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基于plc风力发电控制系统的设计【实用文档】doc
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摘　 　要

全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到2０50年，世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。能源对经济级社会发展都至关重要,但这也带来了环境方面的挑战。我们必须探索能源生产与消费的各个方面,包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质，还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。风力发电的发展是时代的需要。
在风力发电控制系统中，基于PＬC为主控制器的设计是未来的发展方向。本设计基于PLC的风力发电控制系统,旨在保证风力发电机偏航系统、齿轮箱、液压系统、发电机正常工作；通过选择合适的控制方法,使系统能更加稳定的运行，进而可以有效提高风力利用率.
设计中主要对发电机控制电路、偏航控制电路、齿轮箱及液压站的运行和工作情况进行了设计,并绘制了相应的电气原理图。在控制电路中还说明了PLＣ、电动机及相应低压器件的型号选择，绘制了I／O接线图;在发电机控制电路中，设计了发电机的转速控制方面；偏航电路中，设计了对风、解缆功能；在液压系统中，设计了温控、压力控制功能；在齿轮箱系统中，设计了油位控制功能。
同时在设计中还详细编写了各部分的控制程序,并进行了相关调试，另外利用S７—200仿真软件进行了系统仿真验证，仿真结果满足设计要求。

关键词：可编程控制器；偏航；液压系统;控制系统；风力发电

ABSTRACＴ

Gloｂal pｏpｕｌatｉon growｔｈ anｄ developinｇ ｅcｏnｏmic expansion, to 2050, world eneｒgｙ demａnｄ may　douｂle ｏr evｅn ｉnｃreaｓｅｄ tｗo tiｍes． Tｈｅ　wholｅ of ｌiｆe on　earth　depｅndｓ on　both tｈe　eneｒgｙ　ａnd the ｃarbon cyclｅ。 Ｅnergy ｆor economic　ｓｏｃial dｅvelｏｐｍeｎt are　ｃruｃial, but it ｈas　ａｌso brouｇht　ｅnｖiｒoｎmentａl cｈalｌenges. Ｗｅ must　eｘｐｌoｒe the energy　prｏｄｕcｔioｎ ａｎd conｓumption in　aｌl　ａｓpｅcｔs， incluｄing impｒｏviｎg energy efｆｉciｅｎcy， ｃlean　eneｒgy， the　ｇlｏbal cａrbｏn cyｃle， ｃarbon ｒeｓoｕrce, waste　ａnd biomass，　bｕt　alsｏ　pay attention tｏ thｅｍ and cliｍaｔe　anｄ natuｒal　ｒeｓｏurce prｏblems beｔｗeen。 Wind poｗｅr dｅvｅｌopｍent　iｓ　the　need ｏf　ｔhｅ　timｅs.
Ｉn ｔｈe wｉｎd　poｗｅr coｎｔroｌ　ｓｙｓｔem ｂased oｎ Pｒoｇraｍmaｂlｅ Logic　Coｎtｒoller (PLC）， mａinly ｉｓ tｈe deｓｉgn oｆ futｕｒe develｏｐment　directｉｏn．　Bａseｄ oｎ the　dｅsｉgn ｏｆ PＬC winｄ power cｏｎtｒoｌ sysｔｅm, iｎ oｒdｅr　to ｅnｓure　tｈe ｗiｎdｍｉｌl　ｇｅｎｅratoｒ ｙａｗ sｙstｅm，　geaｒ box，　hydraulic sysｔｅm， the genｅrａｔor　wｏrk; ｂy ｓeleｃting ａppropriate contｒｏl mｅtｈｏd， makｉng tｈe ｓystｅｍ mｏre　staｂlｅ oｐeratiｏｎ,　wｈiｃh caｎ　effeｃtively imｐrovｅ ｔhe ｕtｉliｚation　ratｅ of wind power.
Desiｇn of the main　ｇenerator conｔrol circuit, conｔrol　cirｃｕit，　ｇearｂｏx and　hydrａulｉc sｔａtioｎ ｒunｎing and ｗorking ｃondｉtiｏｎs ｆor ｔhe design,　and ｄraw　the corｒｅsｐoｎｄing ｅlｅcｔrｉcal schemａtic diａgｒaｍ。 The control　cｉｒcuiｔ also shoｗｓ PＬＣ， motor anｄ corresponding low ｖoltａge　devｉces ｍｏdｅl ｓeｌecｔｉon，　reｎderiｎg ｔhe　I ／ O wiｒｉng ｄiagｒam; ｉn geｎerator ｃontrｏｌ cｉrcuit，　design ｏf tｈｅ　ｇeneraｔor sｐｅｅｄ cｏntrｏl; yaｗ　ｃircｕｉt,　design　of　ｗｉｎd， stａrｔｉｎg ｆｕncｔion; in thｅ hydｒaｕlic system, ｄｅｓiｇn temperature control， ｐressure control funcｔion;　ｉｎ ｔｈe gear box　ｓystｅm， design ｔhｅ level　controｌ　fｕｎction。
Iｎ the desｉｇn of thｅ dｅtａiled　wriｔｔeｎ　ｐarｔs ｃｏntrol progrａm， and the relevant debugｇｉnｇ，　whilｅ ｕsing S7－２０0 sｉｍulａtion ｓoｆtware　simulatioｎ systeｍ，　aｎd ｔhｅ ｓimulａtioｎ reｓulｔs and ｍeｅt　the　design　ｒequirｅmeｎｔｓ.

Key　ｗoｒd：Pｒｏgrammａble Logic Coｎtrollｅｒ;Yaw；Hｙdrauｌic ｓyｓtem; Ｃontｒol　sysｔeｍ；Wind Ｐowｅr

目录
1引言
1．１选题目的和意义．．．。。．．．．.．。..．。....．。.．。...．．。．.．...．。..．.。．
1.2国内外风力发电现状。。.．。．..。．....．。。．．。。..。．．。．．..．.．.．。...。
１.2。１国外风力发电现状.。．．．．.．.．.．．。。..。.。。．．。。..。..．．.。..。.。．.
1．2.2国内风力发电现状．．.．..．.．．．。。．。.．..。..。。.．..。.。。．．..．.．。.
１。２.3风电机组发展趋势.．．。．。....。．。..。..。．。。。.。。...。。。。。.．．．．.．。
1.2．4海上风电场的兴起．．..．．。．。..。。...。。．.。...．。．.．．．.．.．.。。..。.
1．3 研究设想及方法．．.。..。。．.。．。。..。。.．。。。．。.．.。..．．。．。.。...．.。．。
1.４ 预期成果及意义.。。。...。．。。．．。。。..。。...．．。．。.．.．.．..．.。。.．．。。
２系统整体方案设计．。。.。。.．.。...。．.。．。。。.。．．..。.。。。．。。.。..。.．.．．
2。1 系统工作原理。.。.．.．。。.。.。。。.。。.。..。.．．.。.。.。.。...．。.．。.。.．
2.2 系统工艺流程。．．．。。.。.．．。.。．．．．．.。．。。.。.．。..。.。．。.．..．.。。．．。.
2。2.1控制模式介绍。。。..．。.．．..。．。.．。。．。。。．。。.。.。．.．.。．．.。..。.。。
２。2．2各部分控制介绍。．.。．。.。。.。。．。.．．．．。。．。．.．.。．.。。．．。。.．.。..。
2。3　系统总体设计方案．..。..．.。..。.。。.。。．。。．．．。.。.。。。.．。．。。．。．..
2.4本章小结．．。.．.．.．．。。。.．．.．....。．。..。..。。.......。.。．．...。..
3控制系统硬件设计。.。。。．...。。．.。．..．。.。..。。.．.。。．．.．．.．.。．。.。。
３．1 ＰLC概述．。。．.．．.。.。。..。．。。。。．．．．．。。。..。．....。...。．．．。．．．。。
3。１．１　ＰLＣ的发展历程.．。．．。.。。。。。.．．．.。.。。。.。。。。.．.．.。．．.．.．．。。
３.1.2　PＬC的工作原理。。..。。。。。．.。。。.．．.。..。．．.．.．.。。。。。．．.．。．．。
３.1.３ 控制系统的I/O通道地址分配。．.．。.。.。..。...。。。．．....．..．.
3.1．4　PＬＣ系统选型..．。.。．．。。。..。．。.。。。。。.。。。．。..。．。。。.．。。..。.
3。2 扩展模块选型.。.。.。．...。。。.。..。。.。．．。..。.．．。．．.．。．。．。．..
3．２。1 数字量输出扩展模块EM２2２．。．...．．...．.．。．...。．．.。。．。...。．
3.２．2 数字量输入∕输出扩展模块EM２2３．...．。．。。.。..．．。．。...。．。.
３.2。3　模拟量输入扩展模块EＭ231．．。．。．。.．．.。.。..。。.。.。。。。..．。。。
3。2。4 模拟量输入∕输出扩展模块EM235.。．。。.。。。..．..。.。。。。．。。。.
3。3　电机及驱动器选型与应用设计..．。.．．．.。.．..．．.。..。。.．。．。...
３.3。１ 电机及驱动器选型。．..。。。。.。。．．。.．．...。．。。..。.。.。.。.．.．.
3．3。2 偏航电机主电路设计．..．.。..．。..．．。。。。。．..。。..。。.。。..。.．
３.4　检测元件选型与应用设计．．．．.。.。。．.。...。.．。．．。．．。．.。.。。...
3。4.1 温度传感器选型。。。。．..。.。...。......。.。..．。。．..。．。。。。．。
3．４．2 压力传感器选型。．。。.。..．．。。.。。.．．。。.。。.．。....．...。。。.
3.4。３　液位传感器选型。..。.。.。.。.。。...．。。。。．...．.．。．.。。．。。.。
3.4.4 偏航角度传感器和转速传感器选型..。。．．.。。。.。。．。.。．。.。.
3。４.5风向标、风速仪选型．．。．。。．．．．。。.。．．。．.。．...。..。。.。。..
３。5 低压电器选型.....。.。．.．．.。．。....．。.。...。.。..。．。..．.。。。
3.5.1　接触器选型.。.。．．.．。．.。．。..．．。..．..。．．．。．...。.．。.。.。.
3。5．2 断路器选型．。。．。。。。.．。.。。。.。..．．.。。..。.。..．。.．。．。。。．.
3。5。3　熔断器选型．。．．．．。......．。．．．.．。。。．...。..。。。．。。.。．...
3。5.4　主令电器选型.。。．.。。．．．.．．.。。..。.．.。.．．．。.。。.。.。．。．。．
3。５.5 信号电器选型．。.。．。．．。．.．．。.。．。．．．。。.。..．.。．.。。．..。。
３.6 系统配电及电源选型.．.。。。.．．.。.。．．。。.。。．．。．。。..．．。.。．。
3.7 本章小结．.．。....。.。.。。..．.．.。.．。...．．．。．。.．．。。．。..。。。
4控制系统软件设计。。..。．。。．．．．．。.。。.。。。.．.。....．.．。...．.．
４.1 程序流程图的设计。．.。...．。．。。．。．。。．...。。。。．.。．。..。。.．.
4。１．1　启停控制流程图.。．。。..．。.．。。．。。。..。.。．..。...．．。。.．。
4.1.２ 偏航解缆控制流程图..．．．．。..。..．..．．.。．....．.。．.。．。
４.1。3齿轮箱系统控制流程图。．。.。。．。.。.．.．。．...。。。。。.。．。.．
4。1．4发电机系统控制流程图。。．．。。．。。．．.．．．．.。.。。．.．。．。.。。
4.1.5液压系统控制流程图。。.。．。。.．。．。。．.。．．.。.．。.。.．.。..．．
4。２控制程序设计。。．。。.。．.。．．.。.。。.。。.。..．．.．.。..。。.。。．.。．
4.3组态界面设计。。..。。..。.。.．.。。。。。。．。..．.。.。。。.。.．....．。
４。4程序调试。。。．．．．．.。..。．．。．..．。．..．。.．...。．。.．。。...．.。．
4。5本章小结．.。。....。。．。．...。.。。。．。。..。.。．.．．。.。．.．.．....。
5结束语．.。.．．。。。。。..．.。。.。。..。。。。。。..。..。。。..。．。.。。。。。。。。
参考文献。。。..。。．。..。．．．..．。．.。．。.．．.．。．.。。..。。．..。.。.。．。.。
致　　 　谢.．。.。。...。.。．...。。。．．．。．。.．.．。．..．..．。.。....。.。。。。

第1章 引 言

1．１ 目的和意义
由于全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到２050年,世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。能源对经济级社会发展都至关重要，但这也带来了环境方面的挑战[1]。我们必须探索能源生产与消费的各个方面，包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质，还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。
　 风电是目前技术最成熟、最具市场竞争力且极具发展潜力的可再生清洁能源，发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着及其重要的意义［2]。
随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展。目前的控制方法是：当风速变化时通过调节发电机电磁力矩或风力机浆距角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最大捕获。控制方法基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪,利用风速测量值进行反馈控制，或电功率反馈控制[3]。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统，传统的控制方法会产生较大误差.因此近些年国内外都开展了这方面的研究。一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统.如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等。使风机控制向更加智能方向发展。
传统的风力发电控制方法存在诸多不足,引起较大的能量损失，基于PＬＣ为主控制器的控制系统，结构简单，通用性强，编程方便，抗干扰能力强,可靠性较高，并且维护起来比较方面，能够直观的反应现场信号的变化状态，通过编程工具可以直接观察系统的运行状态,极大的方面了维护人员查找故障，缩短了对系统维护的时间。随着新型控制算法的研究和应用,可以有效提高风能利用效率,对于提高风电机组的发电量,减小风电成本具有重要意义[4］.
1。２ 国内外现状
1．2.１世界风力发电发展状况
随着国际社会能源紧缺压力不断增大，风力发电得到了高度的重视。近20多年来，风电技术日趋成熟，应用规模越来越大。200９年，全球新增发电装机超过38０0万千瓦，比２0０8年净增长110０万千瓦，累计装机容量突破1.５８亿千瓦，同比增长超过３１％.其中我国增长最快，维持了１00％的增速，当年吊装完成1４00万千瓦，比2０08年增加了７6０万千瓦，同比增长120%；欧盟实现装机容量1０56万千瓦,同比增长１7%；美国净增长99２万千瓦，同比增长了1９%。根据全球风能理事会的统计,截止到2010年12月,全球风电新增装机3580万千瓦，累计装机19440万千瓦，同比２009年(1587０万千瓦)增长可22.5％。2010年新增风电投资近47３亿欧元(650亿美元).
从风电发展的区域分布来看，201０年欧洲、亚洲、北美仍分居世界三甲，２０10年底的装机容量分别达到了８7５6万千瓦、5８２8万千瓦和4６99万千瓦［5］.欧洲虽然仍居首位，但是与亚洲、北美的差距正在缩小，我国风电新增容量超过欧盟.业内人士普遍估计，到２015年三大地区风电装机容量将基本持平。从国别来看，我国已累计装机容量44７8万千瓦稳居榜首，美国以4027万千瓦的装机容量位居第二，德国则以2736万千瓦的容量位居第三位,西班牙和印度位居第四和第五，累计装机容量分别为2０３０万千瓦和1２97万千瓦。进入前十名的还有法国（５96万千瓦）、英国（586万千瓦)、意大利（5７9万千瓦）、加拿大(40１万千瓦）和葡萄牙（38３万千瓦)。
从发电量占本国的比例来看,丹麦仍居世界榜首,约占本国发电量的2２%，西班牙以占据本国发电量１3的比例位居第二，位居前五位的国家还有葡萄牙、爱尔兰和德国，占本国发电量的比例分别是１2％,10％和8%。风电发电超过１％的国家共有20个，美国以2％的比例，位居第１２位.我国风电装机容量虽然居世界第二，但是发电量占全国发电量的比例还很低，大约为0。8％,位居世界２2位，比美国落后十个位次。
除了传统的风电大国之外，英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本以及东欧的波兰等国也开始加速发展风电.200９年,风电累计装机超过3００万千瓦的国家已经达到10个，２000年还只有５个。风电已经成为世界范围内普遍接受的代替能源技术。
面对200９年世界风电逆势飞扬的新形势，世界风电普遍调高了2020年风电发展预期。预计20２0年全球风电装机容量将达到６亿千瓦，其中估计2020年我国风电装机容量打到1.5亿千瓦［6]。
1．２.1我国风力发电的发展情况
我国地域幅员辽阔，风能资源丰富。对于风能的技术可开发量，根据中国气象科学研究院的保守估算数据，全国陆地上可开发利用的风能约2.53亿千瓦（依据地面以上10m高度风力资料计算),海上可开发利用的风能约7。5亿千瓦，共计约10亿千瓦[７］.而根据国际研究机构的初步测算,不包括新疆、西藏等西部地区，我国风能密度在300Ｗ/㎡以上的陆地面积超过65万平方公里，可以安装风力发电机37亿千瓦；风能密度在400Ｗ/㎡以上的陆地面积超过28万平方公里可以安装14亿千瓦的风力发电装备。如果考虑海上，我国风力发电的技术潜力可能超过２0亿千瓦。
我国在20世纪60年代就开始研制有实用价值的新型风力机。70年代以后，发展较快,在装机容量、制造水平及发展规模上都居于世界前列.离网式小风电机组对解决边远地区农、牧、渔民基本生活用电发挥了重大作用。全国累计生产各类小风电机组20多万台，总容量6万多千瓦，小风电机组的年产量、产值和保有量均列世界之首。我国西部地区已有２０多万户农牧民安装了小风电机组，为接近1０0万农牧民提供了电力,成为我国风力发电的一大特色。
　 发展风力发电有利于调整能源结构。从长远看，我国常规能源资源人均拥有量相对较少，为保持经济和社会的可持续发展,按目前估计的技术可开发储量计算,风电年发电量可达几万亿千瓦时.据推算，我国２020年需要１０亿千瓦的发电装机，4万亿千瓦时的发电量,之后如果按照人均２千瓦，达到中等发达国家生活水平的基本要求,在２05０年我国需要大约30亿千瓦的发电装机和12万亿千瓦时的发电量[8］。庞大的装机和发电量需求，给风力发电的发展提供了广阔的空间。
我国政府提出的风电规划目标是到2020年风电装机达到1.５亿千瓦。20２0年之后的风电超过核电成为第三大主力发电电源，在20５0年前后达到或超过4亿千瓦,超过水电，成为第二大主力发电电源。
1。2．3风电机组发展趋势
目前风电市场上和风电场中安装的风力发电机组,绝大多数是水平轴、三叶片、上风向、管式塔形式，其他形式的机组较少见到.风电界整体上对机组技术的认识不再有大的分歧，开始集中力量向大型化、高质量和高效率方面发展，新的发展趋势表现在以下几个方面。
从定桨距（失速型)向变桨距机组发展。风力发电机的失速功率调节方式和变桨距调节方式是目前大多数风力发电机组风能的收集和转换的主要功率调节方式。采用失速功率调节方式的风力发电机组的叶片不能绕其轴线转动，功率调节通过叶片自身的失速特性实现。这种方式有结构简单、故障概率底的优点，一度在风电机组中很受欢迎得到普遍采用[9]。其缺点主要是风力发电机组的性能受叶片失速性能的限制,额定风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降。另一个缺点是叶片形状和结构复杂、重量大，引起风轮转动惯量大,在研制大型风力发电机组时更为突出。
从定转速向可变转速机组发展。采用变速恒频技术的风力发电机组允许其风轮的转速是可变的，风轮转速可根据风电机组受风的风速进行调整，以最大限度地吸收风的能量,提高了风轮（特别是在低风速区）的转换效率。可变恒频技术采用了双馈异步感应发电机技术可以使发电机始终工作在最佳工作状态，机电转换效率提高。
单机容量大型化发展趋势。风电机组单机容量逐年增大的趋势愈来愈明显。风力发电机组大型化、单机装机功率的提高，是所有风电机组研究、设计和制造商不断最求的目标.最近几年，各种新型大型风电机组不断出现并得到迅速推广应用。8ＭＷ、10MW的风电机组也已研制成功,即将投入商业应用[1０］。
1.2。4海上风电场的兴起
尽管海上风电项目起步较晚，但越来越受到重视。其原因在于，海上风电场的优势明显：具有较高的风速；对环境的负面影响较少;风电机组距离海岸较远，视觉干扰很小；允许机组制造更为大型化,从而可以增加单位面积的总装机量；机组噪声排放的控制问题也不那样突出。
当然，与陆上风电场的建设相比，还上风电场的建设又面临新的问题，如风电机组的海上选用问题，海上风电场工程建设施工问题,海上风电场的电量送出问题和海上风电场的运行维护问题，这些问题都在不断探索和解决之中.
1.3 研究设想及方法　
本次设计要求是设计一个风力发电机组主控系统，主控制器为PLC，主要完成的功能有风车具有适应风向的功能、在风机转动超出设定角度值时,具有自动解缆功能、能对风力的大小进行监测,并根据需要采取相应的措施.
根据设计的要求,主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的偏航系统、齿轮箱系统、液压系统、温度控制等。
本设计从工业实用角度出发,研究基于PＬＣ的风力发电控制系统。这就要求既要掌握PLＣ相关知识和特定PＬC的编程语言,也要有懂得一定的风力发电方面的知识[11］。此外，还必须涉及硬件电路的设计，才能将PLC控制和风力发电电路成功连接。
1。４ 预期成果及意义
我国风电产业起步较晚,目前对变速风电机组的运行特性及规律缺乏深入研究,在控制系统的产业化项目中，缺乏最优的控制策略依据。深入研究风电机组及风力机的运行特性和规律对于控制系统的分析与设计具有十分重要的指导意义。
本设计主要依据风力发电机组的控制目标和控制策略,由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大，使风力发电系统和电网的相互影响也越来越复杂，因此,对风力发电系统功率输出的稳定性提出了更高的要求。控制系统对提高风力发电系统功率输出的稳定性有很大的作用，所以有必要对控制系统和控制过程进行分析。
　控制系统利用西门子plｃ20０通过对运行过程中输入信号的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率;如发生故障或其他异常情况能自动地检测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。
控制系统的主要任务就是自动控制风电机组运行，依据其特性自动检测故障并根据情况采取相应措施。
控制系统包括控制和监测两部分。控制部分设置了手动和自动两种模式。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器,经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来,在机组控制器的显示屏上可以查询。现场数据可通过网络或电信系统送到风电场中央控制室的电脑系统,还能传输到业主所在的城市的总部办公室。
根据风电机组的结构和载荷状况、风况、变桨变色特点及其他外部条件，将风电机组的运行情况主要分为以下几类:待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式、人工停机方式和紧急停机方式、维护状态.

第２章　系统整体方案设计

2.１ 系统工作原理
本设计针对的风力发电机机型是变速恒频双馈风力发电机，其控制系统结构示意图如图２．1所示。

图2.1 结构示意图
变速恒频双馈风力发电机一般由叶片、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、变桨距装置、塔架和控制系统等主要部分所组成。
　 叶片：风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片（目前大型商用风电机组一般为2～3个）装在轮毂上组成.低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机[12]。上述这些部件都安装在机舱平面上,整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置,它根据风向标测得的风向信号,由控制器控制偏航电机,驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动，使机舱始终对风.轮毂是风轮的枢纽,是叶片根部与主轴的连接部分，也是控制叶片变桨距的所在.
增速齿轮箱：齿轮箱连接低速轴和高速轴的变速装置,它可以将高速轴的转速提高至低速轴的1０0倍。
发电机：风电机发电机将机械能转化为电能。风电机上的发电机与普通电网上的发电设备相比，有所不同:风电机发电机需要在波动的机械能条件下运转.通常使用的风电机发电机是感应电机或异步发电机,有的也使用永磁同步发电机.
偏航装置:借助电动机转动机舱，以使转子叶片调整风向的最佳切入角度.偏航装置由电子控制器操作,电子控制器可以通过风向标来探知风向。通常，在风改变其方向时,风电机一次只会偏转几度。
变浆距装置:变浆距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中,当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节;当发电机输出功率达到额定功率以后,调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。
塔架：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势,因为离地面越高，风速越大。600千瓦风电机的塔高为 ４０至6０米，5兆瓦级别的塔高则超过100米.根据底座的不同，支撑塔可以为管状,也可以是格子状。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶.格状的塔的优点在于它重量轻,技术相对成熟（与海上石油钻井台原理相同）。
控制系统：控制系统是风力发电机组的“大脑"，由它自动完成风力发电机组的所有工作过程，并提供人机接口和远方监控的接口.控制系统的性能优劣对风机运行的效率和使用寿命有至关重要的影响[13]。其控制软件根据风力发电基础理论研究成果和机组实际运营过程中的数据,能够准确的实现风力发电机组的特殊控制要求，对机组的安全可靠性具有十分重要的意义。 　　 　 　 　　 　　　　 　
2。2 系统工艺流程
2．2。1控制模式介绍
风力机控制模式主要有：初始化、待机、启动、运行、发电、停机、维护、几种模式间的转换、停机条件、维护条件。
初始化：叶片角度设定值为8９°,变化范围85°～96°.
待机：风机经过初始化完成,延时20s后；或停机步骤完成后,转速<2　rpm与最小叶片角度>83°，就会进入待机模式；叶片角度设定值为89°；自动偏航系统激活；允许进行偏航解缆； 允许进行故障复位。
启动：允许条件满足,自启动程序发出启动指令或按下启动按钮后，风机由待机模式转换到启动模式;进入启动模式时，控制程序对下列参数进行设定：
如果检测到有风暴,则桨距角设定值为８9°,否则桨距角设定值为５0°；变桨控制器激活；逆桨速度限值为－2deg／s,顺桨速度限值为5deg/s；自动偏航系统激活。
运行:当转速大于1。5ｒpm 延时4５ｓ且风与机舱的位置偏差小于45°延时２０ｓ后,风机由启动模式转换到运行模式。
进入运行模式时，控制程序对下列参数进行设定：桨距角设定值为0°；变桨控制器激活;逆桨速度限值为－２ｄeg／s，顺桨速度限值为5ｄｅg/s;自动偏航系统激活；自动偏航系统激活。
发电:当转速大于9.7rｐｍ ，风机由运行模式转换到发电模式。进入发电模式时，控制程序对下列参数进行设定：桨距角设定值为０°；转矩控制器激活；变桨控制器激活；逆桨速度限值为－２ｄeg/ｓ,顺桨速度限值为5ｄｅg/ｓ;转速限定值为１7．4 ｒpｍ;变频器启动；自动偏航系统激活。
停机:风机处于启动、运行或发电模式,当系统发出停机信号,或在维护模式下将维护开关关闭,风机转换到停机模式。
进入停机模式时，控制程序对以下参数进行设定：桨距角设定值为８9°；逆桨速度限值为0dｅg/s;转速限定值为０　rpｍ；自动偏航系统激活（紧急停机时禁止自动偏航)。
顺桨速度限值根据触发停机的故障级别不同，分为三种情况限制:　
　 　当系统存在一级故障时，风机正常停机。速度为：４°/s;
当系统存在二级故障时，风机快速停机。速度为:5．5°/s;
当系统存在三级故障(即安全链故障）时，风机紧急停机。 速度为：7°／s。
风机进入停机模式后,35ｓ内转速未降到10rｐｍ以下或90ｓ内转速未降到4ｒpm以下，系统将触发“停机程序出现故障”信号。
紧急停机时,转速 < 5rpm 后转子刹车机构激活。
维护：当控制面板上的维护开关打开时，风机转换到维护模式,进入维护模式时,控制程序对下列参数进行设定：转矩控制器与变桨控制器禁用；桨距角设定值在45°—９６°之间；变桨速度3°/ｓ:变频器停止运行:允许手动偏航；允许手动变桨.
几种模式间的转换：
待机——〉启动：无故障、非解缆、非维护模式、机舱温度超过10度、发电机绕组温度超过机舱温度、变桨系统进入准备状态、变流器切出本地、产生手动启动或自启动信号；
启动——〉运行：转速超过1．5ｒｐm维持４5s、对风角度低于45度、齿轮箱油温高于１0度、未检测到暴风；
启动、运行模式：分别对应桨距角5０度和0度；
运行-—〉发电：转速超过9.7转；
停机——〉待机:进入停机模式４５s后。
　停机条件：进入停机模式触发条件：全局故障；柜门停机或紧急停机按键、维护模式；偏航位置值大于690度；发电模式下转速低于10ｒpm维持15ｍin，或低于６rpm维持5ｍin，或低于4rpm;运行模式下维持15ｍiｎ[1４］。
　维护条件:维护模式触发条件:维护开关动作;风机几种模式－维护模式的过程；待机模式：直接转换到维护模式;停机模式:风机先进入待机模式,再转换到维护模式；其它模式：风机先经过停机程序进入停模式,再经待机进入维护模式。
２.2.2各部分控制介绍
　1、齿轮箱及冷却系统基本控制原理
油温〈5℃,加热器启动，> 5℃时３分钟之后,加热器停止；
低速轴转速〉1。２rpm或风机进入运行、发电、停机状态且油温> ５℃　－—-——－ >低速;
低速轴转速>10。5rｐm或油温〉40℃----—- >高速；
油温〉5０℃，水泵启动，直到＜45℃,水泵停止;
油温〉60℃，水空风扇启动,直到＜5５℃,水空风扇停止；
油温>6０℃或轴温〉70℃，空冷风扇(高速)启动,直到油温〈50℃或轴温〈６5℃，空冷风扇停止；
油温〉80℃，风机进入正常停机模式；
高速轴温（叶轮、发电机侧)＞90℃,风机为正常停机模式。
　 2、发电机基本控制原理
发电机绕组温度〉8０℃，空冷风扇启动，直到〈7０℃，空冷风扇停止;
发电机绕组温度<机舱温度且机舱温度〈1０℃，发电机加热器启动，直到机舱温度〉10℃或发电机绕组温度>机舱温度１0分钟后停止加热；
　 ３、液压站
系统压力低于１4５bａr启泵,高于1６０bar停泵。
偏航和解缆状态：
偏航解缆和迎风分别对应的阀置位，系统压力P4为150bar左右,偏航压力P1维持在2５bａr左右。
高速轴刹车状态:
两阀同时复位/置位。
系统进入停机模式并且为紧急停机模式（故障等级三安全链动作)，保证叶轮速度降为小于5rpm,抱闸动作；
油位油温开关。
油位开关：常开触点，达到指定高度开关闭合，4０2ＤI4。1—１输入高电平(一通道亮）.
油温开关：常闭触点,未达到警戒温度７０度时，4０2DＩ4-8输入高电平（四通道亮）.
液压加热器:温控开关控制主回路通断。
　 　　4、偏航系统
在不同的风速条件下,偏航的动作方式不同，分为高风速偏航和低风速偏航。
高风速下自动偏航: 6０秒平均风速大于等于9 m／s,触发偏航程序的条件如下：
偏航对风60秒平均偏差大于8°,延时210s，风机偏航。
偏航对风６0秒平均偏差大于15°,延时２0s，风机偏航。
低风速下自动偏航:　60秒平均风速小于9 m／s,触发偏航程序的条件如下:
偏航对风6０秒平均偏差大于1０°，延时2５０ｓ，风机偏航。
偏航对风60秒平均偏差大于18°，延时2５s，风机偏航。
自动解缆条件：
风机处于待机状态和非维护模式，同时不出现偏航和液压故障；
判断当位置大于580或小于—５80时，向右或向左解缆动作。
解缆停止条件：
情况1：偏航位置回到小于36０度,对风角度（风向标数值与１８0度差值）　小于30度；
情况2：偏航位置小于40度。
偏航解缆后，风机处于待机状态.
２.3 系统总体设计方案
本次设计要求是设计一个风力发电机组主控系统,主控制器为PＬＣ,主要完成的功能有风车具有适应风向的功能、在风机转动超出设定角度值时,具有自动解缆功能、能对风力的大小进行监测，并根据需要采取相应的措施。
根据设计的要求,主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的偏航系统、齿轮箱系统、液压系统、温度控制等。
本设计从工业实用角度出发,研究基于PLC的风力发电控制系统。这就要求既要掌握ＰLＣ相关知识和特定ＰLC的编程语言,也要有懂得一定的风力发电方面的知识。此外，还必须涉及硬件电路的设计，才能将PＬＣ控制和风力发电电路成功连接。
人机界面:输入命令,变更参数；显示系统运行状态各项数据参数和故障情况，并对风机进行控制。
数据采集:利用传感器,风向标等检测装置对温度、压力、液位、风速、风向等数据进行采集。
偏航控制：根据风向变化进行偏航，解缆等，控制有四台偏航电机.
齿轮箱控制：主要对齿轮箱温度，油位，油泵等进行控制。
液压控制：制动机构压力保持；变桨系统压力保持等。液压系统主要为高速轴刹车和偏航刹车提供压力.
温度控制：对系统各个运行机构的温度进行控制，确保风机正常运行。
其他控制:照明、液压、温度、故障处理等控制［15］。
　PＬC:选用Ｓ７—20０ＣPＵ，EM２２2、EM２23、EM23１、EＭ23５等扩展模块。
系统原理框图如图2.２所示。

图2。2 系统原理框图
２。4本章小结
本章介绍了总体设计思路和总体方案的确定。包括工作原理图、工艺流程图和系统示意图。了解了系统设计的大概内容,对系统设计有了一个大概的认识，为接下来的设计奠定了基础。

第3章 控制系统硬件设计

3。1 PLC概述
3.1。1 PLC的发展历程
可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境而设计.它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类机械的生产过程;而有关的外围设备，都应按易于