毕业设计论文_大型风力发电机组控制系统设计(2)

II Design of Control System for Large Scale Wind Turbine

ABSTRACT

Wind power is a clean, renewable energy source with great potential for development and business. Wind turbines are the main equipment that converts wind energy into electricity. Besides, it is an important part of wind power. And the control system is the most important, not only to ensure the normal operation of the unit, but also to realize the maximum conversion efficiency of wind power to electricity.

This paper, first starting with the basic structure and theory of wind turbine, researches as well as analyzes the wind energy principle and Bates Theory. On this basis, with 3 MW wind power generator as the research object, and based on Siemens S7-300 controller, the system overall design is well completed, including hardware design and software design. Hardware design includes the system overall design, hardware selection, yaw control, variable pitch control,temperature control function, and the system diagram and the drawing of the system design of each subsystem. Software design includes the overall design of the system and the design of the flow chart design and the trapezoidal design of the control of the plane, the change of the plasma, the temperature control. Aiming to guarantee the normal work of the wind turbine, by selecting the suitable control method, the system can be running more stably, which can effectively improve the utilization rate of wind.

Due to the uncertainty about wind power, and according to the control requirements of the system, the design of various subsystems of the unit is completed, mainly including the electrical principle diagram and the design flow chart drawing, yaw system, variable pitch control system, the design of the temperature control system, and carry on the analysis of system performance. Keywords: Wind turbine, yaw, pitch, temperature control, Siemens S7-300

III

目录

摘要 ................................................................................................................................................................................. I ABSTRACT .................................................................................................................................................................II 1 绪论 ............................................................................................................................................................................ 1

1.1 课题研究背景 .............................................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................................................... 2 1.3 课题研究意义 .............................................................................................................................................. 3 1.4 主要研究内容 .............................................................................................................................................. 3 2 风力发电基础知识 ................................................................................................................................................. 4

2.1 风能利用原理 .............................................................................................................................................. 4 2.2 贝茨理论 ....................................................................................................................................................... 4 2.3 风力发电机分类 ......................................................................................................................................... 5 2.4 风机组成部分介绍 ..................................................................................................................................... 6

2.4.1风轮及其组件................................................................................................................................... 7 2.4.2机舱及其组件................................................................................................................................... 7 2.4.3塔架部件............................................................................................................................................ 8 2.4.4控制系统............................................................................................................................................ 8 2.5 本章小结 ....................................................................................................................................................... 9 3 控制系统硬件设计 ............................................................................................................................................... 10

3.1 控制系统总体设计 ................................................................................................................................... 11

3.1.1 控制系统设计原则 ...................................................................................................................... 11 3.1.2 自动运行控制要求 ...................................................................................................................... 11 3.2 偏航控制系统设计 ................................................................................................................................... 12

3.2.1 偏航系统功能 ............................................................................................................................... 12 3.2.2 偏航控制子系统设计 .................................................................................................................. 13 3.2.3 偏航控制子系统图 ...................................................................................................................... 14 3.3 变桨距控制系统设计 .............................................................................................................................. 15

3.3.1 变桨距系统功能 ........................................................................................................................... 15 3.3.2 变桨距控制子系统设计 ............................................................................................................. 15 3.3.3 变桨距控制子系统图 .................................................................................................................. 16 3.4 温度系统设计 ............................................................................................................................................ 16

3.4.1 温度系统功能 ............................................................................................................................... 16 3.4.2 温控控制子系统设计 .................................................................................................................. 16

I V 3.4.3 温度控制子系统图 ...................................................................................................................... 17 3.5 本章小结 ..................................................................................................................................................... 19 4 控制系统软件设计 ............................................................................................................................................... 20

4.1 总体设计 ..................................................................................................................................................... 20 4.2 I/O地址分配与硬件选型 ........................................................................................................................ 21

4.2.1 I/O地址分配 ................................................................................................................................... 21 4.2.2 PLC的选型 ................................................................................................................................. 22 4.3 偏航控制系统 ............................................................................................................................................ 23 4.4 变桨距控制系统 ....................................................................................................................................... 30

4.4.1 捕获最大启动力矩控制 ............................................................................................................. 30 4.4.2 恒功率控制 .................................................................................................................................... 31 4.5 温度控制系统 ............................................................................................................................................ 32 4.6 本章小结 ..................................................................................................................................................... 35 5 结论 .......................................................................................................................................................................... 36 致谢 .............................................................................................................................................................................. 37 参考文献 ..................................................................................................................................................................... 38

大型风力发电机组控制系统设计

1 1绪论

1.1课题研究背景

能源与环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主的化石能源，它们不仅资源十分有限，而且会对大气污染造成严重的污染，引起温室效应，酸雨等灾害。从全球能源消耗来看，87%的能源消耗提供自常规能源化石燃料，6%的能源消耗提供自核电，其余的 7%提供自可再生能源（主要是水电和风力发电）。在我们进入 21 世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。

风能是一种清洁无污染、储量极为丰富的可再生能源，它和常规能源不同，是一种取之不尽、用之不竭的能源。据估算，全球可获得的风能约为 3 万亿千瓦，其中可利用的风能为 2 千亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大 10 倍。但是风能分布不集中，只适合开发小型风力发电。我国是世界上风能资源较为丰富的国家之一，据初步估算我国陆上离地面 10 米高度处的风能资源总储量为 32.26 亿千瓦，其中可开发利用量为 2.53 亿千瓦，近海区域离海面 10 米高度层的风能储量约为 7.5亿千瓦。因此从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。风力发电的优越性可归纳：

（a）风力发电是一种洁净的自然能源，其蕴藏量十分巨大。风能在转换成电能的过程中，不产生任何有害气体和物质，不会给大气造成任何污染。风电没有常规能源及核电对环境造成的污染问题。核电的放射性废料仍是一个较难解决的问题。

（b）风力发电技术不断进步，单机容量逐步增大，产品质量得到改善，其系统可靠率达到 98%以上，是一种安全可靠的能源。

（c）由于技术进步和产品批量增加，风力发电的经济性日益提高，风电成本持续下降，风力发电的成本已接近煤电，低于油电和核电。若考虑煤电的环境污染和交通安全等问题，风电的经济性优于煤电。

（d）风力发电场建设周期短,投资相对较少。单台风力发电机组安装仅需几个星期，可多台同时安装，互不干扰。建设一个风力发电场，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间；而煤电、核电的建设需要二至十年。

（e）风力发电占地面积少。塔筒与监控、变电建筑仅占风电场约 1%的土地，其余99%的场地可供农、林、牧使用。 由此可见，风力发电技术是十分有发展前景的，而且风力发电技术的发展已经受到世界各国政府的高度重视。进入 21 世纪以来，风力发电相关技术全面发展，其桨叶空气动力学、计算机技术、发电机组控制技术、发电机技术和新材料都有长足的发展，导致风力发电技术的发展极为迅速，单机容量已可以生产兆瓦级风电机组机组；功率控制方式

陕西科技大学毕业设计说明书 2 从定桨距失速控制向变桨距变速控制发展；运行可靠性从 20世纪 80 年代初的 50%提高到 98%以上；并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制；风电场发展空间更加广阔，已从内陆移到海上。

1.2 国内外研究现状

国内现状：

我国风电行业已经步入了快速发展的时期，风力发电技术逐渐更具规模化和有效化，现已采用新的叶片技术、新型发力风电机、新型电力电子技术等智能优化风力发电系统，提高了可靠性和恶劣环境下的安全性。

（a）对于巨型机而言，采用延长叶片会使运输和安装成本增加，因此分段式叶片技术应运而生，很好的解决了运输和安装问题，同时采用强化碳纤维增强叶片刚度，玻璃钢和热塑等混合纱丝制造叶片，缩短了叶片的生产时间。

（b）采用无刷交流双馈异步电机、开关磁阻发电机和高压发电机也降低了成本，提高了可靠性，便于设备维修及养护，新型风力发电机的研制仍然是当前的重要任务。

（c）新型大功率变化器的研究和应用势在必行，多电平变化器相对两电平变换器显著的降低了功率器件的开关损耗，大幅度的提高了转换效率，同时，新型储能技术也日益受到了人们的关注，起到了维持电网频率稳定的作用。

（d）随着风电规模的扩大，对电网的影响逐渐加深，为了不影响电力系统的稳定性，就要求风电发电机组不脱网运行，在故障切除后尽快帮助电力系统恢复运行，即低压穿越，很多国家都在致力于研究此项，我国在 2011年已自主研制出直驱永磁机组成功通过了低压穿越测试，后续还需继续完善。

截止 2015 年，我国六大区域的风电新增装机容量均保持增长态势，西北地区依旧是新增装机容量最多的地区，超过 11GW，占总装机容量的 38%；其他地区均在10GW 以下，所占比例分别为华北地区 （20%）、西南（14%）、华东（13%）、中南（9%）、东北（6%）。与 2014 年相比，西南地区同比增长幅度最大为 91%，其次为中南地区同比增长为 37%，东北地区同比增长 35%，西北同比增长27%，华北地区和华东地区同比增长分别为 22%和 20%。2015 年，我国各省（区、市）风电新增装机容量较多的省份为新疆、内蒙古、云南、宁夏和甘肃，占全国新增装机容量的 53.3%。2015 年，我国各省（区、市）风电累计装机容量较多的省份分别为内蒙古、新疆、甘肃、河北、山东，占全国累计装机容量的 51.7%。

国外现状：

在 20 世纪 70 年代，以美国为主的西方国家发生石油危机波及全球范围后，许多国家开始寻求代替化石燃料的新能源，在研究风力发电这一领域上，投入了相当多的人力和物力，结合空气动力学理论，运用新型材料，电机，可编程控制器，计算机技术，通信技术，自动化控制等最新开发成果，研发新一代的风力发电机组，充分利用丰富的风能资源，开创了一个绿色风能时代。

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