基于PLC的风力发电控制系统设计毕业设计

学号： 2010509044 浙江大学

毕业设计（论文）题目基于PLC的风力发电控制系统设计

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基于PLC的风力发电控制系统设计

摘要：近年来随着经济的不断发展和人们生活水平的不断改善，在世界范围内石油、煤炭这些不可再生资源的使用量已经大大超过环境所能承受的范围，燃烧发电厂产生的污染物也对地球环境产生了负影响。然而风能是一种清洁、可再生的能源，在发电这一领域具有巨大的开发潜力和商业活力。随着科技的不断进步，计算机和可编程控制的科研水平在提升，这对于风电控制的研究又提供了新的途径。针对风能具有随机性、不确定性的特点，本文用西门子可编程控制器S7-200来对风力发电进行控制。主要内容包括电气原理图和设计流程图的绘制，PLC、电气元件的选型，发电机组启动控制、偏航控制、温度控制和变压器控制等。在论文中给出详细的控制原理解释和各模块的功能介绍，并配有每一模块的控制程序。最后进行相关调试和仿真，利用STEP7-Micro/WIN32编程软件对PLC程序进行调试、仿真运行和在线诊断等，使仿真结果满足设计要求。

关键词：风力发电；可编程控制器；偏航；温度控制

The Control System of Wind Power Based on PLC

Abstract：In recent years, with the continuous development of the economy and people’s living standards continue to improve, in the scope of world petroleum, oil and coal these non-renewable resource consumption was significantly more than the environment can stand. Combustion power generation of pollutants generated also produced negative effect to the environment of the earth. However, the wind energy is a clean, renewable energy power generation, it has tremendous development potential and business activity in this area. With the progress of science and technology, computer and programmable control of the level of scientific research in ascension, for wind power control research provides a new way. In this paper, aiming at these characteristics of uncertainty and randomness wind energy, we can use Siemens programmable controller S7-200 to wind power control. The main contents include drawing the corresponding electrical schematic diagram and the flow chart, selecting the PLC and electrical components, turbine start-up control, yaw control, temperature control, transformer control and so on. In this paper, it gives detailed explanation of the control principle and the function of each module and control program. Finally, it needs testing and simulation, using of STEP7-Micro/WIN32 programming software for the PLC program debugging, simulation and online diagnosis and so on, so that the simulation results meet the design requirements.

Key words：wind power generation; programmable controller; yaw; temperature control

目录

摘要....................................................................................................................................... II 目录...................................................................................................................................... I V 1 引言. (1)

1.1 选题背景与意义 (1)

1.2 国内外发展现状 (2)

1.2.1 国内发展状况 (2)

1.2.2 国外发展状况 (3)

1.3 主要内容及章节安排 (5)

2 风电机组组成与风能理论 (6)

2.1 风电机组组成部分介绍 (6)

2.1.1 风轮及其组件 (6)

2.1.2 机舱及其组件 (7)

2.1.3 塔架部件 (8)

2.1.4 控制系统 (8)

2.2 风能理论简介 (9)

2.2.1 风速和风能 (9)

2.3 本章小结 (9)

3 设计方案和电气元件选型 (11)

3.1 设计方案 (11)

3.1.1 系统整体设计 (11)

3.1.2 具体模块设计 (12)

3.2 I/O地址分配与电气元件选型 (20)

3.2.1 I/0地址分配 (20)

3.2.2 PLC的选型 (21)

3.2.3 其他器件的选型 (21)

3.3 本章小结 (23)

4 可编程控制器及控制程序 (24)

4.1 可编程控制器简介 (24)

4.1.1 PLC的基本结构 (24)

4.1.2 PLC的工作原理 (25)

4.1.3 PLC的特点 (25)

4.1.4 PLC的应用 (26)

4.2 系统控制程序 (27)

4.2.1 发电机启动程序 (27)

4.2.2 偏航控制程序 (28)

4.2.3 温度控制程序 (32)

4.2.4 变压器控制程序 (38)

4.3 本章小结 (39)

5 系统调试与仿真 (40)

5.1 程序调试 (40)

5.2 系统仿真 (40)

5.3 本章小结 (46)

6 结论 (47)

参考文献 (49)

致谢 (50)

附录A (51)

1 引言

1.1 选题背景与意义

自然界的风，是由于大气运动而产生的自然形式。大气运动则是因为大气受到太阳的辐射，能量来源于大气吸收的部分太阳能，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S7-200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。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 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2007年制定了《可再生能源中长期发展计划》，力求达到2010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]。2005年中国除台湾省外装机容量50.3万千瓦。与2004年当年新增装机19.8万千瓦相比，2005年当年新增装机增长率达到了254%。2008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2010年风电装机1000万千瓦的目标。在2010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1.2亿千瓦的风电装机容量。

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。

（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1-1 我国风能资源分布图

1.2.2 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。

2003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0.5％。过去5年全球风电装机容量年平均增长速度超过26.3％，2003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2003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。

2011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9.6GW，总装机容量上升至94GW，这一数字支撑着欧洲6.3%的用电需求。美国风电行业去年新增装机 6.8GW，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2012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。

1.3 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S7-200。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STEP7-Micro/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。

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。

2.1 风电机组组成部分介绍

风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量可大小以划分为小型风电机组（10KW以下），中型风电机组（10~100KW），大型风电机组（100KW以上）；按其主轴与地面的相对位置，可以划分为水平轴风力发电机组（主轴与地面平行），垂直轴风力发电机组（主轴与地面垂直）。

最早最简单的风力发电机由叶轮和发电机两个部分组成，站立于一定高度的塔上。由于外界因素影响风很不稳定，这类风力发电机电压、频率差异很大且效率低下，没有实际运用价值。所以在原有的基础上，增加了偏航系统，齿轮箱，控制系统，停机系统等部件更加有效地使用风能。在现有技术基础上大致可以把一个普通的风电机分为四大部分：风轮组件，机舱组件，塔架组件以及控制部分。图2-1表示风机各个部分的组成。

图2-1 风电机组的组成

2.1.1 风轮及其组件

风轮由三部分组成：叶片、轮毂、风轮轴[4]。风轮是风力发电机最重要的部

件，也是风力发电机区别于其他发电机的显要标志，其作用是获取和吸收风能，它将风能转化为机械能。而风轮轴则将能量给传动机构。

叶片是风力发电机获取风能的部件，风能利用率的好坏大都取决于良好的叶片外形，它材料的强度、硬度、密度以及使用寿命。一般叶片具有高硬度，高强度，低密度等特点。根据叶片横截面形状可以将叶片分为平板型，弧板型和流线型。

轮毂是将叶片和叶片组固定到主转轴上的装置。它的作用是叶片的力和力矩传递到主传动机构中。轮毂有固定式和铰链式两种。

风轮轴也叫主轴、低速轴，它在风轮以及齿轮箱之间。其前面端子由螺栓与轮毂刚性连接，后面端子与齿轮箱低速相连，结构复杂且受力大。风轮轴有较高的综合机械性。

此外风轮机构组件还包括变浆机构，它是根据风速的变化来调节桨距角，用以风电机保持高效率的输出功率。

2.1.2 机舱及其组件

风力发电机的机舱承担容纳所有的机械零部件，起到支撑作用。它还需要承受所受外力作用（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[4]，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。

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。图2-2展示了齿轮箱的样式。

图2-2 风力发电齿轮箱

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。

2.1.3 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。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。

2.1.4 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2-3为风力发电机组控制系统示意图。

图2-3 风力发电机组控制系统

2.2 风能理论简介

2.2.1 风速和风能

瞬时风速是指风速的瞬时值[8]。它只可给出相关风的近似概念，并且因为传

感器的惯性作用，风速的瞬时值只能近似地测量。瞬时风速V 用平均风速Vm

加上风的波动分v 来表示：

V=Vm+v

（2.1）

风速为v ，当风吹过叶轮时，叶轮受力转动。假设m 为气体质量，ρ为空气密度。

根据空气流体力学可知，在一秒中流向风轮的空气具有的动能为：

E=?mv 2

（2.2）

单位时间里气体流过截面S 的气体体积是V ，那么

V=Sv

（2.3）

单位气体体积的质量为

m=ρV=ρvS

（2.4）

流动气体具有的动能为

E=?mv 2=?v 3ρS

（2.5）

据风能表达式可知，风能的大小与流过截面的面积和气体的密度相关且成正比，

与气体流速的立方也成正比。

气体密度和速度都随着海拔高度的变化而变化。P 为当地大气压，t 为当地

大气压，则气体密度计算公式：

ρ= （ 2.6） （2.6）

2.3 本章小结

本章主要介绍了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

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相关的风能理论知识。