基于plc风力发电控制系统的设计.docx
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基于plc风力发电控制系统的设计.docx
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基于plc风力发电控制系统的设计
摘要
全球人口增长和发展中国家的经济扩张,到2050年,世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。
地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。
能源对经济级社会发展都至关重要,但这也带来了环境方面的挑战。
我们必须探索能源生产与消费的各个方面,包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质,还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。
风力发电的发展是时代的需要。
在风力发电控制系统中,基于PLC为主控制器的设计是未来的发展方向。
本设计基于PLC的风力发电控制系统,旨在保证风力发电机偏航系统、齿轮箱、液压系统、发电机正常工作;通过选择合适的控制方法,使系统能更加稳定的运行,进而可以有效提高风力利用率。
设计中主要对发电机控制电路、偏航控制电路、齿轮箱及液压站的运行和工作情况进行了设计,并绘制了相应的电气原理图。
在控制电路中还说明了PLC、电动机及相应低压器件的型号选择,绘制了I/O接线图;在发电机控制电路中,设计了发电机的转速控制方面;偏航电路中,设计了对风、解缆功能;在液压系统中,设计了温控、压力控制功能;在齿轮箱系统中,设计了油位控制功能。
同时在设计中还详细编写了各部分的控制程序,并进行了相关调试,另外利用S7-200仿真软件进行了系统仿真验证,仿真结果满足设计要求。
关键词:
可编程控制器;偏航;液压系统;控制系统;风力发电
ABSTRACT
Globalpopulationgrowthanddevelopingeconomicexpansion,to2050,worldenergydemandmaydoubleorevenincreasedtwotimes.Thewholeoflifeonearthdependsonboththeenergyandthecarboncycle.Energyforeconomicsocialdevelopmentarecrucial,butithasalsobroughtenvironmentalchallenges.Wemustexploretheenergyproductionandconsumptioninallaspects,includingimprovingenergyefficiency,cleanenergy,theglobalcarboncycle,carbonresource,wasteandbiomass,butalsopayattentiontothemandclimateandnaturalresourceproblemsbetween.Windpowerdevelopmentistheneedofthetimes.
InthewindpowercontrolsystembasedonProgrammableLogicController(PLC),mainlyisthedesignoffuturedevelopmentdirection.BasedonthedesignofPLCwindpowercontrolsystem,inordertoensurethewindmillgeneratoryawsystem,gearbox,hydraulicsystem,thegeneratorwork;byselectingappropriatecontrolmethod,makingthesystemmorestableoperation,whichcaneffectivelyimprovetheutilizationrateofwindpower.
Designofthemaingeneratorcontrolcircuit,controlcircuit,gearboxandhydraulicstationrunningandworkingconditionsforthedesign,anddrawthecorrespondingelectricalschematicdiagram.ThecontrolcircuitalsoshowsPLC,motorandcorrespondinglowvoltagedevicesmodelselection,renderingtheI/Owiringdiagram;ingeneratorcontrolcircuit,designofthegeneratorspeedcontrol;yawcircuit,designofwind,startingfunction;inthehydraulicsystem,designtemperaturecontrol,pressurecontrolfunction;inthegearboxsystem,designthelevelcontrolfunction.
Inthedesignofthedetailedwrittenpartscontrolprogram,andtherelevantdebugging,whileusingS7-200simulationsoftwaresimulationsystem,andthesimulationresultsandmeetthedesignrequirements.
Keyword:
ProgrammableLogicController;Yaw;Hydraulicsystem;Controlsystem;WindPower
1引言
1.1选题目的和意义.............................................
1.2国内外风力发电现状.........................................
1.2.1国外风力发电现状.........................................
1.2.2国内风力发电现状.........................................
1.2.3风电机组发展趋势..........................................
1.2.4海上风电场的兴起..........................................
1.3研究设想及方法..............................................
1.4预期成果及意义.............................................
2系统整体方案设计.............................................
2.1系统工作原理..............................................
2.2系统工艺流程................................................
2.2.1控制模式介绍.............................................
2.2.2各部分控制介绍...........................................
2.3系统总体设计方案..........................................
2.4本章小结..................................................
3控制系统硬件设计............................................
3.1PLC概述..................................................
3.1.1PLC的发展历程..........................................
3.1.2PLC的工作原理..........................................
3.1.3控制系统的I/O通道地址分配.............................
3.1.4PLC系统选型...........................................
3.2扩展模块选型...........................................
3.2.1数字量输出扩展模块EM222................................
3.2.2数字量输入∕输出扩展模块EM223.........................
3.2.3模拟量输入扩展模块EM231...............................
3.2.4模拟量输入∕输出扩展模块EM235.........................
3.3电机及驱动器选型与应用设计..............................
3.3.1电机及驱动器选型......................................
3.3.2偏航电机主电路设计....................................
3.4检测元件选型与应用设计..................................
3.4.1温度传感器选型.......................................
3.4.2压力传感器选型......................................
3.4.3液位传感器选型......................................
3.4.4偏航角度传感器和转速传感器选型......................
3.4.5风向标、风速仪选型..................................
3.5低压电器选型..........................................
3.5.1接触器选型..........................................
3.5.2断路器选型..........................................
3.5.3熔断器选型..........................................
3.5.4主令电器选型........................................
3.5.5信号电器选型.......................................
3.6系统配电及电源选型...................................
3.7本章小结.............................................
4控制系统软件设计.......................................
4.1程序流程图的设计.....................................
4.1.1启停控制流程图....................................
4.1.2偏航解缆控制流程图................................
4.1.3齿轮箱系统控制流程图..............................
4.1.4发电机系统控制流程图..............................
4.1.5液压系统控制流程图.................................
4.2控制程序设计.........................................
4.3组态界面设计.........................................
4.4程序调试.............................................
4.5本章小结..............................................
5结束语..................................................
参考文献..................................................
致谢..................................................
第1章引言
1.1目的和意义
由于全球人口增长和发展中国家的经济扩张,到2050年,世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。
地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。
能源对经济级社会发展都至关重要,但这也带来了环境方面的挑战[1]。
我们必须探索能源生产与消费的各个方面,包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质,还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。
风电是目前技术最成熟、最具市场竞争力且极具发展潜力的可再生清洁能源,发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着及其重要的意义[2]。
随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域,控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展。
目前的控制方法是:
当风速变化时通过调节发电机电磁力矩或风力机浆距角使叶尖速比保持最佳值,实现风能的最大捕获。
控制方法基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪,利用风速测量值进行反馈控制,或电功率反馈控制[3]。
但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统,传统的控制方法会产生较大误差。
因此近些年国内外都开展了这方面的研究。
一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统。
如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等。
使风机控制向更加智能方向发展。
传统的风力发电控制方法存在诸多不足,引起较大的能量损失,基于PLC为主控制器的控制系统,结构简单,通用性强,编程方便,抗干扰能力强,可靠性较高,并且维护起来比较方面,能够直观的反应现场信号的变化状态,通过编程工具可以直接观察系统的运行状态,极大的方面了维护人员查找故障,缩短了对系统维护的时间。
随着新型控制算法的研究和应用,可以有效提高风能利用效率,对于提高风电机组的发电量,减小风电成本具有重要意义[4]。
1.2国内外现状
1.2.1世界风力发电发展状况
随着国际社会能源紧缺压力不断增大,风力发电得到了高度的重视。
近20多年来,风电技术日趋成熟,应用规模越来越大。
2009年,全球新增发电装机超过3800万千瓦,比2008年净增长1100万千瓦,累计装机容量突破1.58亿千瓦,同比增长超过31%。
其中我国增长最快,维持了100%的增速,当年吊装完成1400万千瓦,比2008年增加了760万千瓦,同比增长120%;欧盟实现装机容量1056万千瓦,同比增长17%;美国净增长992万千瓦,同比增长了19%。
根据全球风能理事会的统计,截止到2010年12月,全球风电新增装机3580万千瓦,累计装机19440万千瓦,同比2009年(15870万千瓦)增长可22.5%。
2010年新增风电投资近473亿欧元(650亿美元)。
从风电发展的区域分布来看,2010年欧洲、亚洲、北美仍分居世界三甲,2010年底的装机容量分别达到了8756万千瓦、5828万千瓦和4699万千瓦[5]。
欧洲虽然仍居首位,但是与亚洲、北美的差距正在缩小,我国风电新增容量超过欧盟。
业内人士普遍估计,到2015年三大地区风电装机容量将基本持平。
从国别来看,我国已累计装机容量4478万千瓦稳居榜首,美国以4027万千瓦的装机容量位居第二,德国则以2736万千瓦的容量位居第三位,西班牙和印度位居第四和第五,累计装机容量分别为2030万千瓦和1297万千瓦。
进入前十名的还有法国(596万千瓦)、英国(586万千瓦)、意大利(579万千瓦)、加拿大(401万千瓦)和葡萄牙(383万千瓦)。
从发电量占本国的比例来看,丹麦仍居世界榜首,约占本国发电量的22%,西班牙以占据本国发电量13的比例位居第二,位居前五位的国家还有葡萄牙、爱尔兰和德国,占本国发电量的比例分别是12%,10%和8%。
风电发电超过1%的国家共有20个,美国以2%的比例,位居第12位。
我国风电装机容量虽然居世界第二,但是发电量占全国发电量的比例还很低,大约为0.8%,位居世界22位,比美国落后十个位次。
除了传统的风电大国之外,英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本以及东欧的波兰等国也开始加速发展风电。
2009年,风电累计装机超过300万千瓦的国家已经达到10个,2000年还只有5个。
风电已经成为世界范围内普遍接受的代替能源技术。
面对2009年世界风电逆势飞扬的新形势,世界风电普遍调高了2020年风电发展预期。
预计2020年全球风电装机容量将达到6亿千瓦,其中估计2020年我国风电装机容量打到1.5亿千瓦[6]。
1.2.1我国风力发电的发展情况
我国地域幅员辽阔,风能资源丰富。
对于风能的技术可开发量,根据中国气象科学研究院的保守估算数据,全国陆地上可开发利用的风能约2.53亿千瓦(依据地面以上10m高度风力资料计算),海上可开发利用的风能约7.5亿千瓦,共计约10亿千瓦[7]。
而根据国际研究机构的初步测算,不包括新疆、西藏等西部地区,我国风能密度在300W/㎡以上的陆地面积超过65万平方公里,可以安装风力发电机37亿千瓦;风能密度在400W/㎡以上的陆地面积超过28万平方公里可以安装14亿千瓦的风力发电装备。
如果考虑海上,我国风力发电的技术潜力可能超过20亿千瓦。
我国在20世纪60年代就开始研制有实用价值的新型风力机。
70年代以后,发展较快,在装机容量、制造水平及发展规模上都居于世界前列。
离网式小风电机组对解决边远地区农、牧、渔民基本生活用电发挥了重大作用。
全国累计生产各类小风电机组20多万台,总容量6万多千瓦,小风电机组的年产量、产值和保有量均列世界之首。
我国西部地区已有20多万户农牧民安装了小风电机组,为接近100万农牧民提供了电力,成为我国风力发电的一大特色。
发展风力发电有利于调整能源结构。
从长远看,我国常规能源资源人均拥有量相对较少,为保持经济和社会的可持续发展,按目前估计的技术可开发储量计算,风电年发电量可达几万亿千瓦时。
据推算,我国2020年需要10亿千瓦的发电装机,4万亿千瓦时的发电量,之后如果按照人均2千瓦,达到中等发达国家生活水平的基本要求,在2050年我国需要大约30亿千瓦的发电装机和12万亿千瓦时的发电量[8]。
庞大的装机和发电量需求,给风力发电的发展提供了广阔的空间。
我国政府提出的风电规划目标是到2020年风电装机达到1.5亿千瓦。
2020年之后的风电超过核电成为第三大主力发电电源,在2050年前后达到或超过4亿千瓦,超过水电,成为第二大主力发电电源。
1.2.3风电机组发展趋势
目前风电市场上和风电场中安装的风力发电机组,绝大多数是水平轴、三叶片、上风向、管式塔形式,其他形式的机组较少见到。
风电界整体上对机组技术的认识不再有大的分歧,开始集中力量向大型化、高质量和高效率方面发展,新的发展趋势表现在以下几个方面。
从定桨距(失速型)向变桨距机组发展。
风力发电机的失速功率调节方式和变桨距调节方式是目前大多数风力发电机组风能的收集和转换的主要功率调节方式。
采用失速功率调节方式的风力发电机组的叶片不能绕其轴线转动,功率调节通过叶片自身的失速特性实现。
这种方式有结构简单、故障概率底的优点,一度在风电机组中很受欢迎得到普遍采用[9]。
其缺点主要是风力发电机组的性能受叶片失速性能的限制,额定风速较高,在风速超过额定值时发电功率有所下降。
另一个缺点是叶片形状和结构复杂、重量大,引起风轮转动惯量大,在研制大型风力发电机组时更为突出。
从定转速向可变转速机组发展。
采用变速恒频技术的风力发电机组允许其风轮的转速是可变的,风轮转速可根据风电机组受风的风速进行调整,以最大限度地吸收风的能量,提高了风轮(特别是在低风速区)的转换效率。
可变恒频技术采用了双馈异步感应发电机技术可以使发电机始终工作在最佳工作状态,机电转换效率提高。
单机容量大型化发展趋势。
风电机组单机容量逐年增大的趋势愈来愈明显。
风力发电机组大型化、单机装机功率的提高,是所有风电机组研究、设计和制造商不断最求的目标。
最近几年,各种新型大型风电机组不断出现并得到迅速推广应用。
8MW、10MW的风电机组也已研制成功,即将投入商业应用[10]。
1.2.4海上风电场的兴起
尽管海上风电项目起步较晚,但越来越受到重视。
其原因在于,海上风电场的优势明显:
具有较高的风速;对环境的负面影响较少;风电机组距离海岸较远,视觉干扰很小;允许机组制造更为大型化,从而可以增加单位面积的总装机量;机组噪声排放的控制问题也不那样突出。
当然,与陆上风电场的建设相比,还上风电场的建设又面临新的问题,如风电机组的海上选用问题,海上风电场工程建设施工问题,海上风电场的电量送出问题和海上风电场的运行维护问题,这些问题都在不断探索和解决之中。
1.3研究设想及方法
本次设计要求是设计一个风力发电机组主控系统,主控制器为PLC,主要完成的功能有风车具有适应风向的功能、在风机转动超出设定角度值时,具有自动解缆功能、能对风力的大小进行监测,并根据需要采取相应的措施。
根据设计的要求,主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的偏航系统、齿轮箱系统、液压系统、温度控制等。
本设计从工业实用角度出发,研究基于PLC的风力发电控制系统。
这就要求既要掌握PLC相关知识和特定PLC的编程语言,也要有懂得一定的风力发电方面的知识[11]。
此外,还必须涉及硬件电路的设计,才能将PLC控制和风力发电电路成功连接。
1.4预期成果及意义
我国风电产业起步较晚,目前对变速风电机组的运行特性及规律缺乏深入研究,在控制系统的产业化项目中,缺乏最优的控制策略依据。
深入研究风电机组及风力机的运行特性和规律对于控制系统的分析与设计具有十分重要的指导意义。
本设计主要依据风力发电机组的控制目标和控制策略,由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大,使风力发电系统和电网的相互影响也越来越复杂,因此,对风力发电系统功率输出的稳定性提出了更高的要求。
控制系统对提高风力发电系统功率输出的稳定性有很大的作用,所以有必要对控制系统和控制过程进行分析。
控制系统利用西门子plc200通过对运行过程中输入信号的采集、传输、分析,来控制风电机组的转速和功率;如发生故障或其他异常情况能自动地检测并分析确定原因,自动调整排除故障或进入保护状态。
控制系统的主要任务就是自动控制风电机组运行,依据其特性自动检测故障并根据情况采取相应措施。
控制系统包括控制和监测两部分。
控制部分设置了手动和自动两种模式。
监
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