1、. . . . 摘 要風力發(fā)電作為綠色能源在全世界迅速發(fā)展，這是解決世界能源危機的重要途徑，在這個背景下本文對直驅(qū)式永磁風力發(fā)電控制系統(tǒng)進行了應用設(shè)計。本文以風力發(fā)電的工作原理等基礎(chǔ)理論為基本理論，得到一種控制風能的利用效率的變槳控制的基本控制策略；通過比較當前流行的幾個風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)和不同控制方案之間的不同特點；分析了直驅(qū)式永磁風力發(fā)電的性能和特點，最終得出本機組需要采用以“同步高速、無刷勵磁旋轉(zhuǎn)、全功率的逆變”為核心的技術(shù)路線。本論文最后完成了風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計，以控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能為基礎(chǔ)，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，分析了系統(tǒng)輸出和輸入的信號，簡單闡述了組成控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的可編

2、程處理器和最主要的控制信號變送器，確定了傳感器的類型以與各硬件的配置；以這些為基礎(chǔ)討論了一些控制系統(tǒng)的控制策略，研究設(shè)計了主程序的流程圖，變槳距控制圖，并詳細的研究了變槳距的控制過程，得出了控制原理和結(jié)構(gòu)組成。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；控制系統(tǒng)；變槳控制AbstractThe rapid development of wind power as a green energy in the world , this is an important way to solve the world's energy crisis, in this context this paper, the di

3、rect-drive permanent magnet wind turbine control system application design .Structures and different control schemes by comparing several currently popular among wind turbine ; This paper -based wind power works for the basic theory and other theories to obtain a controlled wind energy utilization e

4、fficiency of the basic control strategy pitch control different characteristics ; analyze the performance and features direct-drive permanent magnet wind power , concluded the unit needs to adopt a " synchronous speed , brushless excitation rotation, full power inverter '' as the core t

5、echnology roadmap .Finally completed the design of the wind turbine control system to control system functions to be achieved , based on the control system according to the requirements , the system analyzes the signal output and input , briefly addressed the composition of the control system progra

6、mmable hardware systems the main control signal processor and transmitter to determine the type and configuration of each sensor hardware ; based on these control strategies discussed some of the control system , a flow chart of the main program of study design , variable pitch control charts and de

7、tailed study of the pitch of the control process , the control principle and structure derived components.Keywords : wind turbine ; control systems ; pitch control23 / 35目 錄 摘要I第1章風力發(fā)電簡介與背景展望分析11.1 研究背景與意義11.2風力發(fā)電簡介11.3 國外發(fā)展現(xiàn)狀以與展望分析31.4 本論文的主要研究意義與容6第2章風力發(fā)電機和變槳距控制過程研究72.1變槳距控制過程研究72.1.1空氣動力學原理72.1.2

8、風速特性分析102.2電機結(jié)構(gòu)類型與特點102.2.1雙饋式風力發(fā)電機102.2.2直驅(qū)式風力發(fā)電機11第3章PLC控制理論研究133.1 PLC的基本概念133.2 PLC的組成部分133.3 S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)143.4 PLC的循環(huán)處理過程143.5 S7-300的編程語163.6 PLC的供電與接地抗干擾問16第4章直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)控制研究184.1概述184.2變槳距系統(tǒng)控制194.3 風電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計214.3.1風力發(fā)電機電動變槳控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)214.3.2 變槳系統(tǒng)的控制策略234.3.3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計234.3.4變槳控制系統(tǒng)軟件設(shè)計254.3.5

9、偏航控制系統(tǒng)軟件設(shè)計264.3.6故障報警和聯(lián)鎖保護28第5章總結(jié)與展望29參考文獻30致31第1章 風力發(fā)電簡介與背景展望分析1.1 研究背景與意義近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)的進步,對高速、超高速的電力驅(qū)動需求日益增大，對各種驅(qū)動裝置提出了越來越苛刻的性能要求，如高速高精度機床、渦輪分子泵以與飛輪儲能等新型設(shè)備，要求其驅(qū)動裝置不但要有很高的旋轉(zhuǎn)速度，還要有很高的回轉(zhuǎn)精度，并且其體積也不能太大。因此要解決這些問題，我們有必要來專門研究驅(qū)動設(shè)備的支撐系統(tǒng)。表1.1 國家“十二五“規(guī)劃節(jié)能指標指標單位2010年2015年變化幅度/變化率燃煤工業(yè)鍋爐（運行）%657075510三相異步電動

10、機（設(shè)計）%90929424容積式空氣壓縮機輸入比功率千瓦/（立方米·分-1）10.78.59.3-1.4-2.2電力變壓器損耗千瓦空載：43負載：170空載：3033 負載：151153-10-13 -17-191.2風力發(fā)電簡介把風的動能轉(zhuǎn)變成機械動能，再把機械能轉(zhuǎn)化為電力動能，這就是風力發(fā)電。風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。如圖1.1所示圖1.1 風力發(fā)電示意圖依據(jù)目前的風車技術(shù)，大約是每秒三米的微風速度（微風的程度），便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電不需要使用燃料，也不

11、會產(chǎn)生輻射或空氣污染。風力發(fā)電所需要的裝置，稱作風力發(fā)電機組。這種風力發(fā)電機組，大體上可分風輪(包括尾舵)、發(fā)電機和鐵塔三部分。（大型風力發(fā)電站基本上沒有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才會擁有尾舵）風輪是把風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的重要部件，它由兩只(或更多只)螺旋槳形的葉輪組成。當風吹向漿葉時，槳葉上產(chǎn)生氣動力驅(qū)動風輪轉(zhuǎn)動。槳葉的材料要求強度高、重量輕，目前多用玻璃鋼或其它復合材料(如碳纖維)來制造。（現(xiàn)在還有一些垂直風輪，s型旋轉(zhuǎn)葉片等，其作用也與常規(guī)螺旋槳型葉片一樣）由于風輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風力的大小和方向經(jīng)常變化著，這又使轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；所以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)

12、電機額定轉(zhuǎn)速的齒輪變速箱，再加一個調(diào)速機構(gòu)使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后再聯(lián)接到發(fā)電機上。為保持風輪始終對準風向以獲得最大的功率，還需在風輪的后面裝一個類似風向標的尾舵。鐵塔是支承風輪、尾舵和發(fā)電機的構(gòu)架。它一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風力，又要有足夠的強度。鐵塔高度視地面障礙物對風速影響的情況，以與風輪的直徑大小而定，一般在6-20米圍。發(fā)電機的作用，是把由風輪得到的恒定轉(zhuǎn)速，通過升速傳遞給發(fā)電機構(gòu)均勻運轉(zhuǎn)，因而把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋２皇嵌啻蟮娘L都可以發(fā)電，一般說來，三級風就有利用的價值。但從經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，風速大于每秒4米才適宜于發(fā)電。據(jù)測定，一臺55千瓦的風力發(fā)電機組，當風速為每

13、秒9.5米時，機組的輸出功率為55千瓦；當風速每秒8米時，功率為38千瓦；風速每秒6米時，只有16千瓦；而風速每秒5米時，僅為9.5千瓦。可見風力愈大，經(jīng)濟效益也愈大。1.3 國外發(fā)展現(xiàn)狀以與展望分析我國風電制造業(yè)發(fā)展迅猛，除了原來的金風科技、運達加大投入，迅速擴之外，湘電風能，電氣、汽輪機、華銳風電（原重工集團）、中國船舶以與通用電氣、維斯塔斯、歌美颯、司蘭、西門子等一批國外大型制造業(yè)和投資商紛紛進入中國風電制造業(yè)市場，還有一批中小型制造企業(yè)正在成長，依托良好的研發(fā)基礎(chǔ)，表現(xiàn)出較強的發(fā)展實力。2008年，我國新增風電裝機容量達到630萬千瓦，過去10年的年均增長速度達到50%以上；我國在風電

14、裝機容量的世界排名中，2008年躍居第4位，并有望建立起世界最大的風電市場。我國風電裝機容量增長情況如圖1.2所示 。單位（萬千瓦） 圖1.2 我國風電裝機容量增長情況（單位：萬千瓦）我國的風能資源分布廣泛。包括、和等省（市）沿海近10千米寬的地帶，年風功率密度在200瓦/平方米以上；包括東北三省、和等省（區(qū)）近200千米寬的地帶，風功率密度在200300瓦/平方米以上。2008年，全國風電容量超過20萬千瓦的省份超過了12個，其中，一枝獨秀，累計風機安裝容量超過了200萬千瓦，緊隨其后的是、和，也都超過了50萬千瓦。2008年分省新增和累計風電裝機容量數(shù)據(jù)見表1.2。按照“融入大電網(wǎng)，建設(shè)大

15、基地”的要求，從2008年起，國家將力爭用10多年時間在、等地形成幾個上千萬千瓦級的風電基地。 表1.2 2008年分省新增和累計風電裝機容量數(shù)據(jù)序 號省、市自治區(qū)等20082008新增（千瓦）累計（千瓦）12172250373544027344501249760361925011107004457200106946054280508363006354500648250729865063695082775005768109222100572300103800039320011795003668901246000283750131472801946301412250012750015787507

16、87501615000645001749500582001847250502501942000420002015000394002101360022170017002301650240800總計全國624643012152790參照過去10年全球風能28.3%的平均發(fā)展速度，若之后我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展順利，至2015年前每年新增裝機超過400萬千瓦，年均增長25%，則2015年風電裝機預計達到3000萬千瓦，2020年的目標可以提前5年實現(xiàn)。從2020年開始，風電和常規(guī)電力相比，成本優(yōu)勢比較明顯。屆時我國風電每年新增裝機將達到目前歐洲的水平，即達到800萬千瓦。2030年以后風電將以其良好的社會和

17、環(huán)境效益、日漸成熟的技術(shù)、逐步降低的發(fā)電成本成為我國電力建設(shè)的重要部分，屆時風電將成為火電、水電之后的第三大發(fā)電源。目前，歐洲、北美和亞洲仍然是世界風電發(fā)展的三大主要市場，三大區(qū)域新：887.7、888.1和858.9萬千瓦，占世界風電裝機總?cè)萘康?0%以上。美國和中國再一次成為世界風電發(fā)展的亮點，美國超過德國，躍居全球風電裝機首位，同時也成為第二個風電裝機容量超過2000萬千瓦的風電大國。中國風電發(fā)展依然強勁，2008年是連續(xù)第四年年度新增裝機翻番，初步計算，實現(xiàn)風電裝機容量1221萬千瓦，超過印度，成為亞洲第一、世界第四的風電大國，同時躋身世界風電裝機容量超千萬千瓦的風電大國行列。截止到2

18、011年世界風電累計裝機容量最多的國家如表1.3所示。單位（MW） 表 1.3 截止到2011年世界風電累計裝機容量最多的國家磁軸承的優(yōu)勢很明顯，總結(jié)起來，新一代磁軸承的主要特點為：（1）高轉(zhuǎn)速：磁軸承系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能夠達到每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)乃至數(shù)十上百萬轉(zhuǎn)的高速，如現(xiàn)在的飛輪電池的速度可以達到20萬轉(zhuǎn)每分鐘。（2）高精度：磁軸承系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的支撐系統(tǒng)體積小，控制精度很高，特別適用于高精密度的儀器儀表；（3）可控性；磁軸承系統(tǒng)的核心部件能夠?qū)崟r控制，其中一些動力學參數(shù)也可以通過控制器進行一定的調(diào)節(jié)；1.4 本論文的主要研究意義與容本論文的主要容安排如下：第一章，介紹了風力發(fā)電的研究背景，發(fā)展應用和

19、研究現(xiàn)狀等。第二章，講述了風力發(fā)電機和變槳距控制過程研究。第三章，PLC控制理論研究。第四章，直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)控制研究第五章，對本論文的工作做了一個綜述總結(jié)，提出了本人對未來發(fā)展趨勢的看法與下一步的研究方向。第2章 風力發(fā)電機和變槳距控制過程研究2.1變槳距控制過程研究2.1.1空氣動力學原理風力機的第一個氣動理論是由德國的貝茲(Betz)于1926年建立的。他假定風輪是理想的,即沒有輪轂,又具有無限多的葉片;氣流通過風輪時沒有阻力,并假定經(jīng)過整個風輪掃與面時全是均勻的,而且通過風輪前后的速度都為軸向方向。 圖2-1 風輪氣流圖 如圖 2-1所示,設(shè)定風輪的氣流上游截面為； 風速，

20、下游截面為、風速；通過風輪時的實際風速為,以與風輪面積。如果假定空氣是不可壓縮的,由連續(xù)條件可得：(2.1)風作用在風輪上的力由Euler理論寫出：(2.2)式中空氣密度,(kg/m3)故風能吸收的功率為：(2.3)上游至下游動能的變化為：(2.4)由于功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的,所以,式(2.3)與式(2.4)相等,得(2.5)則作用在風輪上的力和提供的功率分別為：(2.6)(2.7)給定上游風速1,對2取微分：(2.8)最大功率即，求得兩解1) =-，沒用物理意義；2）以第二解代入式 (2.7)，得最大功率；(2.9)將公式(2.8)除以氣流通過掃掠面時風所具有的動能，可推出風力機的理論最大效

21、率：(2.10)上式即為著名的貝茲(Betz)理論的極限值。它表明，風力機從自然風中所能獲取的能量是有限的。這就引出了風能利用系數(shù)的概念。風能利用系數(shù)表示的 (2.11)是風力機從自然風能中吸收能量的大小程度，式中風力機實際獲取的軸向功率。對于變槳距風力機,風能利用系數(shù)與尖速比和槳葉的節(jié)距角成非線性關(guān)系。尖速比即為槳葉尖部的線速度與風速之比：(2.12)式中風輪的轉(zhuǎn)速,(r/s)；風輪轉(zhuǎn)動角速度,(rad/s)；風輪直徑,(m)據(jù)有關(guān)資料的記載和研究，風能利用系數(shù)可近似用以下公式表示： (2.13)圖2-2 變槳距風力機特性曲線由公式(2.12)得變槳距風力機特性曲線如圖2-2所示的平面圖。從

22、圖中可歸納以下兩點： 1)對于某一固定槳葉節(jié)距角,存在唯一的風能利用系數(shù)最大值。2）對于任意的尖速比,槳葉節(jié)距角=0下的風能利用系數(shù)相對最大。隨著槳葉節(jié)距角增大,風能利用系數(shù),明顯減小。以上兩點為變速恒頻變槳距控制提供了理論基礎(chǔ):在風速低于額定風速時,槳葉節(jié)距角=0,通過變速恒頻裝置,隨風速變化改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使風能利用系數(shù)恒定在，捕獲最大風能，并輸出電能頻率不變：在風速高于額定風速時，調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角從而改變發(fā)電機輸出功率,使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。2.1.2風速特性分析上文對于風速的空氣動力學的分析是基于風速在空間均勻分布，不隨時域變化的前提條件下的。然而，自然界的風在時間和空間上都是

23、變化的，因此，風輪平面風速分布是不均勻的。影響風速的因素有很多，其中作用最為顯著的是高度，尤其隨著風機的大型化，風輪直徑的增加，高度對于風輪平面風速的影響就越來越明顯，而其它隨機干擾反而可能會因為葉片長度的增加相互抵消而減弱。風速在豎直方向上的變化主要是由風切變和塔影效應導致的。2.2電機結(jié)構(gòu)類型與特點發(fā)電機是風力發(fā)電中重要的組成部分，風力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換分為兩個過程:將風能轉(zhuǎn)化為機械能和將機械能專換為電能。前者由風力機實現(xiàn)，后者由發(fā)電機實現(xiàn)。風力機是吸收風能并將其轉(zhuǎn)換成機械能的部件，風以一定的速度和偏向角作用在葉片上，使葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，進而將風能轉(zhuǎn)變成機械能。所轉(zhuǎn)化來的機械能帶動發(fā)

24、電機轉(zhuǎn)動，進一步轉(zhuǎn)化為電能。目前國的總體情況，可以將風力發(fā)電機大致分為兩類。2.2.1雙饋式風力發(fā)電機雙饋是指發(fā)電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組都與電網(wǎng)有電氣連接，都可以與之進行功率交換，風力發(fā)電機組的定子繞組和電網(wǎng)直接連接，輸出電壓頻率可以通過轉(zhuǎn)子繞組中的交流勵磁電流的頻率調(diào)節(jié)加以控制雙饋（圖2.3）：主要有孤島并網(wǎng)和空載并網(wǎng)兩種方式，關(guān)鍵是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁讓定子發(fā)出的電壓和電網(wǎng)電壓符合并網(wǎng)條件2. 雙饋電機成本低，技術(shù)成熟；電力電子變流裝置所需要的容量小；可以在小容量情況下采用全風冷；3.發(fā)電所需要的風速圍要求太高，一般在同步速的2020以，發(fā)電量受限制，容易脫網(wǎng)，發(fā)電的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性很差；有三級行星

25、齒輪箱，5年需要更換一次，維護成本很高，技術(shù)上與其困難，電網(wǎng)的適應性差，功率因數(shù)受限制，一般只能到0.9圖2.3雙饋式發(fā)電機2.2.2直驅(qū)式風力發(fā)電機直驅(qū)是指風力機與發(fā)電機之間沒有變速機構(gòu)（即齒輪箱），而是由風力機直接驅(qū)動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。與其他型式的風電機相比，減輕了成本，減輕機艙的重量，同時裝軸連接的可靠性也提高了。為了解決風速變化帶來的輸出電壓頻率變動的問題，需要在發(fā)電機定子繞組和電網(wǎng)之間配置換流器（變頻器），先將風力發(fā)電機輸出的交流電壓整流，得到直流電壓，再將該直流電壓逆變未頻率、幅值、相位都滿足要求的交流電，送入電網(wǎng)直驅(qū)（圖2.4）：直驅(qū)電機和電力電子裝置成本高；2.直驅(qū)電機技術(shù)不成

26、熟；3.為了讓風速很低時直驅(qū)電機能夠發(fā)電，導致電機的級對數(shù)極多，一般都超過100對，使電機的體積很大；冷卻困難；4.讓逆變器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓符合并網(wǎng)條件就行了圖2.4直驅(qū)式發(fā)電機結(jié)語：雙饋技術(shù)已經(jīng)在過去的十多年中成為不可爭辯的主流技術(shù)，而直驅(qū)和永磁直驅(qū)技術(shù)目前來看尚無法動搖帶齒輪箱技術(shù)的主流地位。可以肯定的是，風電機組技術(shù)的成熟性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性、與時而低成本的維修和維護將是市場選擇的最重要標準，特別是在海上風電的機組選擇中，目前看來，帶齒輪箱的風電機組仍是海上風電的絕對主流。第3章PLC控制理論研究3.1 PLC的基本概念隨著微處理器、計算機和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機控制已經(jīng)

27、廣泛幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速的響應，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，可編程控制器正是順應這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。3.2 PLC的組成部分可編程控制器簡稱為PLC，它的應用廣泛、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到了廣泛的使用。它具有以下特點:編程簡單易學、功能強、性價比高、硬件配套齊全、可靠性高、抗干擾能力強、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝工作量少、維修方便、體積小、功耗低。本設(shè)計使用的是西門子S7-3

28、00，它是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。它有以下幾部分組成：1) 中央處理單元（CPU）CPU用于存儲和處理用戶程序，控制集中式I/O和分布式I/O。2) 電源模塊（PS）用于將AC 220V的電源轉(zhuǎn)化為DC 24V電源，供CPU模塊和I/O模塊適用。3) 信號模塊（SM）是數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊的總稱，它們使不同的過程信號電壓電流于PLC部的信號電平匹配。數(shù)字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)和限位開關(guān)等來的開關(guān)量輸入信號。數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、指示燈等輸出設(shè)備。模擬量輸入模塊是接收傳感器和變送器等提供的連續(xù)變化的模擬量電流，電壓等信號。

29、模擬量輸出模塊用來控制電動調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。4) 功能模塊（FM）是智能的信號處理模塊，不占用CPU的資源，對來自現(xiàn)場的信號進行控制和處理，并將信息傳送給CPU。 5) 通信處理器（CP）用于PLC之間、PLC和計算機或其它智能設(shè)備之間的通信。6) 接口模塊(IM)用于多機架配置時連接主機架和擴展機架。3.3 S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用的是緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，電源模塊、CPU、信號模塊、功能模塊、接口模塊和通信處理器都安裝在導軌上。導軌是一種專用的金屬機架，只需將模塊鉤在DIN標準的安裝導軌上，然后用螺栓鎖緊就可以了。電源模塊安裝在最左邊，CPU模塊緊接著電源模塊，如果有接口模

30、塊，它放在CPU模塊的右側(cè)。S7-300用背板總線將除電源模塊之外的各個模塊連接起來。每個機架最多只能裝8個信號模塊、功能模塊或通信處理器模塊，組態(tài)時系統(tǒng)自動分配模塊的地址。如果這些模塊超過8個，可以增加擴展模塊。除了中央機架最多可以增加擴展3個擴展機架，因此最多可以安裝32個模塊。其中0號機架的DC 5V電源由CPU模塊產(chǎn)生，其額定電流與CPU的型號有關(guān)。擴展機架的背板總線電源由接口模塊IM361產(chǎn)生。3.4 PLC的循環(huán)處理過程CPU中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序。操作系統(tǒng)用來處理PLC的啟動、刷新過程映像輸入/輸出區(qū)、調(diào)用用戶程序、處理中斷錯誤、管理存儲區(qū)和通信等任務。用戶程序由用戶生成

31、，用來實現(xiàn)用戶要求的自動化任務。STEP7將用戶編寫的程序和程序所需要的數(shù)據(jù)放置在塊中，功能塊FB和功能FC是用戶編寫的子程序，系統(tǒng)功能塊SFB和系統(tǒng)功能SFC是操作系統(tǒng)提供給用戶使用的標準子程序，這些塊統(tǒng)稱為邏輯塊。PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時，CPU執(zhí)行啟動操作，清除沒有保持功能的位存儲器和定時器等容，復位保存的硬件中斷等。此外還要執(zhí)行一次用戶生成的“系統(tǒng)啟動”組織塊OB100,完成用戶指定的初始化操作。以后PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，這種運行方式也成為掃描工作方式。下面是循環(huán)處理各個階段的任務：(見圖3.1)1) 操作系統(tǒng)啟動循環(huán)時間監(jiān)控。2) CPU將過程映像輸出

32、區(qū)的數(shù)據(jù)寫到輸出模塊,CPU讀取輸入模塊的輸入狀態(tài)，并存入過程映像輸入?yún)^(qū)。3) CPU處理用戶程序，執(zhí)行用戶程序的指令。4) 在循環(huán)結(jié)束時，操作系統(tǒng)執(zhí)行所有掛起的任務。5) CPU返回第一階段，重新啟動循環(huán)時間監(jiān)控。在啟動完成后，不斷的循環(huán)調(diào)用組織塊0B1,OB1是用戶程序的主程序，它可以調(diào)用別的邏輯塊。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。如果有中斷事件出現(xiàn)，當前正在執(zhí)行的塊被暫停執(zhí)行，并自動調(diào)用分配給該事件的組織塊。該組織塊被執(zhí)行完后，被暫停執(zhí)行的塊將從被中斷的地方繼續(xù)開始執(zhí)行。圖3.1 掃描過程3.5 S7-300的編程語STEP 7是S7-300系列PLC的編程軟件。梯形圖、語句表和功能

33、圖是這個軟件包中的3中基本編程語言，這3種語言可以在STEP 7中相互轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計中，我采用了梯形圖編程語言。梯形圖由觸點、線圈和用方框表示的指令框組成。觸點代表邏輯輸入條件，線圈通常代表邏輯運算的結(jié)果，指令框用來表示定時器、計數(shù)器或者數(shù)學運算等附加指令。觸點和線圈等組成的獨立電路稱為網(wǎng)絡(luò)。梯形圖種的觸點和線圈可以使用物理地址，如果用符號表定義了某些地址的符號，可以用符號地址來代替物理地址，可以使程序易于閱讀和理解。如果沒有跳轉(zhuǎn)指令，程序段的邏輯運算按從左往右執(zhí)行，與能流的方向一致。程序段之間按從上到下的順序執(zhí)行，執(zhí)行完所有的程序段后，下一次返回最上面的程序段1，重新開始執(zhí)行。3.6 PLC

34、的供電與接地抗干擾問可編程控制系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)以交流220V作為基本的工作電壓，電源開關(guān)選擇的是兩相單開關(guān)，然后通過隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器或UPS電源。通過交流穩(wěn)壓器輸出的電源分為兩路：一路為PLC電源模塊供電，另一路為PLC的輸入/輸出模塊、現(xiàn)場檢測單元、執(zhí)行機構(gòu)供電。采用隔離變壓器可以隔離掉供電電源中的各種干擾信號，從而提高系統(tǒng)的抗干擾性能。PLC的控制部分供電包括PLC的CPU工作電源、各種I/O模塊的控制回路工作電源、各種接口模塊和通信智能模塊的工作電源。這些工作電源都是由電源模塊供電。一般PLC的電源模塊都有三個進線端子，分別用L1、N、PE表示。其中L1和N為交流220V進線端子

35、，PE為系統(tǒng)接地，并與機殼相連，它的接地端應選擇銅導體并盡可能短的與交流穩(wěn)壓器、UPS電源、隔離變壓器和系統(tǒng)接地相連。在實際控制系統(tǒng)中，接地是抑制干擾是系統(tǒng)可靠工作的主要方法。接地設(shè)計有兩個基本目的：消除各電路電流流經(jīng)公共地線阻抗所產(chǎn)生的噪聲電壓和避免磁場與電位差的影響，使其不形成地環(huán)路。對于PLC的控制系統(tǒng)，接地電阻一般不小于4。同時要保證足夠的強度，并有耐腐蝕與防腐處理。PLC組成的系統(tǒng)要單獨設(shè)計接地。第4章 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)控制研究4.1概述直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)使用了低速永磁多級發(fā)電機，所以無需安裝交流發(fā)電機和風力機之間的升速齒輪箱，無齒輪可以直接驅(qū)動系統(tǒng)。他的優(yōu)點是：沒有

36、齒輪箱的使用，使得電能生產(chǎn)的機械傳動鏈被大大縮短，也使得機組的水平軸長度減小很多，大大降低了維修費用，并減少了齒輪箱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨損，噪音和損耗等等，增大了發(fā)電機組的工作壽命，使之更適合環(huán)保要求直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機控制系統(tǒng)如圖4.1所示。圖4.1直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機控制系統(tǒng)使用了永磁同步風電機，將會把發(fā)出的頻率和電壓隨著風速的變化而變化的交流電流經(jīng)三相二極管的整流橋被整流成為直流，而后經(jīng)過大電感的濾波之后，會得到一個比較平穩(wěn)的直流電壓，再經(jīng)過DC-DC的變換成為升壓電路，最后提供了幅值比較恒定的直流電壓給需要的逆變電路，當逆變電路最終逆變成了和電網(wǎng)的頻率一樣的恒頻的電能之后就能并網(wǎng)了。因

37、為在整個發(fā)電系統(tǒng)中，省去了發(fā)電機和風力機之間的傳動結(jié)構(gòu)，因此，這種結(jié)構(gòu)引起了廣泛的注意。在該系統(tǒng)中使用全公路車變頻器，尤其是對容量大的風力發(fā)電系統(tǒng)來說變頻器的容量顯著增加了。這樣就使控制結(jié)構(gòu)比較簡單，大大降低了系統(tǒng)的成本，并提高了發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的硬性，使得系統(tǒng)的可靠性大大增加。4.2變槳距系統(tǒng)控制 上述的控制研究都是以風力機在不變風速的條件下運行的，但是在較高的風速下，機組物理性能使得能量的獲取收到了限制。當風速超過了額定的風速時，由于這時候隨著風速提高，功率上升趨于平緩，一旦過了額定點后，槳葉就開始失速了，風速的升高導致功率有所下降，所以風能的利用系數(shù)大幅度的下降。而是用變槳距控制，可以不用

38、擔心風速超過了額定點后功率的控制問題，可以使發(fā)電機組的傳動系統(tǒng)具有很好的柔性，使額定功率點仍然具有很高的功率系數(shù)，這是高于額定風速的時候系統(tǒng)的基本目標 風機在正常工作時，主要是用的是功率控制，風力機漿距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度決定了功率調(diào)節(jié)的速度。起動變槳距風力機的時候風速比定槳距風力機低，因此將槳葉節(jié)距角轉(zhuǎn)到合適的角度，可以使風輪具有比較大的啟動力矩，使之啟動更容易。 變槳距風力機是指整個葉片繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使得葉片攻角在一定圍變化，以便調(diào)節(jié)輸出功率不超過設(shè)計容許值，在機組出現(xiàn)故障時，需要緊急停機，一般應先使葉片順漿。這樣機組結(jié)構(gòu)中受力小，可以保證機組運行的安全可靠性。變槳距葉片一般葉寬小，葉片輕

39、，機頭質(zhì)量比失速機組小，不需要很大的剎車，啟動性能好。在低空氣密度地區(qū)仍然可以達到額定功率，在額定風速之后，輸出功率可以保持相對的穩(wěn)定來保證比較高的發(fā)電量。但是由于增加了一套變槳距機構(gòu)增加了故障發(fā)生的幾率，而且處理變槳距機構(gòu)葉片軸承故障難度大。變距機組比較適于高原空氣密度低的地區(qū)運行。避免了當失速機安裝角確定后，有可能夏季發(fā)電低，而冬季又超發(fā)的問題。變槳距機組適合于額定風速以上風速較多的地區(qū)，這樣發(fā)電量的提高比較顯著。從今后的發(fā)展趨勢來看，在大型風力發(fā)電機組中將會普遍采用變槳距技術(shù)。 什么是變槳距機構(gòu)，簡單來說就是在額定的風速附近，能夠控制吸收的機械能還能隨時調(diào)節(jié)漿距角，這是依靠風速的變化來實

40、現(xiàn)的。它不僅減少了風力對風力機造成的沖擊還保證了能夠獲取到最大能量。在整個并網(wǎng)的過程之中，變槳距控制還能夠?qū)崿F(xiàn)快速的無沖擊的并網(wǎng)。整個風電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和發(fā)電效率的提高是因為變速恒頻技術(shù)和變槳距控制系統(tǒng)互相配合。變槳距控制機構(gòu)示意圖如圖4.2所示。圖4.2 變槳距控制機構(gòu) 如圖4.3所示。當槳葉節(jié)距角和槳距速率小于飽和限度時，槳距動態(tài)呈線性。執(zhí)行機構(gòu)的模型描述了來自槳距控制器的槳距角指令到該指令的激勵之間的動態(tài)傳遞函數(shù)。執(zhí)行機構(gòu)可以建模成如下的一階系統(tǒng)公式（41）。 （41）槳葉節(jié)距角；式中ref給定槳葉節(jié)距角。 由圖4.3可知，當風速達到起動風速的時候，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動，直到氣流

41、對槳葉產(chǎn)生一定的功角，風輪開始起動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整節(jié)距角。在額定風速的時候節(jié)距角基本保持不變，即不對其進行控制，當超過額定風速以后，改變槳葉節(jié)距角加以改變空氣對其槳葉的功角，限制風力機捕獲的風能，維持功率定。圖4.3 槳葉節(jié)距角的變化變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點是槳葉做的比較輕巧，受力比較小。為了能夠最大可能的吸收風能變化為電能，同時在高風速下保持功率的平穩(wěn)輸出，漿距角可以隨著風速大小從而進行自動的調(diào)節(jié)。他的缺點是故障率比較高，結(jié)構(gòu)相對復雜。4.3 風電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計 控制系統(tǒng)對于發(fā)電機組的可靠、安全運行乃至是整個風廠的正常運作都具有很重要的作用。風電機組的

42、控制系統(tǒng)實際執(zhí)行著運行狀態(tài)的監(jiān)控、安全保護工作甚至是風電機的正常運行控制。 硬件和軟件程序2個方面的設(shè)計構(gòu)成了控制系統(tǒng)的設(shè)計。控制電路設(shè)計，主要負責信號采集的借口電路以與處理器和傳感器的選型都是硬件設(shè)計的主要容。而軟件設(shè)計主要是明確風電機的控制要求，然后制定相對的控制策略，再是根據(jù)風電機的控制策略實行風電機組的信號檢測、運行控制和安全方面的設(shè)計。本論文主要設(shè)計的是軟件部分。4.3.1風力發(fā)電機電動變槳控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 允許獨立變槳距的三槳葉結(jié)構(gòu)是當前大型風力發(fā)電機組主要使用的，圖4.4是電動變槳距系統(tǒng)框圖。變槳距伺服電機、電機驅(qū)動器、減速箱、UPS、控制器等構(gòu)成了電動變槳距系統(tǒng)，每個葉片都具有

43、他們自己獨立的驅(qū)動裝置來實現(xiàn)風機對葉片的異步控制。圖 4.4變槳距系統(tǒng)的構(gòu)成框圖 傳動裝置是以法蘭連接鑄在輪轂壁的托架上。葉片軸承的齒和小齒輪互相嚙合并且在電機旋轉(zhuǎn)的時候調(diào)節(jié)葉片。驅(qū)動裝置是由脈沖發(fā)送器的交流伺服電機和一個有從動小齒輪的三級行星式傳動裝置以與一個有制動裝置和構(gòu)成。該系統(tǒng)使用減速比176.8三級行星減速箱因為槳葉的重量大又有阻力作用，造成漿距角的變化比較慢，由于一般的伺服電機的轉(zhuǎn)速比較高，因此需要減速機構(gòu)。2葉片之間的最大許可相對偏差為0.3。葉片的同步運轉(zhuǎn)是由控制裝置來調(diào)節(jié)的。機艙的主控制器與輪轂的變槳控制器之間通過DP總線連接，另外，變槳控制的供電電源是有機艙提供三相供電電源

44、，DP總線與三相供電電源都是通過滑環(huán)連接。當風速高于啟動風速需要由停機狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機狀態(tài)；或者是當風速高于并網(wǎng)風速，需要并網(wǎng)時；還有當風速高于額定風速且滿足運行條件時，主控制器根據(jù)采集來的風速計算每個葉片需要調(diào)節(jié)的槳距角，由主控制器發(fā)出槳葉調(diào)節(jié)命令，通過DP總線轉(zhuǎn)到變槳控制器然后由伺服電機通過減速箱帶動葉片轉(zhuǎn)動。圖中虛線部分為UPS電源，機艙的三相供電電源經(jīng)過滑環(huán)連接UPS一方面對伺服電機供電，另一方面，將交流電整流成24V直流做變槳控制器的電源，同時對蓄電池充電，這是變槳部分能夠安全運行的保障，當風力發(fā)電機組突然出現(xiàn)故障或者外接電源突然斷開，要能使槳葉在蓄電池作用下短時間達到順槳狀態(tài)，本系統(tǒng)要

45、求以9deg,s的速度在8s完成作 變槳伺服電機是變槳伺服機構(gòu)的主要執(zhí)行器件，所以它的合理的選型尤為重要。在變槳距機構(gòu)設(shè)計分析中，驅(qū)動力是一個非常重要的參數(shù)，只有在它確定的情況下，才能進行變槳距機構(gòu)中各個部件的選擇，同時為下一步的計算提供依據(jù)風力發(fā)電機組在不同工作狀態(tài)下，作用于槳葉變距軸上的阻力距變化很大，但是因為電動變槳距執(zhí)行機構(gòu)在緊急順槳時比正常工作時大的多，所以只需考慮緊急順槳時的槳葉驅(qū)動力131，基于本系統(tǒng)中葉片的實際情況以與此緊急順槳要求得出電機轉(zhuǎn)矩T15 NM。本系統(tǒng)中選額定轉(zhuǎn)速為2500RM的電機，為求得電機功率進行如下計算：P=F×VT=F×RV=2R

46、15;NP=NT/30其中，P為電機額定功率，T為電機輸出轉(zhuǎn)矩，v是電機轉(zhuǎn)動線速度，將T15N。M，N=2500radmin代入上式求的得P=3927W,所以選擇額定功率為4kW的電機；另一方面，因為輪轂空間非常有限，所以要選擇功率密度較大的伺服電機H1。基于以上考慮，本系統(tǒng)采用功率為4kW，轉(zhuǎn)矩為15 NM的三相永磁同步電機做伺服電機。4.3.2 變槳系統(tǒng)的控制策略 PID控制是當前工業(yè)過程控制中應用最廣泛的控制策略，變槳作為一個復雜的系統(tǒng)，在對槳距角的調(diào)節(jié)過程中正好需要應用到工業(yè)當中最常用的PID控制。PID控制器具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、魯棒性強等優(yōu)點。4.3.3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)

47、計 主控系統(tǒng)的系統(tǒng)控制程序主要使用了SIEMENS STEP7軟件為開發(fā)的工具開發(fā)，程序主要包含故障判斷、實時控制、報警聯(lián)鎖、信息采集、數(shù)據(jù)通信等部分系統(tǒng)控制程序的主流程如圖4.5所示。圖4.5 控制系統(tǒng)主流程當系統(tǒng)開始執(zhí)行控制程序，首先是收集機艙溫度、風向、環(huán)境溫度、風力、電機繞組溫度、液壓系統(tǒng)壓力、電機軸承溫度等狀態(tài)和環(huán)境信息，并且存儲為后續(xù)的程序提供應用。進入運行的狀態(tài)后，控制程序?qū)⒏鶕?jù)參數(shù)的大小對電池電量、風力、風速等信息作出判斷，選擇是否偏航、變漿、充電、解纜并觸發(fā)相對動作來完成對應的功能。系統(tǒng)自檢作為保障風電系統(tǒng)正常運行的非常重要部分將逐個用收集到的信息和正常值進行對比來最大限度的

48、保障風電機組的安全。 系統(tǒng)還定時的和變流系統(tǒng)互通信息，將發(fā)電的功率之靈傳遞給對方并且將接收到的電壓電流電功率等參數(shù)，假如發(fā)電參數(shù)滿足了發(fā)電的指標要求，發(fā)電系統(tǒng)將供電上網(wǎng)，閉合并網(wǎng)開關(guān)。電網(wǎng)自身的變量或參數(shù)也可以接入到發(fā)電系統(tǒng)中檢測并判斷運行是否正常。4.3.4變槳控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 作為風電機組的輸入功率調(diào)節(jié)裝置變漿系統(tǒng)在風機系統(tǒng)中占據(jù)了重要的地位。如圖4.6所示是變槳距控制器的原理框圖。圖4.6 變漿控制框圖在系統(tǒng)由停機狀態(tài)轉(zhuǎn)變到啟動狀態(tài)的過程之中，主要根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速反饋信號和風速信號來確定槳葉在待機或是順漿位置。在系統(tǒng)并網(wǎng)后，為了使系統(tǒng)保持在恒功率的狀態(tài)下，需要根據(jù)發(fā)電機的輸出功率的變化來調(diào)節(jié)漿距角，這是功率控制器在起作用。 系統(tǒng)的控制算法全部是由SETP7這款軟件來實現(xiàn)的，而系統(tǒng)的功能則是由PLC來完成的額定風速之上，可以通過調(diào)整漿距角來使輸出功率保持額定功率上；當滿足了風力發(fā)電機的啟動條件的時候，主控制器則通過變漿控制器來發(fā)出的指令來使得葉片漿距角勻速的減小；當有故障或是急停的信號的時候，使變漿電機迅速帶動槳葉順漿。如圖4.7所示。當風速高于起動風速的時候，槳距角從90°減小到了0°。這個時候，當葉片連