基于PLC的风力发电机组偏航系统的控制-机电一体化毕业论文

南昌航空大学自学考试毕业论文题目基于PLC的风力发电机组偏航系统的控制专业机电一体化学生姓名论文编号准考证号指导教师2017年度上(上/下)II基于PLC风力发电机组偏航系统控制III摘要随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高。以石油、煤炭、天然气为的常规能源，不仅资源有限，而且还会在使用中造成严重的环境污染。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。风能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源己受到全世界的重视，而风力机的偏航系统能使风能得到更好的利用，所以偏航系统的设计非常的重要。本设计首先分析了偏航系统的工作原理，然后以三菱PLC作为控制器，触摸屏为监控器，设计了硬件系统模块，整个硬件系统采用了闭环控制，并说明了开环控制的缺点。根据偏航控制要求，设计了自动对风控制算法，自动解缆控制算法，90°背风控制算法，不仅提高了风能利用率，增大了发电效率，而且还保证了整个系统的安全性、稳定性,让风力发电机更好的运行。关健词：偏航系统；硬件设计；自动对风；自动解缆IV目录摘要...........................................................................................................III1概论.........................................................................................................11.1设计背景……………………………………………………………………………11.2设计研究意义……………………………………………………………………....11.3国内外风力发电概况………………………………………………………………21.3.1世界风电发展…………………………………………………………………………….21.3.2我国风电发展…………………………………………………………………..22偏航控制系统功能简介与原理……………………………………….…32.1偏航控制系统功能...................................................................................................32.2风力发电机组偏航控制原理………………………………….…………………..33偏航系统的控制过程……………………………………………………..53.1自动偏航控制.............................................................................................................53.1.1自动偏航传感器ASS状态……………………………………………………………….53.1.2参数说明和电机运行状态………………………………………………………………63.1.3偏航控制流程图…………………………………………………………………………63.1.4偏航电机电气连接原理图………………………………………………………………73.1.5偏航对风控制PLC程序…………………………………………………………………73.290°侧风控制……………………………………………………………………73.3人工偏航控制……………………………………………………………………93.4自动解缆控制……………………………………………………………………94总结…………………………………………………………………….105参考献…………………………………………………………………11致谢………………………………………………………………………..1211概述1.1设计背景电能作为一种应用最广泛和最方便的能源，己经成为当今社会发展和人们生活中必不可少的一部分。它的利用也已经渗透到生产中的每一个角落，有力地促进了社会生产力水平和人们生活水平的提高。随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高，然而，随着以石油、煤炭、天然气为主的常规能源的短缺和环境污染问题的日益加剧，世界能源结构正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生绿色能源为基础的可持续能源系统转变。风能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源,对其开发利用十分必要。在21世纪的今天，众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化范围最广、最为经济的，当数风力发电。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也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，随着叶片空气动力学、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如今的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全叶片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，已从内陆转移到海上。1.2设计研究意义由于在目前技术条件下风电与火电、水电相比，从造价、电能质量、设备制造和控制技术等领域存在劣势，使得风电领域的理论和应用研究工作与欧洲等发达国家相比，仍然存在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还不是很成熟，致使我国大型风力发电机组儿乎全部为国外进口产品。这样不仅耗费大量外汇，风力发电机组的后期维护也受制他人。因此，对风力发电机组偏航系统进行科学、合理的控制，能够使得风轮最大程度的捕获风能，发出更多的电量。同时，深入研究风力发电的各项技术对于持久开发风能和实现大型先进风力发电机组国产化具有重要意义。21.3国内外风力发电概况1.3.1世界风电发展近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。风力发电机组容量的大型化、重量的轻型化、容量的高可靠性、高效率、低成本将成为风电产业的发展趋势。根据全球风能委员会报告，2005年全世界新增风电装机容量11769兆瓦，比上年增加3562兆瓦，增长43%；新增风电总投资达120亿欧元或140亿美元。截至2005年底，世界风电装机总容量为59322兆瓦，同比上年增长25%。目前，已有48个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，政策法规对风电发展起到了至关重要的作用。而欧洲仍是风力发电市场的领导者，其装机容量逐年增加，占全世界风电总装机的69%，约提供了欧盟近3%的电力消费量。据预测，全世界风力发电每年以30%左右的速度增长，到2020年风力发电将占世界电量的20%。1.3.2我国风电发展我国风能资源比较丰富，近十几年来，对风能资源状况作了较深入的勘测调查，全国可开发利用的风能资源总量约2.5亿kw。东南沿海和山东、辽宁沿海及其岛屿，内蒙古北部，甘肃、新疆北部以及松花江下游等地区均属风能资源丰富区，年平均风速≥6m/s，有很好的开发利用条件。这些地区中很多地方常规能源贫乏，无电或严重缺电，尤其是新疆、内蒙古的大部分草原牧区以及沿海几千个岛屿，人口分散，电网难以通达，或无电力供应，或采用很贵的柴油发电。如果能够充分开发地区的风能优势，则风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电力短缺的难题，在西北经济落后地区既可以提高当地人民生活水平，又可以增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度。所以，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。可是，由于低电压穿越现象的存在，使得发出的电量不能及时并网，从而导致风电的发展目前陷入了一个萧条期，而低电压穿越问题至今没有根本的解决方案。32偏航控制系统功能简介和原理偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统，是风力发电机组电控系统必不可少的重要组成部分。在风力发电中，为了提高风能利用率，风力发电机组的偏航系统要具有自动偏航的功能，即偏航系统要自动准确对风。风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统，主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式；被动偏航指的是依靠风力，通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，除此之外，偏航系统还必须具备故障检测功能。2.1偏航控制系统的功能偏航控制系统主要有三个功能：1.正常运行时自动对风：当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或者向右调向的指令，机舱开始对风，知道达到允许的范围内，自动对风停止；2.绕缆时自动解缆：当机舱向同一方向累计偏转达到一定的角度时，系统控制停机，或者此时报告扭缆故障，机组自动停机，等待工作人员来手动解缆；3.失速保护时偏离风向：当有特大强风发生时，机组自动停机，释放叶尖，背风，以达到保护风轮免受损坏的目的。2.2风力发电机组偏航控制原理本文风力机偏航的工作原理是：通过风传感器检测风向，并将检测到的风向信号送到微处理器三菱PLC中，微处理器PLC计算出风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方向时，微处理器PLC发出一定的信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，从而达到对准风向的目的。为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风结束后，风向标失去电信号，偏航电机停止转动，偏航过程结束。其具体偏航过程控制原理如下图2-1所示:4图2-1偏航控制原理框图本系统采用三菱PLC作为控制器，实行闭环控制，用触摸屏作为人机界面设备，对整个系统有监督控制功能。本系统还可将风力发电机组中的普通三相交流偏航电机换成步进电机，相对普通电机来说，它可以实现开环控制，提高偏航控制的精度，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和位移控制，无需反馈信号。但是步进电机不适合使用在长时间同方向运转的情况，容易烧坏产品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳，工作效率较低。开环控制系统的优点是结构简单，比较经济。缺点是它无法消除干扰所带来的误差。而在闭环控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，信息就能及时反馈给微处理器，产生相应的控制指令去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，能够更好的检测执行器的过程，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。除此之外，系统的主要硬件还包括：风向传感器，偏航驱动电机等。它们的外观分别如下图2-2和2-3所示：图2-2带有避雷装置的风向传感器图2-3偏航驱动装置其中，风向传感器采用绝对式传感器，绝对式风向传感器一般由风向标和旋转编码盘组成，风向标可随风自由转动，其方向与风向一致，旋转编码盘安装在风向标的转轴上，风向标转动带动旋转编码盘轴转动，当编码盘处于不同的位置时，就会输出不同的风向。53偏航系统的控制过程为了实现这样的伺服控制，首先要对整个偏航系统的控制过程进行分析。偏航系统的控制过程可以分为：风向标控制的自动偏航，人工偏航，风向标控制的90度侧风，自动解缆。3.1自动偏航控制该过程是通过风向传感器输出信号，由PLC判断偏航情况，并给出偏航控制。风向是随机的，为了使风力发电机吸收的功率最大，发挥最大效能，机舱必须准确对风；因此必须使叶轮法线方向与风向基本一致。当风向改变，超过允许误差范围时，系统PLC发出自动偏航指令，传感器和偏航电机组成的对风系统执行校正动作，使机舱准确对风。在实际的偏航控制中，带有解缆传感器的自动偏航控制过程分析：连续一段时间检测风向情况；根据自动偏航风向标传感器ASS信号给出偏航控制指令。当ASS=00时，表明机舱已处于对风位置；若ASS=11，则表明进行的是钝角偏航，为了有效地防止电缆缠绕，读上次