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基于plc風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-在線瀏覽

2024-09-06 04:45本頁面
  

【正文】 ................ 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制流程圖.............................. 液壓系統(tǒng)控制流程圖................................. 控制程序設(shè)計(jì)......................................... 組態(tài)界面設(shè)計(jì)......................................... 程序調(diào)試...........................................................................................5結(jié)束語..................................................參考文獻(xiàn)..................................................致 謝.................................................. 第1章 引 言 目的和意義 由于全球人口增長和發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張,到2050年,世界能源需求可能翻番甚至增加兩倍。能源對經(jīng)濟(jì)級社會發(fā)展都至關(guān)重要,但這也帶來了環(huán)境方面的挑戰(zhàn)[1]。 風(fēng)電是目前技術(shù)最成熟、最具市場競爭力且極具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕鍧嵞茉矗l(fā)展風(fēng)電對于改善能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保障能源安全和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展等方面有著及其重要的意義[2]。目前的控制方法是:當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁力矩或風(fēng)力機(jī)漿距角使葉尖速比保持最佳值,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。但在隨機(jī)擾動(dòng)大、不確定因素多、非線性嚴(yán)重的風(fēng)電系統(tǒng),傳統(tǒng)的控制方法會產(chǎn)生較大誤差。一些新的控制理論開始應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)。使風(fēng)機(jī)控制向更加智能方向發(fā)展。隨著新型控制算法的研究和應(yīng)用,可以有效提高風(fēng)能利用效率,對于提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量,減小風(fēng)電成本具有重要意義[4]。近20多年來,風(fēng)電技術(shù)日趨成熟,應(yīng)用規(guī)模越來越大。其中我國增長最快,維持了100%的增速,當(dāng)年吊裝完成1400萬千瓦,比2008年增加了760萬千瓦,同比增長120%;歐盟實(shí)現(xiàn)裝機(jī)容量1056萬千瓦,同比增長17%;美國凈增長992萬千瓦,同比增長了19%。2010年新增風(fēng)電投資近473億歐元(650億美元)。歐洲雖然仍居首位,但是與亞洲、北美的差距正在縮小,我國風(fēng)電新增容量超過歐盟。從國別來看,我國已累計(jì)裝機(jī)容量4478萬千瓦穩(wěn)居榜首,美國以4027萬千瓦的裝機(jī)容量位居第二,德國則以2736萬千瓦的容量位居第三位,西班牙和印度位居第四和第五,累計(jì)裝機(jī)容量分別為2030萬千瓦和1297萬千瓦。 從發(fā)電量占本國的比例來看,丹麥仍居世界榜首,約占本國發(fā)電量的22%,西班牙以占據(jù)本國發(fā)電量13的比例位居第二,位居前五位的國家還有葡萄牙、愛爾蘭和德國,占本國發(fā)電量的比例分別是12%,10%和8%。我國風(fēng)電裝機(jī)容量雖然居世界第二,但是發(fā)電量占全國發(fā)電量的比例還很低,%,位居世界22位,比美國落后十個(gè)位次。2009年,風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)超過300萬千瓦的國家已經(jīng)達(dá)到10個(gè),2000年還只有5個(gè)。 面對2009年世界風(fēng)電逆勢飛揚(yáng)的新形勢,世界風(fēng)電普遍調(diào)高了2020年風(fēng)電發(fā)展預(yù)期。 我國地域幅員遼闊,風(fēng)能資源豐富。而根據(jù)國際研究機(jī)構(gòu)的初步測算,不包括新疆、西藏等西部地區(qū),我國風(fēng)能密度在300W/㎡以上的陸地面積超過65萬平方公里,可以安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)37億千瓦;風(fēng)能密度在400W/㎡以上的陸地面積超過28萬平方公里可以安裝14億千瓦的風(fēng)力發(fā)電裝備。 我國在20世紀(jì)60年代就開始研制有實(shí)用價(jià)值的新型風(fēng)力機(jī)。離網(wǎng)式小風(fēng)電機(jī)組對解決邊遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)、牧、漁民基本生活用電發(fā)揮了重大作用。我國西部地區(qū)已有20多萬戶農(nóng)牧民安裝了小風(fēng)電機(jī)組,為接近100萬農(nóng)牧民提供了電力,成為我國風(fēng)力發(fā)電的一大特色。從長遠(yuǎn)看,我國常規(guī)能源資源人均擁有量相對較少,為保持經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展,按目前估計(jì)的技術(shù)可開發(fā)儲量計(jì)算,風(fēng)電年發(fā)電量可達(dá)幾萬億千瓦時(shí)。龐大的裝機(jī)和發(fā)電量需求,給風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展提供了廣闊的空間。2020年之后的風(fēng)電超過核電成為第三大主力發(fā)電電源,在2050年前后達(dá)到或超過4億千瓦,超過水電,成為第二大主力發(fā)電電源。風(fēng)電界整體上對機(jī)組技術(shù)的認(rèn)識不再有大的分歧,開始集中力量向大型化、高質(zhì)量和高效率方面發(fā)展,新的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的失速功率調(diào)節(jié)方式和變槳距調(diào)節(jié)方式是目前大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能的收集和轉(zhuǎn)換的主要功率調(diào)節(jié)方式。這種方式有結(jié)構(gòu)簡單、故障概率底的優(yōu)點(diǎn),一度在風(fēng)電機(jī)組中很受歡迎得到普遍采用[9]。另一個(gè)缺點(diǎn)是葉片形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大,引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,在研制大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)更為突出。采用變速恒頻技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組允許其風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速是可變的,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可根據(jù)風(fēng)電機(jī)組受風(fēng)的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整,以最大限度地吸收風(fēng)的能量,提高了風(fēng)輪(特別是在低風(fēng)速區(qū))的轉(zhuǎn)換效率。 單機(jī)容量大型化發(fā)展趨勢。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化、單機(jī)裝機(jī)功率的提高,是所有風(fēng)電機(jī)組研究、設(shè)計(jì)和制造商不斷最求的目標(biāo)。8MW、10MW的風(fēng)電機(jī)組也已研制成功,即將投入商業(yè)應(yīng)用[10]。其原因在于,海上風(fēng)電場的優(yōu)勢明顯:具有較高的風(fēng)速;對環(huán)境的負(fù)面影響較少;風(fēng)電機(jī)組距離海岸較遠(yuǎn),視覺干擾很??;允許機(jī)組制造更為大型化,從而可以增加單位面積的總裝機(jī)量;機(jī)組噪聲排放的控制問題也不那樣突出。 研究設(shè)想及方法 本次設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng),主控制器為PLC,主要完成的功能有風(fēng)車具有適應(yīng)風(fēng)向的功能、在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超出設(shè)定角度值時(shí),具有自動(dòng)解纜功能、能對風(fēng)力的大小進(jìn)行監(jiān)測,并根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施。 本設(shè)計(jì)從工業(yè)實(shí)用角度出發(fā),研究基于PLC的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。此外,還必須涉及硬件電路的設(shè)計(jì),才能將PLC控制和風(fēng)力發(fā)電電路成功連接。深入研究風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性和規(guī)律對于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)具有十分重要的指導(dǎo)意義??刂葡到y(tǒng)對提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性有很大的作用,所以有必要對控制系統(tǒng)和控制過程進(jìn)行分析。 控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是自動(dòng)控制風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行,依據(jù)其特性自動(dòng)檢測故障并根據(jù)情況采取相應(yīng)措施。控制部分設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式?,F(xiàn)場數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)或電信系統(tǒng)送到風(fēng)電場中央控制室的電腦系統(tǒng),還能傳輸?shù)綐I(yè)主所在的城市的總部辦公室。第2章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作原理 本設(shè)計(jì)針對的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 葉片:風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,它由氣動(dòng)性能優(yōu)異的葉片(目前大型商用風(fēng)電機(jī)組一般為2~3個(gè))裝在輪轂上組成。上述這些部件都安裝在機(jī)艙平面上,整個(gè)機(jī)艙由高大的搭架舉起,由于風(fēng)向經(jīng)常變化,為了有效地利用風(fēng)能,必須要有迎風(fēng)裝置,它根據(jù)風(fēng)向標(biāo)測得的風(fēng)向信號,由控制器控制偏航電機(jī),驅(qū)動(dòng)與塔架上大齒輪嚙合的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),使機(jī)艙始終對風(fēng)。 增速齒輪箱:齒輪箱連接低速軸和高速軸的變速裝置,它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的100倍。風(fēng)電機(jī)上的發(fā)電機(jī)與普通電網(wǎng)上的發(fā)電設(shè)備相比,有所不同:風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)需要在波動(dòng)的機(jī)械能條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。 偏航裝置:借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙,以使轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整風(fēng)向的最佳切入角度。通常,在風(fēng)改變其方向時(shí),風(fēng)電機(jī)一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。在運(yùn)行過程中,當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí),槳距角保持在0176。此時(shí)控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié),形成閉環(huán)控制。通常高的塔具有優(yōu)勢,因?yàn)殡x地面越高,風(fēng)速越大。根據(jù)底座的不同,支撐塔可以為管狀,也可以是格子狀。格狀的塔的優(yōu)點(diǎn)在于它重量輕,技術(shù)相對成熟(與海上石油鉆井臺原理相同)??刂葡到y(tǒng)的性能優(yōu)劣對風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率和使用壽命有至關(guān)重要的影響[13]。 系統(tǒng)工藝流程 風(fēng)力機(jī)控制模式主要有:初始化、待機(jī)、啟動(dòng)、運(yùn)行、發(fā)電、停機(jī)、維護(hù)、幾種模式間的轉(zhuǎn)換、停機(jī)條件、維護(hù)條件。變化范圍85176。 待機(jī):風(fēng)機(jī)經(jīng)過初始化完成,延時(shí)20s后;或停機(jī)步驟完成后,轉(zhuǎn)速2 rpm與最小葉片角度83176。;自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活;允許進(jìn)行偏航解纜; 允許進(jìn)行故障復(fù)位。否則槳距角設(shè)定值為50176。 運(yùn)行: 延時(shí)45s且風(fēng)與機(jī)艙的位置偏差小于45176。 進(jìn)入運(yùn)行模式時(shí),控制程序?qū)ο铝袇?shù)進(jìn)行設(shè)定:槳距角設(shè)定值為0176。 發(fā)電: ,風(fēng)機(jī)由運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到發(fā)電模式。;轉(zhuǎn)矩控制器激活;變槳控制器激活;逆槳速度限值為2deg/s,順槳速度限值為5deg/s; rpm;變頻器啟動(dòng);自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活。進(jìn)入停機(jī)模式時(shí),控制程序?qū)σ韵聟?shù)進(jìn)行設(shè)定:槳距角設(shè)定值為89176。 順槳速度限值根據(jù)觸發(fā)停機(jī)的故障級別不同,分為三種情況限制: 當(dāng)系統(tǒng)存在一級故障時(shí),風(fēng)機(jī)正常停機(jī)。/s; 當(dāng)系統(tǒng)存在二級故障時(shí),風(fēng)機(jī)快速停機(jī)。/s; 當(dāng)系統(tǒng)存在三級故障(即安全鏈故障)時(shí),風(fēng)機(jī)緊急停機(jī)。/s。 緊急停機(jī)時(shí),轉(zhuǎn)速 5rpm 后轉(zhuǎn)子剎車機(jī)構(gòu)激活。96176。/s:變頻器停止運(yùn)行:允許手動(dòng)偏航;允許手動(dòng)變槳。 停機(jī)條件:進(jìn)入停機(jī)模式觸發(fā)條件:全局故障;柜門停機(jī)或緊急停機(jī)按鍵、維護(hù)模式;偏航位置值大于690度;發(fā)電模式下轉(zhuǎn)速低于10rpm維持15min,或低于6rpm維持5min,或低于4rpm;運(yùn)行模式下維持15min[14]。 齒輪箱及冷卻系統(tǒng)基本控制原理 油溫5℃,加熱器啟動(dòng), 5℃時(shí)3分鐘之后,加熱器停止; 低速軸轉(zhuǎn)速、發(fā)電、停機(jī)狀態(tài)且油溫 5℃ 低速; 低速軸轉(zhuǎn)速40℃ 高速; 油溫50℃,水泵啟動(dòng),直到45℃,水泵停止; 油溫60℃,水空風(fēng)扇啟動(dòng),直到55℃,水空風(fēng)扇停止; 油溫60℃或軸溫70℃,空冷風(fēng)扇(高速)啟動(dòng),直到油溫50℃或軸溫65℃,空冷風(fēng)扇停止; 油溫80℃,風(fēng)機(jī)進(jìn)入正常停機(jī)模式; 高速軸溫(葉輪、發(fā)電機(jī)側(cè))90℃,風(fēng)機(jī)為正常停機(jī)模式。偏航和解纜狀態(tài): 偏航解纜和迎風(fēng)分別對應(yīng)的閥置位,系統(tǒng)壓力P4為150bar左右,偏航壓力P1維持在25bar左右。 系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)模式并且為緊急停機(jī)模式(故障等級三安全鏈動(dòng)作),保證葉輪速度降為小于5rpm,抱閘動(dòng)作; 油位油溫開關(guān)。 油溫開關(guān):常閉觸點(diǎn),未達(dá)到警戒溫度70度時(shí),402DI48輸入高電平(四通道亮)。 偏航系統(tǒng) 在不同的風(fēng)速條件下,偏航的動(dòng)作方式不同,分為高風(fēng)速偏航和低風(fēng)速偏航。延時(shí)210s,風(fēng)機(jī)偏航。延時(shí)20s,風(fēng)機(jī)偏航。延時(shí)250s,風(fēng)機(jī)偏航。延時(shí)25s,風(fēng)機(jī)偏航。 解纜停止條件: 情況1:偏航位置回到小于360度,對風(fēng)角度(風(fēng)向標(biāo)數(shù)值與180度差值) 小于30度; 情況2:偏航位置小于40度。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng),主控制器為PLC,主要完成的功能有風(fēng)車具有適應(yīng)風(fēng)向的功能、在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超出設(shè)定角度值時(shí),具有自動(dòng)解纜功能、能對風(fēng)力的大小進(jìn)行監(jiān)測,并根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施。 本設(shè)計(jì)從工業(yè)實(shí)用角度出發(fā),研究基于PLC的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。此外,還必須涉及硬件電路的設(shè)計(jì),才能將PLC控制和風(fēng)力發(fā)電電路成功連接。 數(shù)據(jù)采集:利用傳感器,風(fēng)向標(biāo)等檢測裝置對溫度、壓力、液位、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。 齒輪箱控制:主要對齒輪箱溫度,油位,油泵等進(jìn)行控制。液壓系統(tǒng)主要為高速軸剎車和偏航剎車提供壓力。 其他控制:照明、液壓、溫度、故障處理等控制[15]。 。包括工作原理圖、工藝流程圖和系統(tǒng)示意圖。第3章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PLC概述 PLC的發(fā)展歷程 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。 PLC技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展,由最初的一位機(jī)發(fā)展為8位機(jī)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來,隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化PLC得到了驚人得發(fā)展,事PLC在概念、設(shè)計(jì)、性能價(jià)格比以及應(yīng)用等方面都有了新的突破?,F(xiàn)在PLC不僅能得心應(yīng)手的應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化,而且還可以應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)的過程控制系統(tǒng),所有這些已經(jīng)使之成為自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的三大支柱之一,即使在現(xiàn)場總線技術(shù)成為自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用熱點(diǎn)的今天,PLC仍然是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中不可缺少的控制器。CPU是以分時(shí)操作方式來處理各項(xiàng)任務(wù)的,計(jì)算機(jī)在每一瞬間只能做一件事,所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動(dòng)作,所以它屬于串行工作方式。機(jī)器上電后對PLC系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化,包括硬件初始化,I/O模塊配置檢查,停電保持范圍設(shè)定,系統(tǒng)通信參數(shù)配置及其他初始化處理等。PLC上電處理階段完成以后進(jìn)入掃描工作過程。PLC每掃描一次,執(zhí)行一次自診斷檢查,確定PLC自身的動(dòng)作是否正常,如檢查出異常時(shí),CPU面板上的LED及異常繼電器會接通,在特殊寄存器中會存入出錯(cuò)代碼;當(dāng)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí),CPU被強(qiáng)制為STOP方式,所有的掃描便停止。每一次掃描所用的時(shí)間稱作掃描周期或工作周期。當(dāng)PLC上電后,處于正常運(yùn)行時(shí),它將不斷重復(fù)掃描過程,并不斷循環(huán)重復(fù)下去。這三個(gè)階段是PLC工作過程的中心內(nèi)容,也是PLC工作原理的實(shí)質(zhì)所在。接著系統(tǒng)進(jìn)入程序執(zhí)行階段,在此階段和輸出刷新階段,輸入映像寄存器與外界隔離,無論輸入信號如何變化,其內(nèi)容保持不變,直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段,才重新寫入輸入端的內(nèi)容。(2) 程序執(zhí)行階段進(jìn)入程序執(zhí)行階段后,一般來說(因?yàn)檫€有子程序和中斷程序的情況),PLC按從左到右、從上到下的步驟順序執(zhí)行程序。然后進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算,最新的運(yùn)算結(jié)果馬上再存入到相應(yīng)的元件映像寄存器中。 (3) 輸出刷新階段 在用戶程序執(zhí)行完畢后,元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)(接通∕斷開)在輸出刷新階段一起轉(zhuǎn)存到輸出
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