基于S7-1200PLC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u12386基于S7-1200PLC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 130971引言 295051風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2315651.1風(fēng)力機(jī)的原理與結(jié)構(gòu) 2255011.2槳葉氣動(dòng)力分析 3148831.3氣動(dòng)功率分析 5226211.4自動(dòng)啟動(dòng)控制 5265531.5并網(wǎng)后變槳控制 6197721.6系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 9114881.7設(shè)計(jì)參數(shù) 991972控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 108062.1匯總輸入輸出變量 1033472.2設(shè)備選型 13115222.3硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài) 13168042.4程序設(shè)計(jì) 14141742.4.1輸入輸出量程轉(zhuǎn)換 14185562.4.2偏航控制 17221942.4.3啟動(dòng)組織塊OB100 1887992.4.4PID反饋控制 20209652.4.5分段比例前饋控制 22148723上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2562393.1畫面設(shè)計(jì) 2518783.2通訊連接 25291123.3變量連接 29201404控制系統(tǒng)調(diào)試 33239914.1仿真設(shè)備介紹 3341824.2設(shè)計(jì)風(fēng)況模型 3394514.3調(diào)試曲線 34160684.4調(diào)試曲線分析 365022結(jié)論 3729260參考文獻(xiàn) 38引言伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們所需要消耗的能源也越來(lái)越多，能源資源的短缺成為需要解決的最大難題，人們?cè)桨l(fā)需要新能源來(lái)解決能源短缺問(wèn)題。而風(fēng)力發(fā)電作為新能源的一種，所具有的優(yōu)勢(shì)明顯，不但對(duì)環(huán)境沒(méi)有絲毫的污染，而且還可以循環(huán)多次使用，因此風(fēng)能的這一優(yōu)勢(shì)決定了其在新能源領(lǐng)域中的重要地位，世界各國(guó)都在致力于風(fēng)力發(fā)電的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。與其他清潔能源相比，風(fēng)能不但綠色環(huán)保，而且無(wú)需代價(jià)即可獲取，并且可無(wú)盡利用。此外，從風(fēng)力發(fā)電廠角度來(lái)說(shuō)，其穩(wěn)定性強(qiáng)，風(fēng)電市場(chǎng)穩(wěn)定健康。在我國(guó)甚至世界范圍內(nèi)，風(fēng)電領(lǐng)域都取得了飛速的發(fā)展。風(fēng)電機(jī)組的大規(guī)模接入已經(jīng)成為了現(xiàn)代工業(yè)化國(guó)家風(fēng)電系統(tǒng)的主要特征，在2020年達(dá)到風(fēng)電市場(chǎng)份額的12%是歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家的首要目標(biāo)。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，人們需要的解決問(wèn)題是如何將風(fēng)電接入電網(wǎng)，以及如何規(guī)劃、運(yùn)行和自動(dòng)控制電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電是將所通過(guò)的氣流能量加以捕捉，并將其轉(zhuǎn)化為電能。其轉(zhuǎn)化步驟僅需兩步即可完成，即步驟一：風(fēng)流經(jīng)過(guò)推動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)做功，發(fā)生機(jī)械功率，步驟二：轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的風(fēng)輪，即可完成動(dòng)能與電能的轉(zhuǎn)換。山區(qū)及海上等風(fēng)里資源豐富的地區(qū)，但是山區(qū)和海上的環(huán)境比較惡劣，人煙比較稀少，為了保證機(jī)組控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，需要無(wú)人值守以及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)。本課題將以S7-1200PLC為控制器，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距復(fù)合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)變槳啟動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后變槳距復(fù)合控制，在高風(fēng)速下，采用了前饋加反饋的復(fù)合控制，以輸出穩(wěn)定的有功功率；在低風(fēng)速下，保持功率最大輸出，槳距角要保持0°。1風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1風(fēng)力機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)從工作原理的角度來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電機(jī)的機(jī)械能，進(jìn)而變?yōu)殡娔堋ｏL(fēng)力機(jī)發(fā)電原理如圖1.1所示。圖1.1風(fēng)力機(jī)發(fā)電原理作為重要的組成部分之一，風(fēng)輪可以捕捉風(fēng)能并把風(fēng)能變成動(dòng)了能，風(fēng)輪上含有槳葉，槳葉則會(huì)通過(guò)具有特定速度及角度的風(fēng)，其中角度也稱做攻角，在這種風(fēng)的作用下，槳葉會(huì)因旋轉(zhuǎn)力的產(chǎn)生發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣便實(shí)現(xiàn)了由風(fēng)能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)變，在這里轉(zhuǎn)化成的動(dòng)能會(huì)經(jīng)過(guò)增速器以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是恒速變槳型、水平軸、3個(gè)葉片的風(fēng)力機(jī)。下圖給出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。圖1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖1.2槳葉氣動(dòng)力分析所謂攻角就是槳葉弦線同氣流通過(guò)的速度方向二者時(shí)間的夾角。處于靜止?fàn)顟B(tài)的漿葉，葉片上有空氣用相同的相對(duì)速度吹過(guò)，作用在槳葉上的氣動(dòng)力大小將不會(huì)改變。攻角和相對(duì)速度據(jù)欸的那個(gè)氣動(dòng)力。因此，為便于研究，本論文假設(shè)槳葉為靜止?fàn)顟B(tài)，而且保持均勻來(lái)流速中。然而，由于漿葉表面表現(xiàn)為不均勻的空氣壓力，所以整個(gè)下表面壓力是變大的，而上表面壓力是變小的。由伯努利原理可知，上表面的氣流速度高于下表面，所以，對(duì)于槳葉來(lái)說(shuō)，其為兩個(gè)不同流速的組合：一個(gè)是空氣環(huán)繞槳葉表面的流動(dòng)，另一個(gè)是將翼型置于均勻流場(chǎng)中時(shí)圍繞槳葉的零升力流動(dòng)。在槳葉上作用的力同相對(duì)速度密切相關(guān)，對(duì)其進(jìn)行分解：一是垂直方向，二是平行方向，平行方向稱之為阻力，垂直方向上稱之為升力，垂直于槳葉葉片的力稱為升力。槳葉上的作用力如圖1.3所示。圖1.3槳葉作用力從圖1.4我們可以看出，升力與攻角呈非線性關(guān)系，攻角變大，升力系數(shù)也會(huì)隨之增加，但是快增加到最大值時(shí)，增加的速度會(huì)隨之變緩，升力系數(shù)達(dá)到最大值之后，會(huì)逐漸降低。阻力也與攻角呈非線性關(guān)系。攻角變大，阻力系數(shù)初期會(huì)減小，在達(dá)到最小阻力系數(shù)時(shí)，攻角繼續(xù)變大，阻力系數(shù)開(kāi)始增加，但是比升力系數(shù)加的較為緩慢，且升力系數(shù)同阻力系數(shù)成反比例關(guān)系。圖1.4攻角與升力和阻力的關(guān)系1.3氣動(dòng)功率分析對(duì)于風(fēng)力發(fā)電組來(lái)說(shuō)，影響其功率的主要因素就是風(fēng)速。氣流流過(guò)的面積以及氣流密度同等能大小正相關(guān)，且風(fēng)能正比于氣流速度。由Betz理論，風(fēng)力機(jī)的理論風(fēng)能利用系數(shù)為0.593，留在尾流中的旋轉(zhuǎn)功能為損失的功率部分。功率的下降主要是能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的，它隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的型式而異，所以，風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)＜0.593.進(jìn)而，風(fēng)機(jī)實(shí)際輸出功率為。上式：，，，分別指空氣密度和上游風(fēng)速，以及氣流掃掠面積，單位分別為，，。取決于。基于空氣動(dòng)力學(xué)角度，同成反比，同成正比，所以，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，我們要令槳距角=0°保持不變，這樣才能吸收更多的能量；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，實(shí)際輸出功率高于額定功率，此時(shí)，能夠通過(guò)對(duì)槳葉槳距角的大小調(diào)整，實(shí)現(xiàn)攻角的調(diào)整，將風(fēng)能利用系數(shù)減小，從而保證實(shí)際輸出功率接近額定功率，這稱之為變槳距控制。1.4自動(dòng)啟動(dòng)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，槳距角此時(shí)的角度為90°。當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，要求啟動(dòng)步驟如下：首先，要對(duì)風(fēng)速檢測(cè)，若啟動(dòng)風(fēng)俗低于實(shí)際豐富，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，然后進(jìn)行偏航對(duì)風(fēng)，風(fēng)向角與風(fēng)機(jī)偏航角的差小于等于5°時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)向?yàn)檎?，接著打開(kāi)風(fēng)機(jī)機(jī)械剎車開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)變槳，槳距角會(huì)逐漸減小，從90°減小到0°。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合，發(fā)電開(kāi)始。這是自動(dòng)啟動(dòng)的全部過(guò)程。通過(guò)之前對(duì)氣動(dòng)力進(jìn)行的分析，我們可以知道，在啟動(dòng)變槳時(shí)，要考慮到升力和阻力的配合，啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)槳距角設(shè)定值不能太低，否則風(fēng)力機(jī)會(huì)啟動(dòng)不起來(lái)。因此，啟動(dòng)時(shí)采用分段變槳，開(kāi)始時(shí)設(shè)置槳距角為40°，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到超過(guò)600rpm時(shí)，槳距角再設(shè)定為0°，保證葉片呈現(xiàn)垂直迎風(fēng)的狀態(tài)，就能夠順利啟動(dòng)風(fēng)機(jī)發(fā)電，增加轉(zhuǎn)速至1500rpm，此時(shí)就可以并網(wǎng)發(fā)電了。自動(dòng)啟動(dòng)流程如圖1.5所示。圖1.5自動(dòng)啟動(dòng)流程圖1.5并網(wǎng)后變槳控制并網(wǎng)后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)始發(fā)電輸出有功功率。若額定風(fēng)速高于實(shí)際風(fēng)速，要盡可能多的吸收風(fēng)能，讓槳距角盡可能達(dá)到最小，最好保持0°不變。當(dāng)風(fēng)速大于等于額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電組的工作狀態(tài)為額定功率運(yùn)行，需要通過(guò)控制功率，讓功率和額定功率基本保持一致?？刂品桨覆捎梅答伡忧梆伒淖儤鄰?fù)合控制?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1.6所示。我們對(duì)功率反饋信號(hào)與給定值做出比較，若實(shí)際功率高于額定功率，槳葉槳距相較之前會(huì)朝迎風(fēng)面積減小的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，反之，其轉(zhuǎn)動(dòng)的方向?yàn)槌L(fēng)面積增大的方向。變槳距系統(tǒng)經(jīng)過(guò)PID功率控制算法得到槳距角設(shè)定值后，驅(qū)動(dòng)變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行變槳。由于風(fēng)力機(jī)功率的公式我們可以得知，功率正比于風(fēng)速的三次方，因此，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速高于額定風(fēng)速，即使風(fēng)速以微小的量增加，亦會(huì)引起功率的急劇增加，此外，因?yàn)樽儤獔?zhí)行機(jī)構(gòu)通常滯后較大，所以功率控制會(huì)發(fā)生在曲線圖中，我們會(huì)看到巨大的波動(dòng)，所以如果只通過(guò)反饋控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，可能難以保證實(shí)際功率時(shí)刻處于額定功率附近。此外，鑒于風(fēng)速是個(gè)可測(cè)的外部擾動(dòng)，輸出功率受其影響極為嚴(yán)重，進(jìn)而考慮引入一個(gè)前饋補(bǔ)償器，根據(jù)風(fēng)速給定出合適的槳距角前饋值，與反饋系統(tǒng)的功率控制器輸出值相加，作為變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的槳距角設(shè)定值。通過(guò)這一方式，借助前饋控制器的快速補(bǔ)償，能夠減弱輸出功率收到風(fēng)速擾動(dòng)帶來(lái)的影響，從而大大提高了控制性能。圖1.6變槳距復(fù)合控制系統(tǒng)框圖若風(fēng)速為額定風(fēng)速在額定風(fēng)速時(shí)，可以通過(guò)PID反饋控制，使功率始終處于額定數(shù)值范圍，槳距角盡可能達(dá)到最低，位于0°附近。若風(fēng)速高于額定風(fēng)速，要想將功率控制在額定值范圍內(nèi)，則需要增大槳距角。若額定風(fēng)速以及當(dāng)前實(shí)際風(fēng)速分別為和，Δ=-為二者之差，差值越大對(duì)應(yīng)越大的槳距角設(shè)定值。所以補(bǔ)償角度可根據(jù)Δ確定，再疊加上反饋控制的輸出作為槳距角設(shè)定值。在小于額定風(fēng)速時(shí)，將槳距角置于0°。在大于額定風(fēng)速時(shí)，并通過(guò)前饋補(bǔ)償程序?qū)嘟沁M(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償角度為。并網(wǎng)后變槳距復(fù)合控制流程如圖1.7所示。圖1.7并網(wǎng)后變槳控制流程圖

1.6系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.8所示。系統(tǒng)采用S7-1200作控制器，通過(guò)PROFIBUS-DP總線連接分布式I/OET200M，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入輸出信號(hào)連接至ET200M的I/O點(diǎn)。上位PC機(jī)安裝有博圖軟件，使用博圖軟件進(jìn)行硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、程序設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)上位監(jiān)控功能，能夠檢測(cè)多種反饋信號(hào)和機(jī)組狀態(tài)參數(shù)、風(fēng)力參數(shù)以及電力參數(shù)，以保證風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。也可以獲得啟動(dòng)過(guò)程和并網(wǎng)后變槳功率控制趨勢(shì)圖。圖1.8系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)1.7設(shè)計(jì)參數(shù)本畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)恒速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行分析，對(duì)啟動(dòng)時(shí)變槳方法進(jìn)行確定，以及并網(wǎng)后高風(fēng)速下的變槳控制策略進(jìn)行確定，下表給出了詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。表1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1匯總輸入輸出變量匯總風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出變量，其中模擬量輸入包括2個(gè)風(fēng)速、2個(gè)風(fēng)向、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)溫度、冷卻水溫度、偏航角、3個(gè)定子電流、3個(gè)定子電壓、無(wú)功功率、有功功率、變槳系統(tǒng)潤(rùn)滑油油溫、變槳系統(tǒng)潤(rùn)滑油壓力、變槳系統(tǒng)潤(rùn)滑油液位、3個(gè)槳距角、傳動(dòng)系統(tǒng)冷卻水溫度、傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油溫度、傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油液位、3個(gè)主軸轉(zhuǎn)速（風(fēng)輪）、功率因數(shù)、發(fā)電機(jī)效率，共30個(gè)模擬量輸入信號(hào)。模擬量輸出包括3個(gè)槳距角設(shè)定值和變槳速度限制，共4個(gè)模擬量輸出信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸入包括發(fā)電機(jī)并網(wǎng)工作狀態(tài)、2個(gè)盤式制動(dòng)器工作狀態(tài)、冷卻風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)艙振動(dòng)信號(hào)、電纜扭轉(zhuǎn)狀態(tài)、3個(gè)偏航電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、順/逆時(shí)針偏航狀態(tài)、發(fā)電機(jī)冷卻水泵運(yùn)行狀態(tài)，共13個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸出包括順/逆時(shí)針偏航、2個(gè)盤式制動(dòng)器、2個(gè)航空警示燈、并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，共7個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)。具體輸入輸出變量如表2.1、2.2、2.3、2.4所示。表2.2開(kāi)關(guān)量輸入表2.3模擬量輸出表2.4開(kāi)關(guān)量輸出2.2設(shè)備選型選取CPU1214CDC/DC/DC，配置分布式I/OET200M，DP主站模塊選擇CM1243-5，配置4塊模擬量輸入模塊SM331，1塊模擬量輸出模塊SM332，1塊數(shù)字量輸入模塊SM321，1塊數(shù)字量輸出模塊SM322。下表2.5給出了詳細(xì)的模塊配置。表2.5模塊配置2.3硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖2.1所示。為此系統(tǒng)控制器，配置I/O模塊，借助交換機(jī)在以太網(wǎng)上連接控制器，上位PC機(jī)安裝有TIAPortalV14軟件，用于系統(tǒng)的控制程序編程和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，以及硬件組態(tài)和調(diào)試。上位監(jiān)控組件，通過(guò)以太網(wǎng)和控制器之間通訊。裝有博途軟件的機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)和控制器通訊，下載借助編譯器，PC機(jī)可以作為上位操作站運(yùn)行WinCC軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖2.1硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)視圖2.4程序設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)控制流程圖，編寫對(duì)應(yīng)的順序邏輯控制程序。因?yàn)槌绦蚴琼樞蚩刂七壿?，所以選用FC塊進(jìn)行編程分類，分為6塊程序塊：量程轉(zhuǎn)化、偏航控制、輸出量程轉(zhuǎn)換、輸入量程轉(zhuǎn)換、正常工作偏航控制、自動(dòng)啟動(dòng)。如圖2.2所示。圖2.2程序塊2.4.1輸入輸出量程轉(zhuǎn)換為了方便計(jì)算和監(jiān)視，需要把輸入量程轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制。為此選擇函數(shù)塊，通過(guò)編譯了一個(gè)輸入量程轉(zhuǎn)換塊，下圖2.3給出了詳細(xì)的輸入量程轉(zhuǎn)換SCL代碼程序以及輸入量程轉(zhuǎn)換塊的接口變量，輸出值=輸入值*（最高值-最低值）/27468+最低值。圖2.3輸入量程轉(zhuǎn)換需要把十進(jìn)制的實(shí)際數(shù)值轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制。。為此選擇函數(shù)塊，通過(guò)編譯了一個(gè)輸入量程轉(zhuǎn)換塊，下圖2.4給出了詳細(xì)的輸入量程轉(zhuǎn)換SCL代碼程序以及輸入量程轉(zhuǎn)換塊的接口變量，（輸入值-最低值）*27468/（最高值-最低值），并在輸出的時(shí)候，把REAL型轉(zhuǎn)換成INT類型。圖2.4輸出量程轉(zhuǎn)換部分量程轉(zhuǎn)換程序塊如圖2.5所示。風(fēng)速量程設(shè)定在0到25之間。圖2.5風(fēng)速量程轉(zhuǎn)換先將三個(gè)槳距角數(shù)據(jù)相加，再除以3，取平均值，以取得相對(duì)準(zhǔn)確的槳距角過(guò)程值，如圖2.5所示。圖2.5槳距角過(guò)程值2.4.2偏航控制對(duì)于偏航系統(tǒng)而言，其核心作用有以下兩個(gè)：其一，控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，保證風(fēng)機(jī)位于最大風(fēng)能吸收狀態(tài)不變，以達(dá)到最大的發(fā)電效率；其二，發(fā)揮安全保護(hù)作用，借助機(jī)組內(nèi)部鎖扣以對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，從而保證其運(yùn)行的正常。偏航控制部分程序段如圖2.6、2.7所示。如果風(fēng)速大于等于4時(shí)，角差等于風(fēng)向角減偏航角。圖2.6偏航控制程序圖2.7偏航控制程序2.4.3啟動(dòng)組織塊OB100啟動(dòng)組織塊OB100在第一掃描周期完成初始化工作。發(fā)電機(jī)組接通電源和啟動(dòng)控制系統(tǒng)初始，要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化設(shè)置，對(duì)發(fā)電機(jī)組賦予啟動(dòng)準(zhǔn)備工作狀態(tài)說(shuō)明。將啟動(dòng)信號(hào)輸出，并將槳葉槳距角初始值為90°。下圖2.8給出了詳細(xì)的程序段。圖2.8初始化程序自動(dòng)啟動(dòng)程序如圖2.9、2.10、2.11、2.12所示。用偏航控制算法，將角差求出，并判斷出是否正對(duì)風(fēng)，如果沒(méi)有對(duì)好風(fēng)，確定需要左偏航還是右偏航。如圖2.9所示。圖2.9自動(dòng)啟動(dòng)偏航控制程序當(dāng)偏航角同風(fēng)向角之間不高于5°的差角值時(shí)，風(fēng)機(jī)與風(fēng)口正對(duì)，剎車開(kāi)關(guān)松開(kāi)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2.10所示。圖2.10對(duì)風(fēng)后松開(kāi)機(jī)械剎車當(dāng)角差的絕對(duì)值小于等于5度時(shí)，根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)槳距角設(shè)定值。若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于等于50r/min時(shí)，槳距角設(shè)定值調(diào)節(jié)為60度；若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于50r/min，小于等于150r/min時(shí)，槳距角設(shè)定值調(diào)節(jié)為40度；若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于150r/min，小于等于600r/min時(shí)，槳距角設(shè)定值調(diào)節(jié)為15度；若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于600r/min時(shí)，槳距角設(shè)定值調(diào)節(jié)為0度。程序如圖2.11所示。圖2.11根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整槳距角設(shè)定值當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于1000r/min，槳距角過(guò)程值小于等于2度時(shí)，設(shè)定1S延時(shí)，之后使發(fā)電機(jī)打開(kāi)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，使其處于并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，程序如圖2.12所示。圖2.12發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到后并網(wǎng)2.4.4PID反饋控制并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速以上時(shí)需要進(jìn)行變槳距復(fù)合控制，通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角限制有功功率在額定功率300KW附近。變槳距復(fù)合控制采用反饋加前饋方式，反饋控制采用增量式PID控制算法，前饋控制采用分段比例控制。PID反饋控制程序編寫一個(gè)增量式PID控制算法功能塊，然后編譯成FB塊。SCL代碼程序如圖2.13所示。圖2.13增量式PID程序變槳功率PID調(diào)節(jié)程序如圖2.14所示，調(diào)用增量式PID算法功能塊，并賦相應(yīng)的實(shí)參，調(diào)試出合適的增量式PID控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)槳距角的微調(diào)，使功率更平穩(wěn)地穩(wěn)定在額定功率附近。圖2.14變槳功率PID調(diào)節(jié)2.4.5分段比例前饋控制前饋控制在復(fù)合控制系統(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)風(fēng)速對(duì)功率劇烈影響的槳距角值補(bǔ)償，控制風(fēng)能被發(fā)電機(jī)組吸收。采用分段比例前饋控制可以快速的、有效的補(bǔ)償風(fēng)速擾動(dòng)對(duì)功率的劇烈影響。當(dāng)風(fēng)速不同時(shí)候，采用不同的前饋補(bǔ)償系數(shù)。這里列舉部分分段比例前饋控制如圖2.15、2.16、2.17。圖2.1511.7m/s-13.5m/s分段比例前饋補(bǔ)償圖2.1613.5m/s-15.5m/s分段比例前饋補(bǔ)償圖2.1715.5m/s-17.5m/s分段比例前饋補(bǔ)償有數(shù)次前反饋控制測(cè)試，測(cè)定了發(fā)電機(jī)組的有效風(fēng)況范圍，并進(jìn)行了分段，將前饋補(bǔ)償系數(shù)調(diào)試了出來(lái)，下表2.6給出了詳細(xì)的圖示。表2.6分段補(bǔ)償系數(shù)將反饋PID控制輸出的槳距角與槳距角補(bǔ)償值相加，得到槳距角設(shè)定值，如圖2.18所示。圖2.18反饋加前饋后的槳距角設(shè)定值

3上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1畫面設(shè)計(jì)上位監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖3.1所示，在主界面中可以監(jiān)控到風(fēng)速，風(fēng)向角，偏航角，有功功率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，不同的變量用不同顏色的線繪入曲線圖，例如：有功功率是黑色的線、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是紅色的線、偏航角是粉色的線、槳距角是藍(lán)色的線。并將相應(yīng)的變量連接連入，風(fēng)速可以在柱狀圖中直觀地看到，選取風(fēng)速1和風(fēng)速2的平均值，使數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確，右邊的曲線圖可以直觀、便捷地觀察到功率、轉(zhuǎn)速、偏航角、槳距角的變化。圖3.1主界面3.2通訊連接通訊模塊,在主程序開(kāi)始時(shí)，把十進(jìn)制數(shù)16賦予QB3,如圖3.2所示。圖3.2通訊模塊首先，需要進(jìn)行PG/PC端口的設(shè)置，打開(kāi)控制面板，找到PG/PC接口設(shè)置，添加程序訪問(wèn)點(diǎn)CP-TCPIP，之后選擇應(yīng)用程序訪問(wèn)點(diǎn)為CP-TCPIP方式，為接口分配參數(shù)選擇帶有TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)卡，單擊“確定”按鈕，如圖3.3所示。圖3.3設(shè)置PG/PC接口然后為PC機(jī)與PLC控制器設(shè)置相同網(wǎng)段的IP地址，如圖3.4、3.5所示。圖3.4設(shè)置PC機(jī)IP地址圖3.5設(shè)置PLC控制器IP地址調(diào)節(jié)PM125的地址，令PM125的地址與風(fēng)力發(fā)電仿真設(shè)備地址一致，均為7。如圖3.6、3.7所示。 圖3.6PM125地址圖3.7風(fēng)力發(fā)電仿真設(shè)備地址然后測(cè)試輸入輸出點(diǎn)是否連接正確，檢測(cè)元件有無(wú)故障。最后，下載程序到PLC控制器，檢測(cè)PLC是否可以與PC機(jī)進(jìn)行在線訪問(wèn)，如圖3.8所示。圖3.8PLC在線訪問(wèn)3.3變量連接風(fēng)速、風(fēng)向角、偏航角、有功功率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變量連接如圖3.9、3.10、3.11、3.12、3.13、3.14所示。圖3.9風(fēng)速變量連接1圖3.10風(fēng)速變量連接2圖3.11風(fēng)向角變量連接圖3.12偏航角變量連接圖3.13有功功率變量連接圖3.14發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變量連接

4控制系統(tǒng)調(diào)試4.1仿真設(shè)備介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真設(shè)備E-WindTurbine，其仿真軟件能夠有效模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境及過(guò)程，并可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各種的運(yùn)行數(shù)據(jù)，還可以用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)，包括其運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)、控制策略、控制系統(tǒng)編程和調(diào)試以及運(yùn)行和維護(hù)等；控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)，包括控制系統(tǒng)的硬件選型、通訊、PLC編程調(diào)試以及HMI組態(tài)等。仿真軟件界面如圖4.1所示。圖4.1仿真軟件界面4.2設(shè)計(jì)風(fēng)況模型在調(diào)試過(guò)程中，我們需要設(shè)計(jì)風(fēng)況模型，來(lái)模擬風(fēng)力，觀察曲線并進(jìn)行調(diào)節(jié)。風(fēng)況模型如表4.1所示。表4.1風(fēng)況模型風(fēng)速波動(dòng)風(fēng)向角度持續(xù)時(shí)間12.00.00°300s14.00.10°300s12.00.00°300s10.00.10°300s4.3調(diào)試曲線調(diào)節(jié)PID參數(shù)，KP=3.0,KI=2.3,KD=3.0,令曲線相對(duì)穩(wěn)定。如圖4.2，發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)速為12m/s，有功功率快速提高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也極具提高，槳距角初始為90度，之后急速下降，之后在風(fēng)速提高14m/s后，功率迅速提高，槳距角角度也有所上升，之后在前饋和反饋控制下，有功功率迅速回歸正常，下圖為風(fēng)速=14.0m/s時(shí)的曲線峰值。圖4.2風(fēng)速=14.0m/s時(shí)的曲線如圖4.3所示，由于風(fēng)速?gòu)?4m/s下降到12m/s，有功功率急速下降，但是很快恢復(fù)到穩(wěn)定值，下圖為風(fēng)速=12.0m/s開(kāi)始時(shí)的曲線。圖4.3風(fēng)速=12.0m/s時(shí)的曲線如圖4.4，風(fēng)速由12m/s下降到10m/s，有功功率快速下降，之后趨于穩(wěn)定值，圖44為風(fēng)速=10.0m/s開(kāi)始時(shí)的曲線。圖4.4風(fēng)速=10.0m/s時(shí)的曲線4.4調(diào)試曲線分析本設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)發(fā)電組啟動(dòng)風(fēng)速、額定風(fēng)速和額定功率分別為4m/s，12m/s和300kW，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，在額定風(fēng)速的控制下，功率可以控制在300±20kW的范圍內(nèi)。發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)槳距角經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，從90度快速下降，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也快速提升到1500r/min，之后由于風(fēng)速提高到14m/s，有功功率也迅速上升，槳距角角度也有所上升，但是在前饋調(diào)節(jié)和反饋調(diào)節(jié)的復(fù)合控制下，有功功率很快恢復(fù)正常，之后由于風(fēng)速降低到12m/s，有功功率也會(huì)有所降低，但是也會(huì)很快恢復(fù)到正常300kW左右，之后風(fēng)速下降到10m/s，有功功率也趨于穩(wěn)定。在額定風(fēng)俗的控制下，有功功率基本可以控制在300±20kW的范圍內(nèi)。

結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)以S7-1200PLC為控制器，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距復(fù)合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)變槳啟動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后變槳距復(fù)合控制，以輸出穩(wěn)定的有功功率。對(duì)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，我得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：通過(guò)查詢相關(guān)資料，我了解到變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)，之后對(duì)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行槳葉氣動(dòng)力分析和氣動(dòng)功率分析。和老師進(jìn)行了關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)前饋和PID反饋調(diào)節(jié)控制的可行性的探討，之后制定了控制策略。匯總了輸入輸出變量，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了選型，完成了硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，設(shè)計(jì)了控制程序，選用了FC塊進(jìn)行編程分類，分為了6塊程序塊：量程轉(zhuǎn)化、偏航控制、輸出量程轉(zhuǎn)換、輸入量程轉(zhuǎn)換、正常工作偏航控制、自動(dòng)啟動(dòng)。設(shè)計(jì)了上位系統(tǒng)監(jiān)控畫面，對(duì)風(fēng)速、槳距角、偏航角、有功功率、轉(zhuǎn)速進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)象同主控制器連接方式為，裝有博途的電腦與控制器之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊連接。調(diào)試過(guò)程中，由于在現(xiàn)實(shí)中風(fēng)速的不穩(wěn)定性、隨機(jī)性和不可控性，加之整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)為非線性復(fù)雜多變量系統(tǒng)，因此控制方式為單獨(dú)，從而導(dǎo)致滯后和震蕩的輸出功率。所以前饋控制量添加風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)前饋控制和PID反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)，去除風(fēng)速隨機(jī)變化對(duì)功率輸出控制的不良影響，使功率快速調(diào)節(jié)到穩(wěn)態(tài)。最終，本畢業(yè)盡最大的可能保證設(shè)計(jì)科學(xué)合理，同時(shí)縮減相應(yīng)的成本。此外，保證發(fā)電機(jī)組的便捷簡(jiǎn)單和高安全性、穩(wěn)定性相對(duì)穩(wěn)定。

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