大型风力发电机组偏航控制系统设计.doc

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1、LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题 目 大型风力发电机组偏航控制系统设计 学生姓名 学 号 11230641 专业班级 电气六班 指导教师 王 晓 兰 学 院 电信学院 答辩日期 摘 要风能是绿色能源。我国在风力发电上的投入和研究也正进入一个快速发展的时期。偏航控制一直未能取得有效的发展。针对这方面的问题，本论文展开了相应的设计。在设计过程主控制器选用了ABB的软PLC，文中对其硬件模块的组态和编程环境Control Builder Plus以及现场通讯协议Modbus-DP做了详细介绍和设计说明。偏航电机的控制选用了ACS355变频器实现了变频调速，在

2、恶劣环境下减小了偏航系统的振动。运用Control Builder Plus编程软件对偏航系统的四个部分：自动偏航、自动解缆、自动润滑、人工偏航的程序进行了编写。最后，在个人计算机进行了编译、下载和运行，在联机模式下，通过CP405实时可视化的画面对各种状态进行了模拟运行，该偏航系统在各种状态下呈现出很好的控制效果。关键词: 风力发电；偏航控制系统；ABB；ACS355 ；CP405Abstract Wind energy is a green energy. Wind power will fleetly develop in China,too. the technology for ya

3、w system wasnt still developed for a long time.Therefore,aim at this subject,related research and design will be reported in this thesis.Master controller used the ABB soft PLC in the design process, Paper, the hardware modules to their configuration and programming environment Control Builder Plus

4、and MODBUS-DP communication protocol site a detailed description and design specification. Electric motor control yaw selected ACS355 frequency converter frequency control in harsh environments reduces the yaw system vibration. Control Builder Plus programming software using the four parts of the ya

5、w system: automatic yaw, automatic Cable release ,automatic lubrication, artificial yaw program was written. Finally, in the personal computer to compile, download and run, in online mode, real-time visualization by Control Builder Plus picture of the various state simulation run, the yaw system in

6、various states shows good control effect.Key words: Wind Power Generation; Yaw Control System; ABB;ACS355目录第一章 绪论11.1 设计背景11.2 设计内容及思路31.3 预期成果及意义3第二章 系统整体方案设计52.1 系统工作原理52.2 系统工艺流程62.2.1控制模式介绍62.2.2控制各部分介绍72.3 系统总体设计方案8第三章 控制系统硬件设计113.1 PLC概述及选型113.1.1 PLC的发展历程113.1.2 PLC的工作原理113.1.3 PLC系统选型123.1.4

7、 控制系统的I/O通道地址分配143.2 扩展模块选型143.2.1 模拟量输入输出模块AX561143.2.2 数字量输入输出模块DX561173.3 变频器选型203.4 传感器选型223.4.1 温度传感器223.4.2 风速风向传感器233.4.3解缆传感器253.4.4 压力传感器选型263.4.5 液位传感器选型263.5低压电器选型263.5.1 接触器选型263.5.2 断路器选型273.5.3 熔断器选型273.5.4 主令电器选型273.5.5 信号电器选型28第四章 控制系统软件设计294.1主程序流程图294.2自动偏航程序流程图304.3温度检测程序流程图304.4人

8、工偏航程序流程图314.5自动偏航解缆程序流程图324.6风速测量子程序流程图334.7风向角测量子程序流程图344.8程序调试364.8.1模拟信号输入部分程序调试364.8.2风速判断部分程序调试364.8.3风向角判断部分程序调试374.8.4扭缆部分程序调试384.8.5电机测速部分程序调试384.8.6变频器部分程序调试39第五章 人机界面设计405.1触摸屏CP405简介405.2画面设置405.3标签名称及地址分配43参考文献45致谢46附录：外文资料翻译47第一章 绪论1.1 设计背景 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。煤炭

9、等不可再生能源的迅速枯竭，致使我们不得不找到有效的取之不尽、用之不竭、与人类共存的替代能源。可再生能源就是这样的能源。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。风能是一种干净的可再生能源。太阳辐射对地球表面的不均匀性加热是风的主要成因。空气从高气压区向低气压区流动就产生了风。地球自转、公转的影响和地形、地貌的差异，加剧了空气流量和流向的变化，造成风速和风向的变化。地球上大约有2%的太阳能被转化成风能。风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。风力发电的优越性可归纳为五点:(1)

10、风力发电是一种洁净的自然能源。风能在转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有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。(2)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，可用率达到98%以上，是一种安全可靠的能源。(3)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。从表1.1可以看出，风力发电的成本己接近煤电，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。(4)风力发电场建设周期短。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，

11、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。(5)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，风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展受到世界各国政府的高度重视。自从20世纪80年代现代并网风力发电机组问世以来，随着桨叶空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入风电场的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展;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

12、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。风电的迅猛发展已经形成了规模巨大的产业，因此它还可带动一批相关产业和产品的发展，对促进国民经济的发展具有重要的意义。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

13、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。风力发电机组结构如图1.1。图1.1

14、风力发电机组结构图1.2 设计内容及思路 本次设计要求是设计一个风力发电机组偏航控制系统，主控制器为ABB-PLC，主要完成的功能有风车具有手动和自动偏航能力，实时风速检测，并根据风速大小采取相应的措施，在风速超出允许值时，实行自动避风保护，具有自动解缆功能、能对风机运行条件进行监测，如温度检测等，并可通过人机界面对风机运行进行相应操作和监控等。（a）主要设计内容能满足测量要求的系统实现方案风向测量装置风速测量装置偏航驱动装置解缆、扭揽、失速保护装置报警装置触摸屏完成系统上位控制系统元器件参数计算及选型择软硬件调试满足监控和操作的人机界面（b）设计思路控制系统利用ABB-PM556型PLC通过

15、对运行过程中输入信号的采集、传输、分析，来控制风力发电机组的转速，以求达到功率最优的目的；如果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。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。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数。控制系统将风向通过风向传感器转换成0-24V电压信号，同时将风速信号通过风速传感器转换成4-20mA电流，送入PLC中，经过运算完成对实时信号的采集。软件程序主要完成比较和控制指令下达：当风速大于3m/s时，将风力机组切入；当风速大于25m/s，且持续时间超过10分钟时将风力机组切出；当风速大于3

16、0m/s时，且持续时间超过3秒钟时将风力机组切出；风力发电机组额定风速10.5m/s。而风向的测量信号能够决定风力机组叶片的偏转方向。1.3 预期成果及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ABB-PM556型PLC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

17、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。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制器的触摸屏上可以查询。现场数据可通过网络或电信系统送到风电场中央控制室的电脑系统。根据风电机组的结构和载荷状况、风况、变桨变色特点及其他外部条件，将风电机组的运行情况主要分为以下几类：待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式、人工停机方式和紧急停机方式、维护状态。第二章 系统整体方案设计2.1 系统工

18、作原理本设计针对的风力发电机机型是变速恒频双馈风力发电机，其控制系统结构示意图如图2.1所示。图2.1 结构示意图变速恒频双馈风力发电机一般由叶片、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、变桨距装置、塔架和控制系统等主要部分所组成。叶片：风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片(目前大型商用风电机组一般为23个)装在轮毂上组成。低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机12。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向标测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动

19、，使机舱始终对风。轮毂是风轮的枢纽，是叶片根部与主轴的连接部分，也是控制叶片变桨距的所在。 增速齿轮箱：齿轮箱连接低速轴和高速轴的变速装置，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的100倍。发电机：风力发电机将机械能转化为电能。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：风力发电机需要在波动的机械能条件下运转。通常使用的风力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。偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子叶片调整风向的最佳切入角度。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来探知风向。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。变浆距装置：变浆距是指安装在轮毂上

20、的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。塔架：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（与海上石油钻井台原理相同）。控

21、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控制要求，对机组的安全可靠性具有十分重要的意义。 2.2 系统工艺流程2.2.1控制模式介绍风力机控制模式主要有：初始化、待机、启动、运行、发电、停机、维护、几种模式间的转换、停机条件、维护条件。初始化：叶片角度设定值为0，变化范围-5+5。待机：风机经过初始化完成，延时20s后；手动偏航系统激活；允许进行偏航解缆； 允许进

22、行故障复位。启动：允许条件满足，按下启动按钮后，风机由待机模式转换到启动模式；进入启动模式时，控制程序对下列参数进行实时检测： 风速大小，风向角偏差，温度条件，扭缆角度等。运行：当风速小于3m/s时，风机不启动；当风速大于3m/s时，将风力机组切入；当风速大于25m/s，且持续时间超过10分钟时将风力机组切出；当风速大于30m/s时，且持续时间超过3秒钟时将风力机组切出； 发电：满足运行条件时 ，风机由运行模式转换到发电模式。进入发电模式时，风机以额定转速输出功率，通过PID控制将风力发电机组额定转速控制在风速为10.5m/s时转速；变频器启动；自动偏航系统激活：自动解缆系统激活。停机：风机处

23、于启动、运行或发电模式，当系统发出停机信号，或在维护模式下将维护开关关闭，风机转换到停机模式。顺桨速度限值根据触发停机的故障级别不同，分为三种情况限制： 当系统存在一级故障时，风机正常停机。 当系统存在二级故障时，风机快速停机。 当系统存在三级故障（即安全链故障）时，风机紧急停机。风机进入停机模式后，35s内转速未降到10rpm以下或90s内转速未降到4rpm以下，系统将触发“停机程序出现故障”信号。 紧急停机时，转速 80；高速轴温(叶轮、发电机侧)90。维护条件：维护开关动作。2.2.2控制各部分介绍 1、齿轮箱及冷却系统基本控制原理油温50，水泵启动，直到60，水空风扇启动,直到60或轴

24、温70，空冷风扇（高速）启动，直到油温50或轴温80，风机进入正常停机模式；高速轴温(叶轮、发电机侧)90，风机为正常停机模式。 2、发电机基本控制原理发电机绕组温度80，空冷风扇启动，直到70，空冷风扇停止；发电机绕组温度机舱温度且机舱温度10或发电机绕组温度机舱温度10分钟后停止加热； 3、液压站系统压力低于145bar启泵，高于160bar停泵。偏航解缆和迎风分别对应的阀置位，系统压力P4为150bar左右，偏航压力P1维持在25bar左右。系统进入停机模式并且为紧急停机模式（故障等级三安全链动作），保证叶轮速度降为小于5rpm，抱闸动作；油位开关：常开触点，达到指定高度开关闭合，数字量

25、输入高电平。油温开关：常闭触点，未达到警戒温度70度时，输入高电平。4、偏航系统自动偏航：用风向的测量信号决定风力机组叶片的偏航方向：当风向角偏差在-5+5时，偏航电机不动作；当风向角偏差5且15且180且345且2.5mA输入电压+30V100k，电流：大约250输入滤波器时间常数电压：300s，电流：300s，端口定义及地址分配如表3.7所示。表3.7 模拟量输入输出信号代码和地址编号表序号功能信号序号功能信号%IW2温度传感器1输入%IW8扭缆传感器1输入%IW3温度传感器2输入%IW9位置传感器2输入%IW4温度传感器3输入%IW10风向传感器1输入%IW5温度传感器4输入%IW11风

26、向传感器2输入%IW6温度传感器5输入%IW12风速传感器1输入%IW7温度传感器6输入%IW13压力传感器输入3.2.2 数字量输入输出模块DX561DX561模块用于对数字量量输入输出：数字量输入：8路（24V DC）输入I0-I7，可用作源型输入或漏型输入数字量输出：8路（晶体管输出24V DC，最大0.5A）输出O0-O7LED：用于显示信号状态内部电源：通过I/O总线提供外接电源：通过端子ZP和UP（工作电压24V DC）输入组与输出组之间电气隔离，模块的其他电子线路与输入电气隔离图3.4 DX561组件外形图数字量输入接线图: 共阳极电气连接如图3.5;共阴极电气连接如图3.6图3

27、.5 DX561组件信号输入共阳极电气连接图图3.6 DX561组件信号输入共阳极电气连接图技术数据工作电压UP连接端子19是L+（+24V DC），端子20是M（0V）额定值24V DC通过L+端子的电流损耗5mA+ 每个输出最大0.5A最大波动5%电压反向保护有保护电气隔离无隔离电压波动（最大）35V DC 持续0.5s模块最大功率损耗2.3W冷却自然对流冷却数字量输出技术参数每个模块的通道数量8个晶体管输出（24V DC，最大0.5A）通道的分组1组，分8个通道通道连接O0-O7端子11至18通道O0-O5的参考点位端子20公用电源电压端子19操作方式非锁存型信号1的最大输出电压最大电流损耗时20V DC输出继电器0至150s1至0200s照明负载（最大）5W信号0的最大电流峰值0.5mA端口定义及地址分配见表3.3。表3.3 DX561输出信号定