基于PLC的风力发电机的变速控制.docx

基于PLC的风力发电机的变速控制.docx

《基于PLC的风力发电机的变速控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的风力发电机的变速控制.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于PLC的风力发电机的变速控制

基于PLC的风力发电机的变速控制

摘要

随着风力发电技术的发展，变速恒频风力发电技术成为了风力发电未来发展新趋势。

变桨系统是变速风力发电机组的重要部分，其性能对风力发电机组的整体性能起到重要的作用。

本文研究了变速恒频风力发电系统的运行原理，详细的分析了其工作过程以及结构。

本文通过两种方法控制变速风力发电机组，分别是：

通过伺服系统控制桨叶桨距角和通过PLC电机的转速。

风机变桨系统主要由PLC控制系统、风速传感器、轮毂控制柜、直流控制电机、蓄电池、整流器组成。

PLC控制系统通过风速传感器提供的控制信号对电路进行控制。

由于风力发电控制系统对性能要求较高,选用PLC作为控制器不但可以用简单的程序来实现复杂的逻辑控制,而且同时具有稳定性高的特点。

关键词：

变速恒频，风力发电，变桨距控制，PLC控制系统

VariablespeedcontrolofwindturbinebasedonthePLC

Abstracts

Withthedevelopmentofwindpowergenerationtechnology,variablespeedconstantfrequencywindpowergenerationtechnologyhasbecomethetrendofthefuturedevelopmentofwindpowergeneration.Thepitchsystemisanimportantpartofthevariablespeedwindturbine,playinganimportantroleintheperformanceoftheoverallperformanceofthewindturbine.Thispaperstudiesthevariablespeedconstantfrequencywindpowergenerationsystemoperationprinciple,andthestructureandworkingprocessareanalyzedindetail.Thisarticlethroughtwokindsofmethodstocontrolofvariablespeedwindturbine,respectivelyis:

throughtheservosystemcontrolbladepitchangleandtherotationalspeedofthemotorbyPLC.Fanvariablepitchsystemmainlycomprisesawindspeedsensor,PLCcontrolsystem,controlcabinet,rectifiers,batteryhub,DCmotorcontrol.PLCcontrolsystemthroughthewindspeedsensorprovidesthecontrolsignaltothecontrolcircuit.

Windpowercontrolsystemofthehighperformancerequirements,therefore,usingPLCasthecontrollernotonlycanusethesimpleproceduretorealizecomplexcontrollogic,butalsohavethecharacteristicsofhighstability.

Keywords:

VSCF,Windpower,Pitchcontrol,PLCcontrolsystem

第一章绪论

1.1国内风力发电技术发展概况

我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源也比较丰富。

根据最新风能资源评价，我国陆地可利用风能资源3亿千瓦，加上近岸海域可利用的风能资源，共计约10亿千瓦。

其主要分布在两大风带：

一是“三北地区”（东北、华北北部和西北地区）；二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。

另外，内陆地区还有一些局部风能资源丰富区。

我国的风力发电的发展迅速，建设规模不断扩大。

1986年，在山东荣城建成了我国第一座并网运行的风电场，到1990年已建成3座并网型风电场，总装机容量为3.215MW，其最大单机容量为200kW。

到1995年，全国共建成了5座并网型风电场，装机总容量为36.1MW，最大单机容量为500kW。

1996年后，风力发电进入了扩大建设规模的阶段，最大单机容量为1500kW。

据中国风能协会最新统计，2007年中国除台湾省外新增风电机组3,133台。

2007年中国除台湾省外累计风电机组6,358台，装机容量5,890MW。

目前，在我的家乡烟台栖霞也建立了风力场，据水母网报道：

栖霞市与大唐集团签订方山风电项目合作开发协议，这一项目的开发，将使栖霞市风力发电总装机容量达到9.56MW。

届时，栖霞市将成为山东省内陆风力发电装机容量最大的一个县市。

当然我国的风力发电存在一定的问题。

我国现有的风资源分布图很粗，无法满足现在风电场选址的要求，迫切需要进一步细化。

国内已经建成的微不足道的风电容量几乎全部为进口的成套设备，导致风电场投资高、电价高，与火电、水电比，缺乏市场竞争能力。

因此，研究我国风电发展迟缓的原因，提出相应的激励政策已成当务之急，从国外经验看，政府支持、政策激励是发展风电的关键。

1.2风力发电机变速的优点

当风速在一定范围内发生变化时，允许风力发电机做变速运行，以便能达到更好利用风能的目的。

这是由于风力机的输出功率系数CP在某一确定的尖速比TSR下达到最大值，如图1-1所示。

由于风力机的转速可变，通过适当的控制，使风力机的尖速比处于或比较接近于最佳值，以便最大限度的利用风能[5]。

图1-1风力机的典型CP与尖速比TSR

随着风电技术的发展，恒速运行的机组由于只能在运行的某一点上保持较高的能量捕获效率，造成机组运行效率低，取而代之的变速机组可以保持最佳叶尖速比运行，大大提高机组的能量捕获效率，目前成为发展的主流。

1.3变桨距控制与变速控制关系

随着科技的进步与风力发电技术的不断发展，变速恒频风力发电技术不断成熟，成为了风力发电的发展趋势。

变桨系统是变速风力发电机组的重要组成部分，对风力发电机组的整体性能有着重要的意义。

如今，风力机变桨距控制已成为风力发电领域研究的重点之一。

变距型风力机的桨距角可以随风速变化而逐渐变化，风机转速作为输入信号设计调节器,从而输出桨距角命令[4]。

1.4变速风力发电机组的控制组成

变速风力发电机组的控制主要分成两个部分；在额定风速以下时，调节发电机转速使之跟着风速变化，以获得最佳叶尖速比；在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶浆距来限制风力发电机获得能量，是风力发电机组保持在额定值发电[3]。

变速风力发电机组通常需要两部分控制器：

[8]

1.一个通过电力电子装置控制发电机的转速；

2.另一个通过伺服系统控制桨叶桨距角。

1.5PLC介绍

本论文PLC选择欧姆龙公司（OMRON）的产品，根据需要，输入输出的点数分别选择12个和8个就符合要求。

CPM1A是日本欧姆龙公司产品中的一种小型整体式PLC。

CPM1A的特点：

[1]

（1）CPM1A可连接可编程终端，选用通讯适配器以相应的上位Link或高速NTLink与PT之间进行高速通讯。

（2）CPM1A有10点至30点多种CPU单元。

CPU单元与扩展I/O并用，可实现10点到100点的输入输出要求，并且有DC和AC两种电源型号可选择。

（3）CPM1A汇集了各种先进的功能，如中断功能、高速计数功能、高速响应功能，还备有2个模拟量设定。

（4）CPM1A具有充足的程序容量，具有1023字的数据存储器和2038字的用户程序存储器。

（5）CPM1A编程环境与SYSMACA及CQM1等机种相同，系统的维护和扩展比较简单。

（6）CPM1A在编程环境等方面上不仅实现了具有10点～100点输入输出点数的弹性构成，而且还可连接可编程控制终端，运用十分的灵活。

它作为小型控制器，在生产现场中能够满足不同的需求。

表1-2CPM1A继电器地址的分配及继电器功能作用介绍

名称

点数

通道

继电器

功能

输入继电器

160点（10字）

000~009CH

00000~00915

能分配给外部输入输出端子的继电器（当输入输出通道不使用的继电器号能作为内部辅助继电器使用）

输出继电器

160点（10字）

010~019CH

01000~01915

内部辅助继电器

512点（32字）

200~231CH

20000~23115

程序中能自由使用的继电器

特殊辅助继电器

383点（23字）

232~255CH

23200~25507

具有特定功能的继电器

暂存继电器

8点

TR0~7

用于在回路分叉点临时记忆的继电器,

链接继电器（LR）

256点（16字）

LR00~15CH

LR0000~1515

1:

1连接中作为输入输出使用的继电器（也可作为内部辅助继电器使用）

定时器/计数器（TIM/CNT）

128点

TIM/CNT000~127

定时器和计数器共用相同号

数据内存（DM）

可读写

1002字

DM0000~0999DM1022~1023

以字为单位（16位使用,电源断时数据保持.DM1000~1021不作为存放异常历史使用时,可作为一般的DM自由使用。

DM6133~6599、DM6600~6655不能在程序中写入（可从外围设备设定）

异常历史存放区

22字

DM1000~1023

只读

356字

DM6133~6599

PC系统设置区

56字

DM6600~6655

第二章风机基本理论

2.1风力机的各部分介绍

风力机主要由叶片、轮毂、传动链（齿轮箱、主轴）联轴器等中间传动装置构成，其机械部分与异步发电机是柔性连接，相互之间刚性度较低[7]。

1.叶片：

将风能转变为机械转距（风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。

如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。

2.轮毂：

位于风机前端，用于固定叶片。

内部设有变桨控制柜及变桨电机。

3.齿轮箱：

齿轮箱作为风力发电机组中一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。

通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。

4.联轴器：

其作用主要是传递扭距；补偿同轴度的误差，通过联轴器的柔性来消除其中的误差的影响；并保护发电机。

2.2变桨距风电机组介绍

直到20世纪90年代变桨距风力机才得到广泛的应用。

目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制技术，例如，VESTAS的V66-1.65MW、V80-2MW，ENERCON的E-66-1.8MW、E-58-1MW，ENRONWind的1.5S-5MW，NORDEX的S77/1500KW等都采用变桨距结构。

变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率。

变桨距控制的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，停机安全等；其缺点是增加了变桨距装置，控制复杂[14]。

定桨距风力发电机组，当风速高于额定风速时，由于其桨距角不能改变，只能通过风机的失速特性来降低风能的吸收，因此在风速高于额定风速时不能维持额定功率输出，输出功率会下降，所以一般失速后功率小于额定功率；而变桨距风力机可以根据风速的大小调节气流对叶片的功角，当风速超过额定风速时，输出功率可以稳定在额定功率上。

在出现台风的时，可以使叶片处于顺桨，使整个风力机的受力情况大为改善，可以避免大风损害风力机组。

在紧急停机或有故障时，变桨距机构可以使叶片迅速顺桨到90，风轮速度降低，减小风力机负载的冲击，延长风电机组的使用寿命。

变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行，影响风力机的使用寿命。

随着变桨距风力机的广泛应用，许多学者和研究人员投入了变桨距控制技术及变桨距风力机结构的研究。

目前人们主要致力于通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡等技术的研究。

Vestas公司推出了OpiTip（最佳桨距角）风力发电机组，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音。

现在变桨机构主要有两种：

一种是电动变桨距机构；另一种是液压变桨距机构。

液压变桨距机构采用液压驱动同步盘式。

此变桨距结构简单，操作方便。

当风速达到启动风速时，变距机构把叶片沿长轴旋转到升力最佳状态，使风轮达到最大捕获效率，额定风速之上，为了限制功率输出，变距机构把叶片向顺桨方向逐渐旋转，降低风轮气动效率，整个变距角度可达920，变距油缸最大行程932mm。

电动变桨距机构就是在额定风速附近（以上）,依据风速的变化随时调节桨距角,控制吸收的机械能,一方面保证获取最大的能量（与额定功率对应）,同时减少风力对风力机的冲击。

在并网过程中,变桨距控制还可实现快速无冲击并网。

变桨距控制系统与变速恒频技术相配合,最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。

早期采用液压系统用于调节叶片桨矩（同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用），现在电变距系统逐步取代液压变距。

2.3变桨距控制原理

要想弄清楚变桨距控制的原理，就必须弄明白什么是桨距角。

桨距角，顾名思义，就是桨叶距离上的夹角，主要原因是为了找一个参考平面，而这个平面又很容易被区分，所以找到了桨叶最顶端的截面。

风机上的桨距角指的是叶片顶端翼型弦线与旋转平面的夹角。

调节桨距角的目的主要有：

启动，获得比较大的气动扭矩，以使叶轮克服驱动系统的空载阻力矩；

限制功率输出，在额定风速后，使功率平稳，保护电路和机械系统，同时可以降低载荷；

刹车，提供很大的气动阻力，使叶轮的转速快速降低，避免机械刹车惯性力太大而造成的伤害。

变桨距调节的基本原理是；根据风速和发电机转速来调整叶片桨距角，从而控制发电机输出功率。

风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。

变桨距调节方式是通过改变桨距角影响叶片的受力和阻力，限制大风时风机输出功率的增加，保持输出功率恒定。

在额定风速以下时，控制器将叶片攻角置于零度附近，不做变化，近似等同于定桨距调节。

在额定风速以上时，变桨距控制结构发生作用，调节桨距角，使输出功率控制在额定值的附近。

第三章风机变桨系统硬件部分设计

3.1变桨系统的描述

变桨系统的动力电源和信号电源都是有滑环来提供的，为了减少所用器件的数量和轮毂内的重量，从而提高了风机的安全运行的性能，电源性质和电压都是经过处理后直接利用的。

通常电压为直流220V、交流380V，主要用于提供给三台变桨电机。

加热电源用来供给加热器，提高配电柜和电池盒等主要设备的温度。

为了防止外电网突然断电或者经济停机，将轮毂内部加上蓄电池，当风机断电时，叶片的角度将自行由一定的角度变回到90度，以减小风力对风力机的危害，延长风机的寿命[15]。

3.2风机变桨系统结构介绍

当风机在正常工作状态下，如若风速过大时，此时由风速仪风向PLC控制系统发出控制信号，风机内部电源380V交流电通过整流器变为220V直流电。

PLC控制系统将电路正向导通，变桨电机正向转动，叶片角度趋于90度，叶片迎风面积增大[14]。

当风机在正常工作状态下，如若风速过小时，此时由风速仪风向PLC控制系统发出控制信号，风机内部电源380V交流电通过整流器变为220V直流电[2]。

PLC控制系统将电路反向导通，变桨电机反向转动，叶片角度趋于0度，叶片迎风面积减小。

当检修人员需进入轮毂工作时，检修人员首先通过轮毂控制柜，将整流器通往轮毂的输电线路切掉，以防止机舱内部人员的错误操作，导致轮毂内部人员出现伤亡。

此时变桨电机电源变为蓄电池。

检修人员通过轮毂控制柜可对变桨电机实现手动控制。

当风机突然断电时，蓄电池自动投入，使变桨电机有一定角度自动变为90度，可以减小风力对风力机的危害，并且防止了发生飞车等事故。

图3.1风机变桨流程图

3.3风机变桨控制流程分析

动力电源220V直流电由滑环输送到轮毂由于一共给三台变桨电机，变桨电机要使叶片角度可以在一定的角度内变化，就是叶片不但可以自由变到一定角度，而且要求他还可以变回到所要求的角度，这就要求电机能够实行正反转。

对电机的控制首先是正反转的控制。

实现这一功能的方案很多，但是在各方面的要求下如质量大小，线路性能，运行的可靠性；即满足灵活，简单，可靠性的要求，方案的选定就不难么多种多样的了。

在对电机正反装的控制最经典的也最符合要求的就是所设计的电路，由接触器变换电机的供电的电流方向实现对电机的正反转的控制，最终实现叶片角度在一定范围内自由变桨的要求[13]。

实际运行中要求三台电机的同步性，为了防止三个叶片所受风力差异不致过大，要求三台电机在自动变桨时，三台电机同步转动。

所以将三台电机联接在同控制回路中实现同步控制。

由于风机很多检修及维护任务都需在轮毂内进行，所以需在轮毂设置一变桨电机独立的控制柜。

当此控制系统启动后要求切除TOP-BOX内控制系统的控制权限。

并且由于检修维护的工作需求，需要轮毂内控制系统可以实现点动控制[9]。

研究变桨系统我们就一定要研究其相关风速的指标。

GE1.5MW风力机的起机风速在3米每秒，但是这个数字是不定的，因为空气密度，风能质量等不同致使启动风速的波动。

所以起机风速在小范围内是不定的。

当风机风速超过27米每秒时，风机需实现自动变桨，将叶片迎风角变为90度。

以防止由于风速过大制动系统超负荷工作发生飞车。

3.4变桨控制系统硬件部分设计

本文硬件控制部分，主要由风力发电塔顶控制箱（TOP-BOX）控制部分、轮毂控制柜、蓄电池组、整流系统、速度传感部分构成。

控制系统共分为两部分，第一部分控制系统安装在TOP-BOX内，由风机正常状态下自主运行时风机自动变桨控制系统和风机在检修或维护的状态下的手动变桨控制系统组成。

第二部分控制系统设在风机轮毂内，为手动变桨控制系统。

现对此三部分控制系统进行描述。

图3.2TOP-BOX部分主电路图

（1）风机在自动运行状态下，如图3.3所示当风机风速仪检测到风速过高时，同时风机主轴测速仪测得风机转速过高时接触器KM10得电，KM10辅助主触点闭合，控制三台变桨电机正转，叶片迎风角趋于90度。

当风机叶片反转一定角度后达到主轴额定转速时接触器KM10失电，KM10常开主触点断开叶片停在当前位置。

当风机风速仪检测到风速过低时，同时风机主轴测速仪测得风机转速过低时接触器KM13得电。

KM13常开主触点闭合，控制三台变桨电机反转，叶片迎风。

当风机叶片反转一定角度后达到主轴额定转速时开门KM13失电，KM13常开主触点断开叶片停在当前位置。

通过测速仪的信号风机叶片迎风角做出相应的调整，从而使风机主轴转速稳定在额定转速范围内，从而达到风机恒速运行。

（2）风机在自动运行状态下，当欠电压继电器KUV3检测到风机电源电压过低时其辅助常开触点KUV3闭合，KM11得电其常开触点闭合，蓄电池自动投入运行变桨电机正转叶片迎风角自动变为90度。

从而有效保护风机因设备故障突然断电。

致使风机叶片由于风力作用损毁。

（3）当风机需要检修或维护或时，如图3.3所示转动旋钮SB9接触器KM12得电，其辅助常开触点闭合，常闭辅助触点断开，TOP-BOX部分手动控制系统启动。

按下SB8接触器KM10自锁得电，其常开闭合控制变桨电机正转，转至90度行程开关ST1、ST3、ST5同时断开叶片停至迎风角90度处。

按下SB11按下SB8接触器KM10自锁得电，其常开闭合控制变桨电机反转，转至3度行程开关ST1、ST3、ST5同时断开叶片停至迎风角3度处。

手动控制系统的设计为风机检修人员提供了可靠的安全保障，比如一些须接近叶片的工作，如果在检修人员工作时风机变桨电机突然运行，极可能导致人员伤亡事故，添加了手动变桨系统不仅消除了安全隐患，还增加了变桨模式的多样性和灵活性。

把人员安全放在了第一位。

图3.3TOP-BOX控制部分部分辅助电路图

3.5轮毂控制柜控制系统硬件部分设计说明

图3.4轮毂控制柜一号电机控制系统辅助电路

轮毂控制柜内控制系统主要为方便工作人员在轮毂内工作（打力矩、清除叶片渗漏的润滑油）和叶片调零而设计，所以要求轮毂内控制系统实现电动机正反转控制。

其控制部分如图3.5所示。

当工作人员进入轮毂后要求只有轮毂控制柜内控制系统生效。

其它控制系统都失去对变桨电机的控制权限。

当工作人员离开轮毂后要求轮毂控制柜内控制系统失去对变桨电机的控制权限。

控制权限重新交与TOP-BOX控制部分。

所以设置如图3.6所示控制系统用于实现上述功能。

图3.5轮毂内控制系统电路

当工作人员进入轮毂后首先转动旋钮SB7，KM7、KM8失电，KM7、KM8常开触点断开，风机内部电源供电回路从系统切除，KM9常开触点闭合，KM9常闭辅助触点断开。

蓄电池供电系统启动。

TOP-BOX控制系统被切出系统，轮毂控制系统启动。

变桨电机转由轮毂控制柜内控制系统控制。

此时按下SB1，接触器KM1得电KM1常触点闭合，风机正转。

同时KM1常闭辅助触点断开，与KM2实现自锁。

此时按下SB2，接触器KM2得电KM2常触点闭合，风机反转。

同时KM2常闭辅助触点断开，与KM1实现自锁。

第四章器件的选择及线径的选择

4.1稳压器选型

 GBD系列直流稳压电源采用了最先进的单片机控制技术，最完善的保护电路及专用高性能基准稳压源元件。

因而具有稳压精度高，纹波干扰小，安全可靠。

故可广泛应用于国防、科技、生产领域。

 其技术指标如下：

1．输入电源电压：

AC220V±10%

2．输出电压：

≤220V可调

3．稳压性能：

电压调整率：

≤0.05%

负载调整率：

≤0.05%

纹波调整率：

≤0.05%

温度系数：

300ppm/℃

4．稳流性能：

电流调整率：

≤0.1%

负载调整率：

≤0.1%

纹波有效值：

≤0.1%

温度系数：

500ppm/℃（典型值）

5．环境温度：

-20℃＋30℃

6．环境湿度：

≤90%     

4.2接触器选型

本设计接触器采用CZ18系列直流接触器（以下简称接触器），主要用于直流电动机的频繁起动，动态中分断、点动，反转及反接制动。

产品结构及性能特点[12]：

结构简单合理、体积小、重量轻、安装方便；

灭弧罩采用迷宫型陶瓷灭弧室与耐弧塑料外罩组合式结构，引弧灭弧性能好，触头烧损轻，燃弧时间短，飞弧距离小，弧罩不易损坏且维护时装卸方便；

配置引弧角，灭弧性能良好；

吸引线圈采用了目前国际上最先进的塑料封装技术，具有良好的绝缘强度和机械强度，不易损坏，还设计有电子适配器与封装线圈相联接，操作时电磁吸力大，线圈过电压低且温升也低，对外界电磁干扰小，可靠性高；

具有良好的阻燃性能；

具有可靠的耐振性能。

技术指标：

1．额定工作电压220V；

2．额定工作电流30A；

3．动合主触头个数2；

3．辅助触头：

动合2动断2；

5．周围空气温度的上限为+30℃，下限为-35℃；

6．周围空气的相对湿度不超过90％（最湿月平均温度不超过+25℃）；