywords：

windpowergeneration;programmablecontroller;yaw;temperaturecontrol

目录

摘要 I

目录 III

1引言 1

1.1选题背景与意义 1

1.2国内外发展现状 2

1.2.1国内发展状况 2

1.2.2国外发展状况 3

1.3主要内容及章节安排 4

2风电机组组成与风能理论 6

2.1风电机组组成部分介绍 6

2.1.1风轮及其组件 6

2.1.2机舱及其组件 7

2.1.3塔架部件 8

2.1.4控制系统 8

2.2风能理论简介 9

2.2.1风速和风能 9

2.3本章小结 9

3设计方案和电气元件选型 10

3.1设计方案 10

3.1.1系统整体设计 10

3.1.2具体模块设计 11

3.2I/O地址分配与电气元件选型 19

3.2.1I/0地址分配 19

3.2.2PLC的选型 19

3.2.3其他器件的选型 20

3.3本章小结 21

4可编程控制器及控制程序 22

4.1可编程控制器简介 22

4.1.1PLC的基本结构 22

4.1.2PLC的工作原理 23

4.1.3PLC的特点 23

4.1.4PLC的应用 24

4.2系统控制程序 24

4.2.1发电机启动程序 24

4.2.2偏航控制程序 26

4.2.3温度控制程序 29

4.2.4变压器控制程序 35

4.3本章小结 36

5系统调试与仿真 37

5.1程序调试 37

5.2系统仿真 37

5.3本章小结 42

6结论 43

参考文献 44

致谢 45

附录A 46

IV

常州大学本科生毕业设计（论文）

1引言

1.1选题背景与意义

自然界的风，是由于大气运动而产生的自然形式。

大气运动则是因为大气受到太阳的辐射，能量来源于大气吸收的部分太阳能，太阳到达地球辐射的20%会转变成风能。

人类对于风能利用的历史久远，可以追溯到公元10世纪，波斯就出现了种水平转动的风磨，即为以风车为动力的磨坊。

公元12世纪时，欧洲开始使用风车来抽水，碾磨谷物，海航中利用风帆来推进船只前进等。

此后，风车和风帆一直是人们主要的动力机械。

到19世纪中叶蒸汽机出现之后，以风能为主能源的应用才逐渐减少。

中国开始利用风车作为动力大约在13世纪中叶。

现在人们所说的风能利用主要是指风力发电。

最早的风车是由一位名叫阿布罗拉的古波斯奴隶发明的[1]，它就是一种简单的风力发电机。

在此后的时代中，这种风能的技术从中东传入欧洲，荷兰人利用风车进行排水，与海争地，在低洼的海滩上建设强大的国家。

19世纪丹麦人首先研制出了风力发电机，在1891年丹麦建成世界上第一座风力发电站。

此后在20世纪，风力发电蓬勃发展。

21世纪开始，风能成为世界能源供应的支柱之一。

风能是种取之不尽、用之不竭的可再生能源之一。

它的特点是生产运用过程安全清洁，成本花费较低，来源不受限制。

风能也是种最具商业潜力，最具发展活力的绿色能源，运用于发电这一领域有很大的运用空间。

风力发电具有装机容量增长快，成本下降快，安全环保等优势。

风力发电在为社会发展和经济增长提供稳定可靠的电力供应的同时，可以有效地缓解空气污染、水体污染和温室效应问题。

在各类新能源开发利用中，风力发电技术相对于其他能源开发是比较成熟的，并且具有大规模场地开发和商业经济开发的条件。

风力发电可以完全避免像石油、煤炭等化石燃料发电所产生的大量污染物和二氧化碳排放。

大规模推广风力发电不仅在节能减排工作上做出了积极的贡献，而且这种能源开发方式的理念在社会和人群中得到广泛的支持。

在全球能源危机和环境日益脆弱的严重背景下，风能资源的开发越来越受到普通民众关注。

近代风力发电机发展可以分为三个阶段[2]：

第一阶段，在20世纪70至80年代。

人们证明了风能可以用来发电，风的许多特点是可以被人们加以利用和控制的。

丹麦和美国的研究水平提升最快，风力发电机容量也从几十瓦发展到百千瓦。

第二阶段，20世纪末。

风电技术逐步成熟，风电产业成规模发展，并建立了稳定的商业模式。

技术较为成熟的专业制造企业大量出现，单机容量从百千瓦提高到几百千瓦，变浆机组技术成熟并进入市场，与失速机组在竞争中发展。

第三阶段，21世纪初。

兆千级的风力发电机成为主要趋势，海上风电开始大规模发展。

随着单机容量提高，为应对极限载荷和疲劳载荷的挑战，新的直驱变速变浆和双馈变速变浆逐步成为兆千级风力发电机的主流技术。

在风电领域中引入新技术，例如计算机技术和先进的控制技术，这一举措使得风电机组的控制方式从单一的定浆距失速式转变为智能化的，偏航变桨距变速式的。

主要的控制方式有人工手动调控，计算机模拟，上下通信，预测调控，微控制器自动检测调控等。

在智能化的风电领域中，通过调节发电机电磁力矩和风电机轮片桨距角使叶尖速比保持在最佳值，实现风力的最大能量获取。

利用风速风向、风力测量仪检测实际模拟量和数字量或是电功率，传递给主控制器进行运算处理，控制器做出相应的控制措施，调整轮片转速，偏航角度等。

但在随机性差异大，不确定因素多，非线性严重的风电系统中，这种简单的控制方法也会产生很大的误差。

所以在国际国内范围内，研究人员都致力于最合适的控制方式，例如模糊逻辑控制，神经网络智能控制，鲁棒控制等。

使风电控制相自动化智能化一体化方向发展。

基于现在风电机组发展的几个主要趋势，本文主要研究风电机的控制策略和控制方法，由于外界因素影响大，导致风不稳定，而且风电机组的容量逐步增大不适宜适应多变的外界环境，风电系统和电网之间联系也越来越复杂，所以对控制方法要求很高。

基于PLC为主控制器的系统，逻辑功能强大，体积小，结构简单，编程方便，便于扩展，通用性强，使用安全便捷，能够直接反应现场信号的变化状态，达到有效高速地控制整个系统的目的。

本文运用可编程控制器西门子S7-200作为主控制器，通过启动发电机，偏航控制，变压器控制和温度控制等几个模块设计，对不稳定的风做出相应的控制，使得风能得到最大程度的利用。

1.2国内外发展现状

1.2.1国内发展状况

我国的风能资源分布：

我国风能资源的地区区域差异大