基于西门子S7-200PLC的风力发电机控制系统设计

基于西门子S7-200PLC的风力发电机控制系统设计

摘要

随着化石能源的开采耗尽，开发可持续的可再生能源刻不容缓，而无穷无尽的风能具有大规模开发和商业发展前景。风力发电机是风能转化为电能的重要部分，而风力发电机的控制系统是风力发电的核心，它不仅保证风力发电机的正常运行，还实现了风能与电能的最大转换效率。本文从风力发电机的基本结构和理论入手，通过研究风力发电机的特点，得到风力发电机在不同风况下的最大转换效率，为控制系统设计提供参考。再对交流励磁电源和双馈异步发电机运行特性进行分析。在这基础上，进行控制系统设计，确定用西门子S7-200控制器，对控制系统各个细节进行设计。最后，基于组态王软件进行监控系统的设计。

结果表明：当风机正常启动后，控制系统能根据不同风速，进行偏航调节、桨距调节和励磁频率调节。当风速低于风机运行额定的风速时，则通过减小桨距，增大励磁频率，使风机达到额定转速；当风速处于风机额定风速时，通过调节桨距和励磁频率，使风力发电机转化效率达到最大；当风速过大时，系统进行恒转速调节，以限制风能的转换，来保证风电机组的的安全运行。本论文的工作为风力发电机控制系统的设计奠定了良好的基础，并提供技术积累。

关键词：风力发电机；自动控制；西门子S7-200；组态王

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 风力发电的概述 2

1.2.1 我国风力发电发展现状 2

1.2.2 国外风力发电发展现状 3

1.3 风力发电机控制系统的研究 4

1.3.1 双馈异步风力发电机控制系统 4

1.3.2 永磁同步风力发电机控制系统 5

1.3.3 双馈异步风力发电机控制系统与永磁同步风力发电机控制系统的比较 6

1.4 本课题主要研究内容 6

第2章风力发电机及其控制方法 8

2.1 风力发电机的分类 8

2.2 风力发电机的基本原理 8

2.2.1 双馈异步风力发电机组结构 8

2.2.2 双馈异步风力发电机控制系统的组成 9

2.2.3 风力发电机的工作特性 10

2.3 交流励磁电源选择 12

2.4 双馈异步风力发电机运行特性 12

2.5 本章小结 13

第3章风力发电机控制系统硬件结构设计 14

3.1 控制系统总体设计 14

3.2 控制器选型 15

3.2.1 西门子S7-200简介 15

3.2.2 设计要求 15

3.2.3 控制系统I/O通道地址分配 16

3.2.4 控制系统选型 17

3.3 调速控制系统结构设计 18

3.4 偏航控制系统结构设计 18

3.4.1 偏航系统控制要求 19

3.4.2 偏航系统设计 19

3.5 桨距控制系统结构设计 20

3.6 本章小结 21

第4章控制系统软件部分及监控系统设计 22

4.1 程序流程图设计 22

4.1.1 启停控制流程图 22

4.1.2 调速系统流程图 23

4.1.3 偏航系统流程图 23

4.1.4 桨距调节系统控制流程图 24

4.2 控制系统程序设计 24

4.3 亚控组态王软件简介 24

4.4 监控系统设计 25

4.5 本章小节 26

结论 27

致谢 28

参考文献 29

附录1 30

附录2 33

第1章绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.1.1 研究背景

随着化石能源的开采耗尽，开发可持续的可再生能源早已迫不及待。对取之不尽用之不竭的风能来说确实是不错之选，风力发电具有良好的规模开发和商业发展前景和潜力。风电机组由于其随机性和不确定性，是一个非线性复杂系统。因此，风力发电机组的控制技术在其运行过程中占据了重要的地位。近年来，采用变速恒频的双馈异步风力发电机已经成为主流。在风力发电机系统中，控制系统是其正常运行的核心，与其他部位密切相关，直接影响到风力发电机组运行的安全与效率。因此，研究风力发电机的控制系统对降低风力发电机的制造成本、提高风能的利用率有着深远意义。

能源对人类的发展有巨大影响，尤其是化石材料。然而，随着能源需求的急剧增长，对环境也产生了非常深大的危害。因此，提高能源的生产和利用的效率，密切关注它们与气候和自然环境的关系极其重要。传统发电厂使用的燃料大多是煤。当然，现在核电发展很快，但发电的主要方式依然是火力发电，核电的潜在污染也很大[1]。1986年的切尔诺贝利核事故造成了永久性的灾难，日本地震造成的核灾难给人民造成了巨大的损失。然而，火力发电燃烧大量的煤炭资源却日益枯竭。因此，开发替代可再生资源已成为未来的研究方向。可再生能源主要是指利用非常规能源为目前的住宅、公用事业、商业和工业目的发电，以及为现有车辆提供燃料。风能作为一种绿色无污染的新能源，越来越受到人们的重视，可以说用之不竭[2]。与传统能源相比，风力发电具有很大的优势。它不使用有害的排放物和废物，也不消耗自然资源，更不用说像化石燃料那样破坏环境。

1.1.2 研究意义

风力发电机的控制系统是其机组安全运行的重要组成部分。一个良好的控制系统不仅仅是保证机组的正常运行，而且要尽可能地降低损耗，将风能转化为电能，然后通过调频转换，将其输送到电网供千家万户使用。随着信息技术的发展和越来越完善的控制技术应用到风力发电领域，从单一的恒节距失速控制，到变桨距和变速恒频控制方向发展。以稳定、灵敏的PLC为控制器核心，设计了整个系统，其框架形式简单，各领域的共性好，工艺程序方便，抗干扰性能优越，运行稳定可靠，维护工作简单方便。通过组态软件监控系统，直接反馈作业现场的实时信息，为故障的排除提供了方便。更可靠的先进控制算法可以大大增加风电的使用，降低风力发电成本有着非常深远的影响。

结论

本设计是采用西门子S7-200进行设计，实现风力发电机控制系统的硬件和软件的设计，实现对各系统元件的电气控制。其中设计包含电机转速调节、偏航调节、偏航极限解缆、桨距角调节、大风停机、机舱温度调节等，其功能基本达到设计要求。具体结论如下：

（1）通过风向仪和位置传感器确定风向和机舱位置，由控制器进行判断调整偏航位置，让风机一直处于迎风状态；

（2）当风机偏航达到极限时，控制器接收到位置传感器信号，进行偏航极限解缆，保证风机运行安全；

（3）通过风速仪，将信号传到控制器，并且接收功率检测器反馈的信号，根据不同信号，对风机叶片桨距进行调节，使风机达到最优工作状态。

（4）当温度检测仪检测到温度过高时，冷风机开启进行工作，温度超过安全工作状态时，风机进行停机保护，并一直开启冷风机进行降温。

（5）当风速超过25m/s时，风机进行停机，且桨距角调到90°进行保护，保证风机的安全。

（6）运用组态王，获得监控实时数据，遇到紧急情况时能控制风力发电机运行。

风机发动机的应用前景还是非常广阔的，控制系统的完善优化，不仅仅保障风力发电机的安全运行，还能不断提高风能的利用率，降低风力发电机的制造成本。在风机叶片方面，希望研究者们可以攻破难题，降低叶片自身阻力，提高风能吸收率，为风电事业做出更多的贡献。

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