毕业设计论文_大型风力发电机组控制系统设计

毕 业 设 计

题目：

大型风力发电机组控制系统设计

学 生： 学 号：

学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师：

2017年06月18日

毕业设计任务书

电气与信息工程学院 电气工程及自动化 专业 133 班级学生 题目：大型风力发电机组控制系统设计

完成期限：从 2017 年 02 月 27 日起到 2017 年 06 月 18 日 课题的意义及培养目标：

随着环保问题的日益突出，能源供应的渐趋紧张，风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式，已越来越受到世界各国人民的欢迎和重视。同时，风力发电又是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。因此，近几年来，我国的风力发电事业得到了很快的发展。本课题以目前风力发电系统中较普遍使用的3MW风力发电机为研究对象，以西门子S7-300PLC为核心，同温度传感器、位移传感器、同步电机等设备一起设计一套同步风力发电机的主控系统，实现各种保护，运行等控制要求。最后，再通过实践验证其可行性。经过本系统的设计实践，使学生可以很好的与目前的先进工程实践接轨。使所学的专业课及专业基础课的知识由理论转向实践，使所学的文化知识得到较好的实际应用

和验证提升学生进入社会适应工程工作环境的能力。 设计所需收集的原始数据与资料：

所需的资料、参考书籍如下： 1、电机及拖动基础（主要是同步发电机部分），电力拖动自动控制系统，电器控制及PLC等技术书籍。

2、STEP7软件。 3、S7-300PLC编程手册。 4、AUTOCAD绘图软件。

课题的主要任务（需附有技术指标要求）：

1、熟悉同步风力发电机的原理。

2、在掌握软件编程及控制工艺的基础上，设计风力发电机控制系统。

3、硬件程序设计 。 4、软件程序设计。

设计进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）： 周次 1 2-3 4-7 8-11 12-13 14-15

学生：

指导教师： 教研室主任：

设计任务及要求 复习电器控制及PLC等课程学习的知识并学习风力发电技术等知识； 毕业实习； 整理资料，学习西门子STEP7编程软件的使用； 应用 AUTOCAD绘制控制系统原理图，在此基础上，熟悉西门子系列指令并编写PLC程序； 实际论证所做设计的合理性并作设计说明书前期整理工作； 设计说明书定稿，印制，做答辩准备。

I

大型风力发电机组控制系统设计

摘要

风能是一种清洁、可再生的能源，具有巨大的开发潜力和商业活力。风力发电机组是将风能转化为电能的主要设备，它是风力发电的重要组成部分。而控制系统又是重中之重，不仅要保证机组的正常运行，还要实现风能到电能的最大转换效率。

本文先从风力发电机组的基本结构和理论入手，对风能利用原理、贝茨理论进行了研究和分析，在此基础上，以3MW风力发电机为研究对象，基于西门子 S7-300控制器完成系统的整体设计，包括硬件设计和软件设计。硬件设计包括系统的总体设计，硬件选型，偏航控制、变浆距控制、温度控制的功能，以及各个子系统的系统设计和系统图的绘制。软件设计包括系统的总体设计和偏航控制、变浆距控制、温度控制的流程图设计和梯形图设计。旨在保证风力发电机正常工作，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。

针对风能具有不确定性的特点，根据系统的控制要求，完成对机组的各个子系统的设计工作。主要内容包括电气原理图和设计流程图的绘制，偏航系统、变桨距控制系统、温度控制系统的设计，并进行系统性能分析。

关键词：风电机组，偏航，变桨距，温度控制，西门子 S7-300

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。

陕西科技大学毕业设计说明书 8 用，静负载和动负载，机舱罩材料应具高强度高硬度，表面光滑,均匀厚度，无层件剥离等特点。其中包含齿轮箱、发电机等主要部件。机舱的左边是风力发电转子，叶片与风轮轴。

风力发电机的传动机构包含增速器、主轴、齿轮箱、发电机和联轴器等，它是用于传递机械能，并且将机械能转化为电能的装置。一般情况下，风轮转速低于发电机的转子所必须的转速，增速器要给风轮转动加速。联轴器与制动器往往设计在一起。

发电机是将传动轴传给的机械能转化为电能的装备。一般选用直流发电机、永磁发电机、同步交流发电机、异步交流发电机等作为风电专用发电机。

风力发电机上的发电机与普通电网上的发电设备相比，有所不同：风电机发电机需要在波动的机械能条件下运转。通常使用的风电机发电机是感应电机或异步发电机，有的也使用永磁同步发电机。

齿轮箱也是风电发电机组的关键部件之一，它的作用是在风电机工作在低转速，而发电机在高转速下运作时，使两者实现工作的匹配。叶片产生的转矩通过齿轮的传动递给发电机。齿轮箱结构复杂，在机舱内安装空间小，由于外界工作环境恶劣，常有强风冲击，维修检查显得十分困难，所以齿轮箱材料和可靠性要求比较高。齿轮箱按照传动的方式可以分为：展开式，分流式，同轴式和混合式。

偏航系统也称作对风装置，被安装在机舱座内。它的作用是调控叶片随着风向变化而变化，快速平稳地对准风向，以便风机获得最大的风能，当机舱内引出电缆发生缠绕时，它会自动解缆。 2.4.3塔架部件

塔架的功能是支撑位于空中的机舱、轮片等风力发电主要器件，一般要求高度达到六十米以上，且塔架与地基相连接处要求牢固，能够承受强大的风力冲击以及有风力发电系统运行引起的不同载荷，将这些载荷接地消除，使得整个系统能够平稳安全地运行下去。

风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。600 千瓦风电机的塔高为 40 至 60 米，5 兆瓦级别的塔高则超过 100 米。

根据底座的不同，支撑塔可以为管状，也可以是格子状。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它重量轻，技术相对成熟。

塔架内部配置线缆还必须将发电机运作得到的电能输送至蓄电池或者变压器传输至电网。塔架内部空间大，必须配有爬梯与安全导轨，备以工作人员操作、维护。塔架的几种基本形式：单管拉线式，衍架拉线式，衍架式和锥筒式。 2.4.4控制系统

控制系统是整个风力发电机组的核心部分，它关系到系统中每一个部件的动作和状态。通常使用 PLC，或者 DSP 微机处理器作为控制器件，它们功能强大，能够应付恶劣的工作环境，所以受到广泛应用。控制系统的功能主要有对运行过程的模拟量和数字量进行采集、传递、分

大型风力发电机组控制系统设计

9 析、运算，从而做出命令控制风电机组的运行，使得功率输出稳定，转速在合理的范围内，若出现故障或者遇到异常情况可以快速准确地检测到并且分析原因，做出相应的保护措施或停机。控制系统通常由各种传感器，微机处理器，编程控制器，软件系统和执行机构组成。图2-2 为风力发电机组控制系统示意图。

用户界面输入用户指令显示运行状态无功补偿根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容主控制器偏航控制根据风速自动对风自动解除电缆缠绕控制各模块的启动停止系统运行状态检测外界环境检测电网运行状态检测温度控制温度检测变桨距控制高于额定功率时功率控制低于额定控制时转速控制液压系统刹车机构压力保持变浆机构压力保持制动系统机械刹车机构气动刹车机构 图2-2 风力发电机组控制系统

控制系统是风力发电机组的“大脑”，由它自动完成风力发电机组的所有工作过程，并提供人机接口和远方监控的接口。控制系统的性能优劣对风机运行的效率和使用寿命有至关重要的影响。其控制软件根据风力发电基础理论研究成果和机组实际运营过程中的数据，能够准确的实现风力发电机组的特殊制要求，对机组的安全可靠性具有十分重要的意义。

风力发电控制系统由偏航控制系统，变桨距控制系统，液压系统，传动系统以及温控系统组成。风力发电控制系统根据这些子控制系统所输出的信号，分析这些信号，了解风电机组的运行状态，采取相应的控制措施。风力发电控制系统的控制目标是：使风电机组获取能量最大化，使风电系统运行稳定，保护风电机组的安全运行。

2.5 本章小结

本章主要介绍了风能利用和风力发电机组的四个主要组成部分：风轮及其组件、机舱及其组件、塔架部件和控制系统，详细介绍了它们的构造和功能。最后还介绍了相关的控制系统。

陕西科技大学毕业设计说明书 0 13 控制系统硬件设计

控制系统的控制目标是：使风电机组获取能量最大化，使风电系统运行稳定，保护风电机组的安全运行。

系统总框图如图3-1 和图3-2 所示：

图3-1 系统总框图1

图3-2 系统总框图2

大型风力发电机组控制系统设计

11 3.1控制系统总体设计

机组的控制系统是保证机组正常运行的核心，要求其能够对运行过程中发出的控制要求实现精确的控制，一个安全、符合要求的控制系统是机组能够可靠运行的保证。控制系统功能图如图3-3 所示。

风力发电系统的状态检测状态监测及风机控制界面风机流程控制模块振动分析及故障预测模块变桨控制模块液压控制模块温度分析及故障预测模块温度控制模块偏航控制模块报警模块 图3-3 控制系统功能图

3.1.1控制系统设计原则

由于风力发电机有他自身的特点，现场操作与维护上的不方便，因此要求所设计的控制系统应具备安全性、可靠性、高效性。

具体要求如下：

（a）冗余技术：由于风电场有自身的特点，以及系统维护的困难性，这就要求风力机具有更高的可靠性。因此，机组的控制系统在设计上应采用冗余技术。比如通信线路、传感器、执行机构等，都应设计备用方案，以备不时之需。

（b）监控系统：要求配备传感器，在系统运行时，对机组的各个部分进行实时监测。 （c）智能化：通过大量传感器的应用和现代化技术的实时监测和在线诊断技术，使得控制器可以很快、准确的根据机组的状态做出动作。这在降低故障发生概率的同时提高了机组的可靠性。对机组进行全面的维护策略设计和各种保护设计。 3.1.2自动运行控制要求 （1）风机全自动启动

陕西科技大学毕业设计说明书 2 1当检测到风速大于启动风速并且维持一段时间后，系统开始工作，风力机组慢慢启动，对各系统开始进行检测，保证风机稳步运行，在运行过程中叶片上的升力和阻力与桨距角之间呈非线性关系，这时要求设计升力程序，使风机随着桨距角的减小，风力发电机的升力始终大于阻力，保证风力发电机转速到达额定转速附近。 （2）偏航控制

当机组运行时，机组自动进行对风控制，使风机自动正对风向。根据系统的控制要求，使得风机的风向角与风机偏航角之间的角度差保持在 5°范围内。当风机旋转超过 3 圈的时候，要使机组自动解缆。 （3）桨距控制

当风力发电机组开始运行时，打开风机刹车开关，调节桨距角使叶片的升力和阻力比值最大。当风速过大时，设计功率控制算法，要求风机能够自动调节桨距角进行桨距控制，减少风机吸收的功率，保证机组的安全、稳定运行。 （4）转速控制

当机组检测到风速低于额定风速时，对风力发电机组的发电机的转速进行控制，实行最大风能追踪，以获得最大的能量。要求设计转速控制算法，使风机能够最大的从风中获取能量，维持最大风能利用系数。 （5） 并网控制

当风机启动时，系统对风机的发电机转速进行检测，当转速传感器检测到发电机转速达到同步转速 1500rpm 附近时，机组闭合并网开关，风机开始发电。 （6） 运行状态监测

在风力发电机的整个运行过程中，为了系统的安全，要求对机组的各个部分进行监测，包括电力参数、风力参数、机组状态参等，保证机组的稳定运行，在监测到风力发电机组出现风速低于启动风速、刹车故障、并网故障等异常运行状态时执行停机操作。 （7）停机

当发出停机信号后，机组进行停机操作，自动控制桨距角到 90°，使风机逐渐减速，当机组检测到功率为 0 后，打开机组并网开关，将风机切出电网，并对机组发出刹车信号，使风力发电机组平稳停车。

3.2偏航控制系统设计

3.2.1偏航系统功能

偏航系统根据风向标采集风向信号，确定风向。根据测得的风向信息驱动偏航马达，从而改变机舱方向。为防止机舱因为对风偏航，朝同一方向偏转多圈而导致连接机舱和塔下控制设备的电缆扭断，偏航系统根据扭缆传感器和偏航编码器所提供的信息，在必要时进行展开电缆，解缆控制。

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