基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组偏航监控系统研究与实现.docx

基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组偏航监控系统研究与实现.docx

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基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组偏航监控系统研究与实现

摘要

偏航监控系统实现使风轮跟踪方向的变化，利于最大风能的捕获；当机舱内的电缆发生缠绕时自动解缆。

在偏航中需要进行偏航润滑操作和偏航压力检测。

本文从计算机控制技术入手，采用先进的PLC与变速恒频控制，通过完善的软件与硬件相结合，设计了一种由PLC控制的变速恒频双馈风力发电机组偏航监控系统。

它分为上位机和下位机两部分，上位机采用工业控制计算机和MCGS，下位机为PLC，实现使风轮跟踪方向的变化，利于最大风能的捕获；当机舱内的电缆发生缠绕时自动解缆。

在偏航中需要进行偏航润滑操作和偏航压力检测。

关键词：

风力发电机组，偏航监控，MCGS，PLC

Abstract

Yawcontrolsystemfortrackingchangesinthedirectionofthewind，conducivetomaximumwindenergycapture;whenthecabincableoccurredwhenautomaticsolutionforcablewinding.Theyawtoyawlubricationinoperationandyawpressuretest.

Thisarticlefromcomputercontroltechnology-based，useofadvancedPLCandspeedconstantfrequencycontrol，sophisticatedsoftwareandhardware，designedafromaPLCcontrolofdoublywindturbineyawcontrolsystem.Itisdividedintoupperandlowercomputertwopart，andthehostcomputerusingindustrialcontrolcomputerandtheMCGS，makingthewindwheeltrackdirectionchanges，conducivetomaximumwindenergycapture;whenthecabincableoccurredwhenautomaticsolutionforcablewinding.Theyawtoyawlubricationinoperationandyawpressuretest.

Keywords:

windturbine，yawcontrol，MCGS，PLC

1绪论

随着世界能源的日趋匮乏和科学技术的飞速发展，加上人们对环境保护的要求，人们在努力寻找一种能替代石油、天然气等能源的可再生、环保且洁净的绿色能源。

风能是当前最有发展前景的一种新型能源，它是取之不尽用之不竭的能源，还是一种洁净、无污染、可再生的绿色能源。

风能的利用，从风车到风力发电，证明了文明和科学进步。

绿色和平组织和欧洲风能协会2002年提出了《风力12》报告，报告中指出到2020年，世界风力发电将达到世界电力总需求量的12%，我国电力发展“十一五”发展纲要中也指出，中国的风力发电将占世界风力发电总量的14%。

风力发电与火力发电和水力发电比较，具有单机容量小、可分散建设等优点。

随着国家对能源需求和环保要求力度的不断加大，风力发电的优势和经济性、实用性等优点也必将慢慢显现出来[1]。

1.1我国风力发电的发展现状

我国是世界上风力资源占有率最高的国家，也是世界上最早利用风能的国家之一，据资料统计，我国10m高度层风能资源总量为3226GW，其中陆上可开采风能总量为253GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源近1000GW。

如果风力资源开发率达到60%，仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。

我国利用风力发电起步较晚，和世界上风能发电发达国家如德国、美国、西班牙等国相比还有很大差距，风力发电是20世纪80年代才迅速发展起来的，发展初期研制的风机主要为1kW、10kW、55kW、220kW等多种小型风电机组，后期开始研制开发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛推广应用，目前有的风机已远销海外[2]。

至今，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣城、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风力发电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建GW级风电场。

截止2007年底，我国风机装机容量已达到6.05GW，年发电量占全国发电量的0.8%左右，比2000年风电发电量增加了近10倍，我国的风力发电量已跃居世界第5位。

1.1.1小型风电机组的发展

目前，我国小型风力发电机组技术已相当成熟，建设速度也较快，特别是5kW以下风力发电机组的制造技术成熟，已大量使用，并达到批量生产的要求。

100、200、300、500W及1kW、2kW、5kW的小型风力发电机，年生产能力可达到5万台以上。

1.1.2大型风电机组的发展

我国大型风电机组的开发研制工作也正在加快。

我国大型风电机组基本上依赖进口，通过多年来的开发研制，如今，大型风电机组的主要部件已基本实现国产化，其成本比进口机组低20%～30%，国产化是我国大型风电机组发展的必然趋势。

我国的大型风电机组从建设之初的山东荣成第一个风力发电场开始，到后来的广东南澳4台250kW机组、辽宁营口安装660kW风电机组、黑龙江富锦单机960kW机组，再到即将在山西、山东、江苏等地安装的大型机组，我国已建成一大批大型风力发电场，使我国风力发电迈上了一个新台阶。

我国风能资源虽然蕴藏丰富，但由于经济实力和技术力量还远不及发达国家，故我国的风力发电普及率还很低[3]。

在我国，还有一些无电村，其中部分地区风能资源丰富，应开发利用风力发电。

1.2国外风力发电的发展状况

风能的开发利用在国外发达国家已相当普及，尤其在德国、荷兰、西班牙、丹麦等西欧国家，风力发电在电网中占相当比重。

20世纪70年代发生了世界性的能源危机，欧美国家政府加大补贴投入，鼓励开展风力发电事业。

1973年联邦德国风能资源投入30万美元，到1980年投资就增至6800万美元；美国20世纪80年代初期安装了1700多台风电机组，总装机容量达到3MW；1979年丹麦能源部决定给风轮机设备厂投入补贴，政府拨款建立小型风轮机试验中心，承担发电风轮机许可证任务。

到20世纪80年代末，全球共有大型风轮机近2万台，总装机容量2GW。

国际市场风力发电成本不断降低，有些条件较好的风力发电场，机组发电成本仅为8美分/kWh，风场运行维修费为1.5美分/kWh。

从当前世界风力发电情况来看，无论从风机容量投资、年发电量、运行费用及运行稳定性等指标衡量，200～500kW的中型风电机组都具有较大竞争力。

据统计，截止2007年底，世界风力发电装机容量为94112MW，其中德国装机容量22247MW，牢牢的占据了其在风力发电领域世界领先地位，美国风机容量16818MW，居世界第二位，我国风力发电装机容量为6050MW，居世界第五位。

资料显示，目前全球有20个大风力发电场，其中有13个位于欧洲，其中德国、西班牙成为欧洲最大的风力发电国。

截至2007年末，风力发电在整个电力行业中的比例突破0.5%，在欧洲一些风电发达国家，其比例更是接近10%。

现在排在世界风力发电市场前几位，领先的是德国、美国、西班牙、丹麦、荷兰等，亚太地区新兴市场是日本和澳大利亚。

1.3我国风力资源及风电发展前景

从自然环境来看，我国居于非常有利的优势地位。

我国地域广阔，海岸线长、风力资源十分丰富。

据统计，全国平均风能密度大约为100W/m2，风能总量为3226GW，其中可供开发利用的陆上风能总量大约为253GW。

在我国东南沿海及附近岛屿、内蒙和河西走廊，以及我国东北、西北、华北、海南及西青藏高原等部分地区，每年的年平均风速在3m/s以上时间近4000h，一些地区的年平均风速在6～7m/s以上，对于风力发电来说，具有很大的开发价值和广阔的利用空间。

按“十一五”发展规划，至2010年我国风电装机总量将突破10GW。

1.3.1风力资源的分布

按风能资源密度、有效风力、风速、风能资源的分布特点来看，我国可分为6个地区：

东南沿海及其海岛为我国最大风力资源区，有效风能密度≥200～300W/m2以上，风速≥3m/s，全年出现时间为7000～8000h，风速≥6m/s的时间也在4000h左右；内蒙及甘肃河西走廊为第二大区，风能密度≥200～300W/m2以上，风速≥3m/s，全年出现时间为5000h，风速≥6m/s的时间也在2000h左右；从北向南逐渐递减；第三区为黑龙江、吉林东部及辽东半岛沿海区域，风能密度在200W/m2以上，风速≥3m/s，时间为5000～7000h，风速≥6m/s的时间也在3000h左右；第四区为青藏高原北部，风能密度在150～200W/m2，风速≥3m/s，时间为4000～5000h，风速≥6m/s的时间也在3000h左右；第五区是云南、贵州、四川、甘肃及陕西秦岭以南、河南、湖南西部和福建、广东、广西部分地区及塔里木盆地，是我国风能最小区，其有效风能密度在50W/m2以下，风速≥3m/s，时间在2000h以下，风速≥6m/s的时间在1500h以下，可有效利用风能仅为20%左右；除上述区域以外的广大地区被视为第6区，为风能季节利用区，风能密度在50～150W/m2之间，风速≥3m/s的时间为2000～4000h左右，风速≥6m/s的时间在1000h以下，其可利用风力为30%～40%左右。

1.3.2风力发电机组的种类

风力发电机组由两部分组成，一为发电提供原动力的风力机，即风轮机，另一是将其转换为电能的发电机。

（1）风力机种类

风力发电中所采用的风力机一般可分为常规型和新颖型两类。

其中常规型即传统的螺旋桨式风力机，按其运动形式不同可分为振动式、平动式、固定式和旋转式4种。

按样式不同又可分为螺旋桨式、荷兰式、多翼式、涡轮式、多风轮式和帆翼式等6种[4]。

新颖型是对常规型的革新，一般可分为竖轴风力机和增力水平轴风力机2种。

其中竖轴风力机又可分为竖轴∮式风力机、旋转翼板风力机、环量控制型风力机和S型风力机4种。

增力水平轴风力机可分为动力导流风力机和旋风型风力机2种。

（2）发电机种类

用于风力发电的发电机，一般可分为直流发电机和交流发电机两类。

其中，交流发电机又可分为同步交流发电机和异步交流发电机2种。

如果把风力机和发电机作为一个整体系统来考虑，可以把风力发电机组分为恒速恒频、近恒速恒频、变速变频和变速恒频4种系统。

1.4选题背景及其意义：

风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。

广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。

风力发电利用的是自然能源。

相对柴油发电要好的多。

但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。

偏航系统也称对风装置，它具有两个作用:

一是在可用风速范围内可以准确对风，提高风能的利用率。

二是在连续跟踪风向可能造成电缆缠绕的情况下的自动解缆。

偏航系统的存在使风力发电机能够运转平稳可靠，高效地利用风能，节约大量能源，进一步降低发电成本并且有效地保护风力发电机。

大中型风力机一般采用电动的伺服或调向电机来调整风轮并使其对准风向。

偏航系统一般包括感应风向的风向标，偏航电机，偏航行星齿轮减速器，回转体大齿轮等。

其工作原理如下:

风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

尾舵对风是指在风力的作用下，叶轮自行调至迎风位置，这种方式称之为被动迎风。

而由调向电机将叶轮调至迎风位置则被称为主动迎风。

由于风向存在随机性，被动迎风时叶轮平面频繁摆动，影响调向机构的寿命，所以被动迎风仅适用于调向力矩小的小型风力发电机中。

而对于大型的风力发电机系统，则必须设计一套主动对风的偏航控制系统。

在风力发电机组控制中，偏航控制系统控制的精确与否直接影响利用风能的效率，即风力发电机发电的多少。

同时偏航控制系统控制不精确也会使风机系统遭受不必要的外力破坏。

要想使偏航控制系统精确地控制风机，就需要使整个发电机组的中央处理单元（CPU）时时清楚风机准确的实际位置，以便做出准确的控制。

因此知道风机的准确位置显得非常重要。

过去，小风机曾采用单片机做为核心控制单元（CPU），采用其中的记数功能记录风机实时位置，但现在由于风机的容量很大，控制柜中有很大的电压和电流经过，能产生强大的磁场，对柜中的控制核心单片机产生强大的电磁干扰，容易使单片机产生误动作，造成巨大损失。

为了避免这种情况发生，我们采用西门子S7-300系列功能强大抗干扰性好的CPU315-2DP来保证控制核心单元的控制准确。

2风向传感器和执行机构

风向传感器（见图2.1）的作用是检测风向与风机叶轮法线方向的偏差，然后利用控制系统调整叶轮方向，使偏差最小。

风向传感器由风向标的角度—电信号转换器构成。

角度—电信号转换器与风向传感器的基座一起固定在机舱上，并随机舱的转动而转动。

当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中转动，产生的光电信号对应当时风向的格雷码输出，角度—电信号传感器则将该信号转换为变化的电阻信号输出[5]。

主控制器通过检测该变化的电阻值，判断当前风向角。

本次毕业设计主要使用的是厦门欣锐仪器仪表有限公司的FC-4X风向传感器。

图2-1风向传感器

2.1产品描述

一、风向传感器用途概述：

1）主要技术参数见表2-1

表2-1FC-4X风向传感器主要技术参数

型号

FC-4X

FC-4XQ

信号输出

电流信号

脉冲信号

电压信号、RS485/232信号

信号输出方式

4~20mA

1.5/M*S

0~5V、1~5V、RS485/232

输入电压

DC24VV/DC12V/DC5V

响应时间

＜2S

传输距离

＞1㎞

测量范围

0~360度全方位

4、8、16、32方向可选

测量精度

±0.5%

环境温度

E：

-20~85℃（常用）L：

-55~150℃

工作方式

连续

电位引线

三线制或二线制

材质

铝合金，表面做防水、防腐蚀处理

其他事项

可选配RS485通讯输出或RS232输出

FC-4X/4XQ风向传感器是建筑机械、铁路、港口、码头、电厂、气象、索道、环境、温室、养殖等领域用于测量风向的传感器。

用它可以外界环境的实际风向并输出相应的信号。

FC-4X/4XQ风向传感器是风向传感器和电缆线两部分组成。

本风向传感器采用海洋军用的高精度测量风向传感器，它与传统产品相比，具有精度高、量程宽、输入线电阻高、观测方便、稳定可靠等优点。

2）功能

本产品融电子技术、微电脑技术为一体。

其主要功能如下：

•能够自动检测风向信号并输出各种信号：

脉冲信号、4-20mA电流信号

3）特点

•主板核心采用自主开发MS51单片机主板及其配套的标准I/O板卡，外加相应的信号调理模块，对数据采集及输出控制可灵活变更，可靠性进一步提高；

•低功耗，数字电路全部采用CMOS芯片；

•可以长期连续工作；

•有很强的抗电磁干扰功能；

•安装方便；

2.2风向传感器构成

FC-4X风向传感器由风向传感器、传输电缆等附属装置构成。

1、风向传感器

风向传感器的风杯由高耐候性、高强度、防腐蚀和防水金属制造，传感器壳体使用铝镁合金成形，内部电路均经过喷涂三防漆处理，整个传感器具有很好的耐恶劣环境的适应性[6]。

风向传感器输出为：

脉冲信号、4-20mA电流信号。

2、电路模块

具有极可靠的抗电磁干扰能力，高低电压保护能力，能保证主机在－20℃～60℃，湿度10％─95％范围内均能正常工作。

2.3液压传动的基本原理和应用范围

液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。

液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。

液压传动的基本原理：

液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件（液压缸或马达）把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。

其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。

在液压传动中，液压油缸就是一个最简单而又比较完整的液压传动系统，分析它的工作过程，可以清楚的了解液压传动的基本原理。

2.3.1液压传动系统的组成

液压系统主要由：

动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。

1、动力元件（油泵）它的作用是利用液体把原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。

2、执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。

其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。

3、控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。

它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。

4、辅助元件除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件各种管接头（扩口式、焊接式、卡套式）、高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头、管夹等及油箱等，它们同样十分重要[7]。

5、工作介质工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。

2.4液压传动的优缺点

1、液压传动的优点

（1）体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的10％～20%。

因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；

（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速，且调速范围最大可达1：

2000（一般为1：

100）。

（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；

（4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；

（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；

（6）操纵控制简便，自动化程度高；

（7）容易实现过载保护。

（8）液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用。

2、液压传动的缺点

（1）使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁；

（2）对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；

（3）液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平；

（4）液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。

因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作，一般工作温度在-15℃~60℃范围内较合适。

（5）液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较低。

3PLC偏航控制系统硬件设计

3.1PLC的概述

3.1.1PLC的发展

随着微处理器，计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在几乎所有的工业领域。

现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反映，生产出小批量，多品种，多规格，低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正式顺应这一要求的出现，他是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

可编程序控制器（ProgrammableController----PC或PLC）他的应用面广，功能强大，使用方便，已成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到可广泛的使用[8]。

PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用得到了迅速的发展。

3.1.2西门子PLC的分类

1．S7系列：

传统意义的PLC产品，S7-200是针对低性能要求的小型PLC。

S7-300是模块式中小型PLC，最多可以扩展32个模块。

S7-400是大型PLC，可以扩展300多个模块。

S7-300/400可以组成MPI、PROFIBUS和工业以太网等。

2．M7-300/400：

采用与S7-300/400相同的结构，它可以作为CPU或功能模块使用。

具有AT兼容计算机的功能，可以用C，C＋＋或CFC等语言来编程。

3．C7由S7-300PLC，HMI（人机接口）操作面板、I/O、通信和过程监控系统组成。

4．WinAC基于Windows和标准的接口（ActiveX，OPC），提供软件PLC或插槽PLC。

3.1.3S7-300系列PLC的特点及选用的依据

S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。

品种繁多的CPU模块，信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择适合的模块，维修时更换模块也和方便。

S7-300的CPU模块（简称为CPU）都有一个编程用的RS-485接口，有的有PROFIBUS-DP接口或PtP串行通信接口，可以建立一个MPI（多点接口）网络或DP网络。

功能最强的CPU的RAM为512KB，最大8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量最大65536，模拟量通道最大为4096。

有350多条指令。

计数器的计数范围为1～999，定时器的定时范围为10ms～9990s。

S7-300的每个CPU都有一个使用MPI（多点接口）通信协议的RS-485接口。

有的CPU还带有集成的的现场总线PROFIBUS-DP接口。

PROFINET接口或PTP（点对点）串行通信接口。

S7-300/400不需要附加任何硬件，软件编程，就可以建立一个MPI网络。

使用CPU集成的PROFIBUS-DP接口或通信处理器，S7-300可以作DP网络上的主站和从站。

功能最强的CPU319-3DP的RAM存储容量为1400KB，可以插入8MB的微存储卡（MCC），有8192B存储位，2048个S7定时器和2048个S7计数器，数字量输入和输出量最多均为65536点，模拟量输入和输出量最多均为4096个，位操作指令的实行时间为0.01μS。

3.1.4PLC的基本组成

（1）CPU

CPU是PLC的核心，其作用类似于人的大脑，它能够识别用户按照特定的格式输入的各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场I/O信号的状态，发出相应的控制指令，完成预定的控制任务。

另外，它还能识别用户的指令列的格式和语法错误，并具有系统电源、I/O系统、存储器及其它接口的测试与诊断功能，CPU与其他部件之间的连接是通过总线进行的