基于plc的风力发电控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于plc的风力发电控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

吸收 的 部分太阳能 ，太阳到达地球辐射的 20%会转变成风能。 人类对于风能利用的历史久远，可以追溯到公元 10 世纪，波斯就出现了种水平转动 的风磨，即为以风车为动力的磨坊。 公元 12 世纪时，欧洲开始使用风车来抽水，碾磨谷物， 海航中利用风帆来推进船只前进等。 此后，风车和风帆一直是人们主要的动力机械。 到 19 世纪中叶蒸汽机出现之后，以风能为主能源的应用才逐渐减少。 中国开始利用风车作为动力大约在 13 世纪中叶。 现在 人们 所说的风能利用主要是指风力发电。 最早的风车是由一位名叫阿布罗拉的古波斯奴隶发明的 [1]，它就是一种简单的风力发电机。 在此后的时代中，这种风能的技术从中东传入欧洲，荷兰人利用风车进行排水，与海争地，在低洼的海滩上建设强大的国家。 19 世纪丹麦人 首先研制出了风力发电机，在 1891 年丹麦建成世界上 第一座风力发电站。 此后在 20 世纪，风力发电蓬勃发展。 21 世纪开始，风能成为世界能源供应的支柱之一。 风能是种取之不尽、用之不竭的可再生能源之一。 它的特点是生产运用过程安全清洁，成本花费较低，来源不受限制。 风能也是种最具商业潜力，最具发展活力的绿色能源，运用于发电这一领域有很大的运用空间。 风力发电具有装机容量增长快，成本下降快，安全环保等优势。 风力发电在为社会发展和经济增长提供稳定可靠的电力供应的同时，可以有效地缓解空气污染、水体污染和温室效应问题。 在各类新能 源开发利用中，风力发电技术相对 于 其他能源开发是 比较 成熟的，并且具有大规模场地开发和商业经济开发的条件。 风力发电可以完全避免像石油、煤炭等化石燃料发电所产生的大量污染物和二氧化碳排放。 大规模推广风力发电不仅在节能减排工作上做出了积极的贡献，而且这种能源开发方式的理念在社会和人群中得到广泛的支持。 在全球能源危机和环境日益脆弱的严重背景下，风能资源的开发越来越受到普通民众关注。 近代风力发电机发展可以分为三个阶段 [2]：第一阶段，在 20 世纪 70 至 80 年代。 人们证明了风能可以用来发电，风的许多特点是可以被人们加以利 用和控制的。 丹麦和美国的研究水平提升最快，风力发电机容量也从几十瓦发展到百千瓦。 第二阶段， 20 世纪末。 风电技术逐步成熟，风电产业成规模发展，并建立了稳定的商业模式。 技术较为成熟的专业制造企业大量出现，单机容量从百千瓦提高到几百千瓦，变浆机组技术成熟并进入市场，与失速机组在竞争中发展。 第三阶段， 21 世纪初。 兆千级的风力发电机成为主要趋势，海上风电开始大规模发展。 随着单机容量提高，为应对极限载荷和疲劳载荷的挑战，新的直驱变速变浆和双馈变速变浆逐步成为兆千级风力发电机的主流技术。 在风电领域中引入新技术，例如计算 机技术和先进的控制技术 ，这一举措使得风电机组的控制方式从单一的定浆距失速式转变为智能化的，偏航 变桨距 变速式的。 主要的控制 方式有人工手动调控，计算机模拟，上下通信，预测调控，微控制器自动检测调 控常州大学 本科 生 毕业设计（ 论文） 第 2页 共 46页 等。 在智能化的风电领域中，通过调节发电机电磁力矩和风电机轮片桨距角使 叶尖 速比保持在最佳值，实现 风力 的最大能量获取。 利用风速 风向 、风力测量仪检测实际模拟量和数字量 或是电 功 率 ，传递给主控制器进行运算处理 ，控制器做出相应的控制措施 ，调整轮片转速， 偏航角度 等。 但在随机性差异大，不确定因素多，非线性严重的风电系统中 ，这种简单的控 制方法也会产生很大的误差。 所以在国际国内范围内，研究人员都致力于最合适的控制方式，例如模糊逻辑控制，神经网络智能控制，鲁棒控制等。 使风电控制相自动化智能化一体化方向发展。 基于现在风电机组发展的几个主要趋势，本 文 主要研究风电机的控制策略和控制方法，由于外界因素影响大，导致风不稳定， 而且 风电机组的容量 逐步 增大不适宜适应多变的外界环境 ，风电系统和电网之间联系也越来越复杂，所以对控制方法要求很高。 基于 PLC 为主控制器的系统，逻辑功能强大，体积小，结构简单，编程方便，便于扩展，通用性强，使用安全便捷，能够直接反应现 场信号的变化状态，达到有效高速地控制整个系统的目的。 本 文 运用可编程控制器西门子 S7200 作为 主 控制 器 ，通过启动发电机，偏航控制 ， 变压器 控制和温度控制等几个模块设计，对不稳定的风做出相应的控制 ， 使得风能得到 最大 程度的 利用。 国内外发展现状 国内发展状况 我国的风能资源分布 ：我国风能资源的 地区 区域差异大。 沿海、内蒙古和甘肃北部 、 黑龙江 南部和吉林东部 三个区域风能最多 ；青藏高原中部和北部、西北、华北、东北三区域的北部，东南沿海的风能资源丰富；山区， 例如南岭、武夷山地区，辽河、华北、长江中下游 平原、西北高原地区，风能 可待开发 利用；云贵川陕西、豫西、鄂北、湘西、福建广东，盆地地形区等风能贫乏。 我国风能资源的分布除了具有空间上的差异以外，在时间上也有 很大的 差异。 东部沿海地区，夏季风势力 强劲 ，风能 资源 主要集中在夏季。 而北方以及西北内陆地区，冬季风势力强劲， 所以 这些 地区风能资源 主要集中在冬季。 我国政府在 20xx 年制定了《可再生能源中长期发展计划》，力求达到 20xx 年和 2020年风电装机容量要到达 1000 万千瓦和 3000 万千瓦的目标，并且制定了风电设备国产化的政策 [3]。 20xx 年中国除台湾省外装机容量 万千瓦。 与 20xx 年当年新增装机 万千瓦相比， 20xx 年当年新增装机增长率 达到了 254%。 20xx 年，我国的新增装机容量已达到 630 万千瓦 ,我国总装机容量翻两倍达到了 1200 万千瓦，已达到了上面所说的20xx 年风电装机 1000 万千瓦的目标。 在 20xx 年，我国的风电 装机容量 已超过 3000 万千瓦，而 2020 年则有望突破 1 亿千瓦或者 亿千瓦的风电装机容量。 风力发电机组主要零部件像是轮片、齿轮箱、发电机、偏航装置、电控系统、塔架等已经国产化，并且可以进行批量生产。 我国风电发展方向有以下几方面： （ 1） 风力发电从陆地向海面拓展。 （ 2） 单机容量进一步增大。 常州大学 本科 生 毕业设计（ 论文） 第 3页 共 46页 （ 3） 新方案和新技术的应用：例如变速恒频技术和 变桨距 调节技术在功率调节方法上的应用 ， 计算机分布式控制技术和新的控制理论应用。 （ 4） 风力发电机组更加个性化。 图 11 我国风能资源分布图 国外发展状况 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。 在技术方面，美国，丹麦，德国等科技实力强劲的国家向风电机偏航控制， 变桨距控制，调整失速控制，自动化调控等各方面进行开发，他们建立了各种基于计算机技术的风能资源的测量，传感和模拟系统，扩展了空气动力学方面的理论知识， 研制出了新一代的电机，例如具有变速发电机、变极发电机、变速恒频发电机、变滑差发电机、步进低速发电机等。 开发种由计算机控制多台或单台风力发电机组成的组群的自动控制系统，这些措施都很大地提升了风 力发电的效率及可靠性 [3]。 海上风电场是最近世界范围内广泛推广使用的大型有效利用风能资源的形式，在1980 年初在美国加利福尼亚首先兴起。 在海陆线附近由于陆地、海洋 吸热量差异大，表体温度差异大而产生丰富的风能资源，风力强大，可以大规模采取进行发电。 不过在海陆线上建设风力发电厂还存在技术的难度，需要投入巨额资金装备和维护，所以在美国，德国，中国等这样的大国才进行投产建设。 20xx年底，全球风力发电装机 总容量 突破 4000万千瓦，风力发电占全球电力供应的％。 过去 5年全球风电装机容量年平均增长速度超过 ％， 20xx全球 的新增风电装机容量已经 超过 830万千瓦。 目前全世界风电工业规模约为 120亿美元，预计到 2020年可常州大学 本科 生 毕业设计（ 论文） 第 4页 共 46页 望达到 1200亿美元。 近年来 美国的风力发电发展最高端，新增装机容量 169万千瓦，总装机容量达到 636万千瓦。 美国风电年均平增速达到了 24％，有超过 30个州建成了风电场。 毋庸置疑，全球最重要的风电市场之一是美国，虽然政府政策方面的不确定性和不稳定性使得风力发电的发展充满了随变性，但还存在着有利于风电发展的积极要素。 全世界风力发电发展速度最快 是欧洲。 欧洲也是风电设备装设最多的一大洲。 20世纪 初时 欧洲地区累计风电装机容量为 2930万千瓦，约占全球风电总装机容量的 73％。 尽管 20xx年欧洲风电装机增长幅度有所放缓，年增幅由 02年的 35％降为 23％，不过随着一些欧洲国家海上风电项目的发展，预计欧洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。 亚洲地区风力发电与 西方国家 相比 发展相对 比较缓慢， 除了印度中国 ，其它国家风电装机容量 都 很小。 20xx 年全球风电新增装机容量超过 41000MW[3]，目前全球风电总装机容量已经超过 238000KW。 这表明去年风电市场的年增长率达 6%，总量同比增长超过 21%。 另一组统计数据 指出，在全球已经有风电商业运营项目的 75 个国家中，超过 22 个国家装机容量已逾 1GW。 就发展相对成熟的欧美风电市场来看，欧洲去年新增装机 ，总装机容量上升至 94GW，这一数字支撑着欧洲 %的用电需求。 美国风电行业去年新增装机 ，形势有所回落。 过去几年风电装机量在美国的新增装机里占到了三分之一，而且正在努力实现到 2030 年使风电能提供美国 20%的用电量的目标，这也是布什政府之前的政策之一。 索耶尔对 20xx 年拉美、亚洲和非洲的风电市场表示出乐观的判断，但他同时指出，“ 如果不对全球传统发电方式 的碳排放成本价格化后计入其真实发电成本，风电产业将在一直在巨大压力下前行。 ” 国际风电发展方向有以下几方面： （ 1） 变速恒频机组应运而生。 （ 2） 定桨距机组逐步向变桨距机组转换。 （ 3） 叶片、齿轮箱、发电机等关键部件不断在可靠性、大型化。 （ 4） 控制与监控技术不断完善。 （ 5） 海上风能利用技术及其风电场建设受到重视。 （ 6） 致力于 风力发电成本不断下降。 主要内容及 章节安排 在本 文 中， 设计 一个风力发电机组的控制系统，主控制器为可编程控制器西门子S7200。 主要完成的 内容 包括风力发电系统的初始化，发电 机的启动，偏航控制 ，变压器控制和 温度 控制， 在温度 过高 时进行温度的调控。 控制机组 应 具有 轮片随 风向 变化而变化的动作且具有恒功率输出的表现 ， 传感器对风向 标 的 夹角 进行检测， 风机转动 在相应 设定角度值 区间内 ， 根据需要采取相应的措施，变压器变送高电压， 对电力传输能够施以 严格的 管理控制。 本 文 中应了解相关风力发电的知识和 需 解决的一些具体问题：理解相关空气动力学常州大学 本科 生 毕业设计（ 论文） 第 5页 共 46页 知识，理解风力发电控制系统的硬件设备，选择 合适的 元器件 型号； 如何 假设建立个风力发电 硬件模拟设备组 ， 如何有效合理地分配 I/O 地址，如何正确绘制 各个功能的电路图 ，如何 编 制 PLC 程序， 如何进行上下位机联调模拟等。 在论文中的第一章 中 讲述了设计课题的背景和选题意义。 从风力发电相比不可再生资源发电具有的优势和 PLC 控制的好处这两个方面介绍基于 PLC 风力发电控制系统的设计意义。 文中又介绍了风力发电的历史，国内、国外发展现状与研究趋势。 最后列举了设计的主要内容和各章节的安排。 第二 章 主要介绍了发电机组的组成和空气动力学的相关知识。 文中说道风电机组是由风轮、机舱、塔架以及控制系统这四个部分组成且详细描述了各部分的结构、功能等。 在风能理论中介绍了 风速和风能的意义。 第三 章 和第四 章 是本论 文中的重点部分。 第三 章 主要是设计方案的确定，从整体到各个模块分层介绍了各个控制部分的工作原理、工作过程，绘制控制流程图，最后制作I/O 地址分配表。 第四 章 则是控制程序的具体分析，针对各控制功能列出程序进行详细解说，最后形成控制总程序。 第五 章 中主要说明了对已编好的程序进行调试和仿真的过程，最后得出仿真结果。 利用 STEP7Micro/WIN32 软件输入程序，查错调试，连接实验电路板，进行模拟仿真，根据观察结果判断程序正确与否。 最后一 章 是对 本文 的分析和总结 ， 列出设计中的不足之处及改进方案。 附录中给 出了整个 系 统的硬件电 路图。 常州大学 本科 生 毕业设计（ 论文） 第 6页 共 46页 2 风电机组组成与风能理论 风能发电的原理，是风力带动风电机的轮片旋转，轮片的一端连接发电机的机械联动杆，发电机内导体切割 磁感应线 而产生电流，这样实现了风力发电的目的。 按照现在的风机技术， 风速 3m/s 左右 的微风即可以开始发电。 本章 简单介绍 风力发电机组的组成 以及相关的空气动力学知识 ，即可清楚了解风力发电的 原理和过程。 风电机组组成部分介绍。