基于plc的风力发电机的变速控制.docx

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基于plc的风力发电机的变速控制

基于PLC的风力发电机的变速控制

摘要

随着风力发电技术的发展，变速恒频风力发电技术成为了风力发电未来发展新趋势。

变桨系统是变速风力发电机组的重要部分，其性能对风力发电机组的整体性能起到重要的作用。

本文研究了变速恒频风力发电系统的运行原理，详细的分析了其工作过程以及结构。

本文通过两种方法控制变速风力发电机组，分别是：

通过伺服系统控制桨叶桨距角和通过PLC电机的转速。

风机变桨系统主要由PLC控制系统、风速传感器、轮毂控制柜、直流控制电机、蓄电池、整流器组成。

PLC控制系统通过风速传感器提供的控制信号对电路进行控制。

由于风力发电控制系统对性能要求较高,选用PLC作为控制器不但可以用简单的程序来实现复杂的逻辑控制,而且同时具有稳定性高的特点。

关键词：

变速恒频，风力发电，变桨距控制，PLC控制系统

VariablespeedcontrolofwindturbinebasedonthePLC

Abstracts

Withthedevelopmentofwindpowergenerationtechnology,variablespeedconstantfrequencywindpowergenerationtechnologyhasbecomethetrendofthefuturedevelopmentofwindpowergeneration.Thepitchsystemisanimportantpartofthevariablespeedwindturbine,playinganimportantroleintheperformanceoftheoverallperformanceofthewindturbine.Thispaperstudiesthevariablespeedconstantfrequencywindpowergenerationsystemoperationprinciple,andthestructureandworkingprocessareanalyzedindetail.Thisarticlethroughtwokindsofmethodstocontrolofvariablespeedwindturbine,respectivelyis:

throughtheservosystemcontrolbladepitchangleandtherotationalspeedofthemotorbyPLC.Fanvariablepitchsystemmainlycomprisesawindspeedsensor,PLCcontrolsystem,controlcabinet,rectifiers,batteryhub,DCmotorcontrol.PLCcontrolsystemthroughthewindspeedsensorprovidesthecontrolsignaltothecontrolcircuit.

Windpowercontrolsystemofthehighperformancerequirements,therefore,usingPLCasthecontrollernotonlycanusethesimpleproceduretorealizecomplexcontrollogic,butalsohavethecharacteristicsofhighstability.

Keywords:

VSCF,Windpower,Pitchcontrol,PLCcontrolsystem

目录

第一章绪论1

1.1国内风力发电技术发展概况1

1.2风力发电机变速的优点1

1.3变桨距控制与变速控制关系2

1.4变速风力发电机组的控制组成2

1.5PLC介绍3

第二章风机基本理论5

2.1风力机的各部分介绍5

2.2变桨距风电机组介绍5

2.3变桨距控制原理6

第三章风机变桨系统硬件部分设计8

3.1变桨系统的描述8

3.2风机变桨系统结构介绍8

3.3风机变桨控制流程分析9

3.4变桨控制系统硬件部分设计10

3.5轮毂控制柜控制系统硬件部分设计说明12

第四章器件的选择及线径的选择14

4.1稳压器选型14

4.2接触器选型14

4.3变桨电机选型15

4.4风速仪选型15

4.5速度传感器选型15

4.6欠电压继电器选型16

4.7空开选型16

第五章控制程序设计18

5.1PLC的选择18

5.2PLC的I/O端口分配及外围接线图19

5.3控制程序编写22

第六章总结23

致谢25

附录26

第一章绪论

1.1国内风力发电技术发展概况

我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源也比较丰富。

根据最新风能资源评价，我国陆地可利用风能资源3亿千瓦，加上近岸海域可利用的风能资源，共计约10亿千瓦。

其主要分布在两大风带：

一是“三北地区”（东北、华北北部和西北地区）；二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。

另外，内陆地区还有一些局部风能资源丰富区。

我国的风力发电的发展迅速，建设规模不断扩大。

1986年，在山东荣城建成了我国第一座并网运行的风电场，到1990年已建成3座并网型风电场，总装机容量为3.215MW，其最大单机容量为200kW。

到1995年，全国共建成了5座并网型风电场，装机总容量为36.1MW，最大单机容量为500kW。

1996年后，风力发电进入了扩大建设规模的阶段，最大单机容量为1500kW。

据中国风能协会最新统计，2007年中国除台湾省外新增风电机组3,133台。

2007年中国除台湾省外累计风电机组6,358台，装机容量5,890MW。

目前，在我的家乡烟台栖霞也建立了风力场，据水母网报道：

栖霞市与大唐集团签订方山风电项目合作开发协议，这一项目的开发，将使栖霞市风力发电总装机容量达到9.56MW。

届时，栖霞市将成为山东省内陆风力发电装机容量最大的一个县市。

当然我国的风力发电存在一定的问题。

我国现有的风资源分布图很粗，无法满足现在风电场选址的要求，迫切需要进一步细化。

国内已经建成的微不足道的风电容量几乎全部为进口的成套设备，导致风电场投资高、电价高，与火电、水电比，缺乏市场竞争能力。

因此，研究我国风电发展迟缓的原因，提出相应的激励政策已成当务之急，从国外经验看，政府支持、政策激励是发展风电的关键。

1.2风力发电机变速的优点

当风速在一定范围内发生变化时，允许风力发电机做变速运行，以便能达到更好利用风能的目的。

这是由于风力机的输出功率系数CP在某一确定的尖速比TSR下达到最大值，如图1-1所示。

由于风力机的转速可变，通过适当的控制，使风力机的尖速比处于或比较接近于最佳值，以便最大限度的利用风能[5]。

图1-1风力机的典型CP与尖速比TSR

随着风电技术的发展，恒速运行的机组由于只能在运行的某一点上保持较高的能量捕获效率，造成机组运行效率低，取而代之的变速机组可以保持最佳叶尖速比运行，大大提高机组的能量捕获效率，目前成为发展的主流。

1.3变桨距控制与变速控制关系

随着科技的进步与风力发电技术的不断发展，变速恒频风力发电技术不断成熟，成为了风力发电的发展趋势。

变桨系统是变速风力发电机组的重要组成部分，对风力发电机组的整体性能有着重要的意义。

如今，风力机变桨距控制已成为风力发电领域研究的重点之一。

变距型风力机的桨距角可以随风速变化而逐渐变化，风机转速作为输入信号设计调节器,从而输出桨距角命令[4]。

1.4变速风力发电机组的控制组成

变速风力发电机组的控制主要分成两个部分；在额定风速以下时，调节发电机转速使之跟着风速变化，以获得最佳叶尖速比；在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶浆距来限制风力发电机获得能量，是风力发电机组保持在额定值发电[3]。

变速风力发电机组通常需要两部分控制器：

[8]

1.一个通过电力电子装置控制发电机的转速；

2.另一个通过伺服系统控制桨叶桨距角。

1.5PLC介绍

本论文PLC选择欧姆龙公司（OMRON）的产品，根据需要，输入输出的点数分别选择12个和8个就符合要求。

CPM1A是日本欧姆龙公司产品中的一种小型整体式PLC。

CPM1A的特点：

[1]

（1）CPM1A可连接可编程终端，选用通讯适配器以相应的上位Link或高速NTLink与PT之间进行高速通讯。

（2）CPM1A有10点至30点多种CPU单元。

CPU单元与扩展I/O并用，可实现10点到100点的输入输出要求，并且有DC和AC两种电源型号可选择。

（3）CPM1A汇集了各种先进的功能，如中断功能、高速计数功能、高速响应功能，还备有2个模拟量设定。

（4）CPM1A具有充足的程序容量，具有1023字的数据存储器和2038字的用户程序存储器。

（5）CPM1A编程环境与SYSMACA及CQM1等机种相同，系统的维护和扩展比较简单。

（6）CPM1A在编程环境等方面上不仅实现了具有10点～100点输入输出点数的弹性构成，而且还可连接可编程控制终端，运用十分的灵活。

它作为小型控制器，在生产现场中能够满足不同的需求。

表1-2CPM1A继电器地址的分配及继电器功能作用介绍

名称

点数

通道

继电器

功能

输入继电器

160点（10字）

000~009CH

00000~00915

能分配给外部输入输出端子的继电器（当输入输出通道不使用的继电器号能作为内部辅助继电器使用）

输出继电器

160点（10字）

010~019CH

01000~01915

内部辅助继电器

512点（32字）

200~231CH

20000~23115

程序中能自由使用的继电器

特殊辅助继电器

383点（23字）

232~255CH

23200~25507

具有特定功能的继电器

暂存继电器

8点

TR0~7

用于在回路分叉点临时记忆的继电器,

链接继电器（LR）

256点（16字）

LR00~15CH

LR0000~1515

1:

1连接中作为输入输出使用的继电器（也可作为内部辅助继电器使用）

定时器/计数器（TIM/CNT）

128点

TIM/CNT000~127

定时器和计数器共用相同号

数据内存（DM）

可读写

1002字

DM0000~0999DM1022~1023

以字为单位（16位使用,电源断时数据保持.DM1000~1021不作为存放异常历史使用时,可作为一般的DM自由使用。

DM6133~6599、DM6600~6655不能在程序中写入（可从外围设备设定）

异常历史存放区

22字

DM1000~1023

只读

356字

DM6133~6599

PC系统设置区

56字

DM6600~6655

第二章风机基本理论

2.1风力机的各部分介绍

风力机主要由叶片、轮毂、传动链（齿轮箱、主轴）联轴器等中间传动装置构成，其机械部分与异步发电机是柔性连接，相互之间刚性度较低[7]。

1.叶片：

将风能转变为机械转距（风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。

如果超过发电机同步转速，转