基于plc变桨系统的研究-(1)本科论文.doc
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1、摘 要风力发电作为绿色能源在全世界迅速发展,这是解决世界能源危机的重要途径,在这个背景下本文对直驱式永磁风力发电控制系统进行了应用设计。本文以风力发电的工作原理等基础理论为基本理论,得到一种控制风能的利用效率的变桨控制的基本控制策略;通过比较当前流行的几个风力发电机组的结构和不同控制方案之间的不同特点;分析了直驱式永磁风力发电的性能和特点,最终得出本机组需要采用以“同步高速、无刷励磁旋转、全功率的逆变”为核心的技术路线。本论文最后完成了风力发电机控制系统的设计,以控制系统所要实现的功能为基础,根据控制系统的要求,分析了系统输出和输入的信号,简单阐述了组成控制系统的硬件系统的可编程处理器和最主要
2、的控制信号变送器,确定了传感器的类型以及各硬件的配置;以这些为基础讨论了一些控制系统的控制策略,研究设计了主程序的流程图,变桨距控制图,并详细的研究了变桨距的控制过程,得出了控制原理和结构组成。关键词:风力发电机;控制系统;变桨控制AbstractThe rapid development of wind power as a green energy in the world , this is an important way to solve the worlds energy crisis, in this context this paper, the direct-drive pe
3、rmanent magnet wind turbine control system application design .Structures and different control schemes by comparing several currently popular among wind turbine ; This paper -based wind power works for the basic theory and other theories to obtain a controlled wind energy utilization efficiency of
4、the basic control strategy pitch control different characteristics ; analyze the performance and features direct-drive permanent magnet wind power , concluded the unit needs to adopt a synchronous speed , brushless excitation rotation, full power inverter as the core technology roadmap .Finally comp
5、leted the design of the wind turbine control system to control system functions to be achieved , based on the control system according to the requirements , the system analyzes the signal output and input , briefly addressed the composition of the control system programmable hardware systems the mai
6、n control signal processor and transmitter to determine the type and configuration of each sensor hardware ; based on these control strategies discussed some of the control system , a flow chart of the main program of study design , variable pitch control charts and detailed study of the pitch of th
7、e control process , the control principle and structure derived components.Keywords : wind turbine ; control systems ; pitch controlII目 录 摘 要I第1章 风力发电简介及背景展望分析11.1 研究背景及意义11.2风力发电简介11.3 国内外发展现状以及展望分析31.4 本论文的主要研究意义及内容6第2章 风力发电机和变桨距控制过程研究72.1变桨距控制过程研究72.1.1空气动力学原理72.1.2风速特性分析102.2电机结构类型及特点102.2.1双馈式风
8、力发电机102.2.2直驱式风力发电机11第3章PLC控制理论研究133.1 PLC的基本概念133.2 PLC的组成部分133.3 S7-300的系统结构143.4 PLC的循环处理过程143.5 S7-300的编程语163.6 PLC的供电及接地抗干扰问16第4章 直驱式永磁同步风力发电机系统控制研究184.1概述184.2变桨距系统控制194.3 风电机组控制系统的设计214.3.1风力发电机电动变桨控制系统硬件结构214.3.2 变桨系统的控制策略234.3.3控制系统的软件设计234.3.4变桨控制系统软件设计254.3.5偏航控制系统软件设计264.3.6故障报警和联锁保护28第5
9、章 总结与展望29参考文献30致 谢31 IV湖南电气职业技术学院毕业设计第1章 风力发电简介及背景展望分析1.1 研究背景及意义近年来,随着现代工业的发展和生产技术的进步,对高速、超高速的电力驱动需求日益增大,对各种驱动装置提出了越来越苛刻的性能要求,如高速高精度机床、涡轮分子泵以及飞轮储能等新型设备,要求其驱动装置不但要有很高的旋转速度,还要有很高的回转精度,并且其体积也不能太大。因此要解决这些问题,我们有必要来专门研究驱动设备的支撑系统。表1.1 国家“十二五“规划节能指标指标单位2010年2015年变化幅度/变化率燃煤工业锅炉(运行)%657075510三相异步电动机(设计)%9092
10、9424容积式空气压缩机输入比功率千瓦/(立方米分-1)10.78.59.3-1.4-2.2电力变压器损耗千瓦空载:43负载:170空载:3033负载:151153-10-13-17-191.2风力发电简介把风的动能转变成机械动能,再把机械能转化为电力动能,这就是风力发电。风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。如图1.1所示图1.1 风力发电示意图依据目前的风车技术,大约是每秒三米的微风速度(微风的程度),便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮,因为风力发电不需要使用燃料,也不会产生辐射或空气污染。风力发电所需要的装置,称作风力发电
11、机组。这种风力发电机组,大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。(大型风力发电站基本上没有尾舵,一般只有小型(包括家用型)才会拥有尾舵)风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件,它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时,桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻,目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。(现在还有一些垂直风轮,s型旋转叶片等,其作用也与常规螺旋桨型叶片相同)由于风轮的转速比较低,而且风力的大小和方向经常变化着,这又使转速不稳定;所以,在带动发电机之前,还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱,再加一个调速机构使转速保持稳定
12、,然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率,还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高,为的是获得较大的和较均匀的风力,又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况,以及风轮的直径大小而定,一般在6-20米范围内。发电机的作用,是把由风轮得到的恒定转速,通过升速传递给发电机构均匀运转,因而把机械能转变为电能。不是多大的风都可以发电,一般说来,三级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发,风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定,一台55千瓦的风力发电机组,当风速为每秒9.5米时,机组的输出功率为55千瓦;当风速每秒8
13、米时,功率为38千瓦;风速每秒6米时,只有16千瓦;而风速每秒5米时,仅为9.5千瓦。可见风力愈大,经济效益也愈大。1.3 国内外发展现状以及展望分析我国风电制造业发展迅猛,除了原来的金风科技、浙江运达加大投入,迅速扩张之外,湘电风能,上海电气、东方汽轮机、华锐风电(原大连重工集团)、中国船舶以及通用电气、维斯塔斯、歌美飒、苏司兰、西门子等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入中国风电制造业市场,还有一批中小型制造企业正在成长,依托良好的研发基础,表现出较强的发展实力。2008年,我国新增风电装机容量达到630万千瓦,过去10年的年均增长速度达到50%以上;我国在风电装机容量的世界排名中,200
14、8年跃居第4位,并有望建立起世界最大的风电市场。我国风电装机容量增长情况如图1.2所示 。单位(万千瓦) 图1.2 我国风电装机容量增长情况(单位:万千瓦)我国的风能资源分布广泛。包括山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省(市)沿海近10千米宽的地带,年风功率密度在200瓦/平方米以上;包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等省(区)近200千米宽的地带,风功率密度在200300瓦/平方米以上。2008年,全国风电容量超过20万千瓦的省份超过了12个,其中,内蒙古一枝独秀,累计风机安装容量超过了200万千瓦,紧随其后的是辽宁、河北和吉林,也都超过了50万千瓦。2008年分省新
15、增和累计风电装机容量数据见表1.2。按照“融入大电网,建设大基地”的要求,从2008年起,国家将力争用10多年时间在甘肃、内蒙古、河北、江苏等地形成几个上千万千瓦级的风电基地。 表1.2 2008年分省新增和累计风电装机容量数据序 号省、市自治区等20082008新增(千瓦)累计(千瓦)1内蒙古217225037354402辽宁73445012497603河北61925011107004吉林45720010694605黑龙江4280508363006江苏3545006482507甘肃2986506369508新疆2775005768109山东22210057230010宁夏3800039320
16、011广东7950036689012福建4600028375013浙江14728019463014山西12250012750015云南787507875016北京150006450017海南495005820018河南472505025019江西420004200020上海150003940021湖北01360022重庆1700170023湖南0165024香港0800总计全国624643012152790参照过去10年全球风能28.3%的平均发展速度,若之后我国风电产业发展顺利,至2015年前每年新增装机超过400万千瓦,年均增长25%,则2015年风电装机预计达到3000万千瓦,2020年
17、的目标可以提前5年实现。从2020年开始,风电和常规电力相比,成本优势比较明显。届时我国风电每年新增装机将达到目前欧洲的水平,即达到800万千瓦。2030年以后风电将以其良好的社会和环境效益、日渐成熟的技术、逐步降低的发电成本成为我国电力建设的重要部分,届时风电将成为火电、水电之后的第三大发电源。目前,欧洲、北美和亚洲仍然是世界风电发展的三大主要市场,三大区域新:887.7、888.1和858.9万千瓦,占世界风电装机总容量的90%以上。美国和中国再一次成为世界风电发展的亮点,美国超过德国,跃居全球风电装机首位,同时也成为第二个风电装机容量超过2000万千瓦的风电大国。中国风电发展依然强劲,2
18、008年是连续第四年年度新增装机翻番,初步计算,实现风电装机容量1221万千瓦,超过印度,成为亚洲第一、世界第四的风电大国,同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列。截止到2011年世界风电累计装机容量最多的国家如表1.3所示。单位(MW) 表 1.3 截止到2011年世界风电累计装机容量最多的国家磁轴承的优势很明显,总结起来,新一代磁轴承的主要特点为:(1)高转速:磁轴承系统中的转子转速能够达到每分钟数万转乃至数十上百万转的高速,如现在的飞轮电池的速度可以达到20万转每分钟。(2)高精度:磁轴承系统相对传统的支撑系统体积小,控制精度很高,特别适用于高精密度的仪器仪表;(3)可控性;磁
19、轴承系统的核心部件能够实时控制,其中一些动力学参数也可以通过控制器进行一定的调节;1.4 本论文的主要研究意义及内容本论文的主要内容安排如下:第一章,介绍了风力发电的研究背景,发展应用和研究现状等。第二章,讲述了风力发电机和变桨距控制过程研究。第三章,PLC控制理论研究。第四章,直驱式永磁同步风力发电机系统控制研究第五章,对本论文的工作做了一个综述总结,提出了本人对未来发展趋势的看法及下一步的研究方向。5第2章 风力发电机和变桨距控制过程研究2.1变桨距控制过程研究2.1.1空气动力学原理风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹(Betz)于1926年建立的。他假定风轮是理想的,即没有轮毂,又具有
20、无限多的叶片;气流通过风轮时没有阻力,并假定经过整个风轮扫及面时全是均匀的,而且通过风轮前后的速度都为轴向方向。 图2-1 风轮气流图 如图 2-1所示,设定风轮的气流上游截面为; 风速,下游截面为、风速;通过风轮时的实际风速为,以及风轮面积。如果假定空气是不可压缩的,由连续条件可得: (2.1)风作用在风轮上的力由Euler理论写出: (2.2)式中空气密度,(kg/m3)故风能吸收的功率为: (2.3)上游至下游动能的变化为: (2.4)由于功率是由动能转换而来的,所以,式(2.3)与式(2.4)相等,得 (2.5)则作用在风轮上的力和提供的功率分别为: (2.6) (2.7)给定上游风速
21、1,对2取微分: (2.8)最大功率即,求得两解1) =-,没用物理意义;2)以第二解代入式 (2.7),得最大功率; (2.9)将公式(2.8)除以气流通过扫掠面时风所具有的动能,可推出风力机的理论最大效率: (2.10) 上式即为著名的贝兹(Betz)理论的极限值。它表明,风力机从自然风中所能获取的能量是有限的。这就引出了风能利用系数的概念。风能利用系数表示的 (2.11)是风力机从自然风能中吸收能量的大小程度,式中风力机实际获取的轴向功率。对于变桨距风力机,风能利用系数与尖速比和桨叶的节距角成非线性关系。尖速比即为桨叶尖部的线速度与风速之比: (2.12)式中风轮的转速,(r/s);风轮
22、转动角速度,(rad/s);风轮直径,(m)据有关资料的记载和研究,风能利用系数可近似用以下公式表示: (2.13)图2-2 变桨距风力机特性曲线 由公式(2.12)得变桨距风力机特性曲线如图2-2所示的平面图。从图中可归纳以下两点: 1)对于某一固定桨叶节距角,存在唯一的风能利用系数最大值。2)对于任意的尖速比,桨叶节距角=0下的风能利用系数相对最大。随着桨叶节距角增大,风能利用系数,明显减小。以上两点为变速恒频变桨距控制提供了理论基础:在风速低于额定风速时,桨叶节距角=0,通过变速恒频装置,随风速变化改变发电机转子转速使风能利用系数恒定在,捕获最大风能,并输出电能频率不变:在风速高于额定风
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