工程应用型赛项高校组初赛赛题-西门子杯工业自动化挑战赛.docVIP

2014年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛 工程应用型赛项高校组初赛赛题 风能作为一种清洁的可持续能源，已经成为除水能以外，技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业发展前景的发电方式。 风力发电是风能利用的主要形式，风力发电机组（以下简称风机）是将风能转化为电能的主要设备。控制系统是其中重要的组成部分，不仅保证风机的正常运行，而且要从风中捕获尽可能多的能量转化为电能，平稳地送入电网。 一、风机模型介绍 1. 风机机型 变桨距变速风力发电机组，具体包括：风轮、机舱、塔架。风轮采用水平轴、三叶片、上风向布置；叶片采用液压变桨系统；舱内机械采用沿轴线布置，主要包括变速齿轮箱、双馈异步发电机；偏航系统采用异步电机控制。 风机位于海上风电场中，从海风中捕获能量并网发电。海面风力在6级左右，平均风速12m/s。为实现无人值守，必须进行全自动控制。 2. 设计参数 变量名称 设计参数 变量名称 设计参数 额定功率 300 KW 额定风速 12 m/s 叶片半径 15 m 启动风速 4 m/s 叶片数量 3个 切出风速 25 m/s 发电机额定转速 1550 rpm 偏航转速 1.2 deg/s 齿轮箱增速比 1:28.1 偏航角范围 -1800~+1800 deg1) 桨距角范围 0~90 deg 1)偏航角每360°为1圈，偏航角范围-1800°~+1800 °即为-5圈~+5圈。 3. 输入输出数据 （1）发往控制器的模拟量数据 变量名称 单位 变量名称 单位 风速1~2 m/s 传动系统润滑油液位 % 风向1~2 deg 传动系统润滑油温度 ℃ 桨距角1~3 deg 传动系统冷却水温度 ℃ 偏航角 deg 风轮转速1~3 rpm 发电机转速 rpm 有功功率 KW 电磁转矩 Nm 无功功率 KVar 发电机温度 ℃ 定子电压1~3 V 冷却水温度 ℃ 定子电流1~3 A 桨距系统液压油液位 % 功率因数 桨距系统液压油压力 bar 发电机效率 桨距系统液压油温度 ℃ （2）发往控制器的数字量数据 变量名称 变量名称 顺时针偏航状态 电缆扭转状态 逆时针偏航状态 机舱振动状态 偏航电机1~4状态 发电机冷却水泵状态 并网状态 冷却风扇状态 盘式制动器1~2状态 （3）控制器输出的模拟量数据 变量名称 单位 变量名称 单位 桨距角设定值1~31) deg 电磁转矩设定值 Nm 1)本次比赛将液压系统作为内部模型不对选手开放。因此变桨控制系统输入给被控对象的就是桨距角的设定值；被控对象输出给变桨控制系统的是桨距角的实际测量值。 （4）控制器输出的数字量数据 变量名称 变量名称 顺时针偏航信号 盘式制动器1~2信号 逆时针偏航信号 航空警示灯1~2信号 并网信号 4. 开机步骤 （1）检测到风速大于启动风速时，可以启动风机。 （2）风机偏航，自动正对风向。风向角与风机偏航角之差不超过5°即可认为风机已正对风向。 （3）打开风机机械刹车开关。 （4）自动控制桨距角逐渐到0°，使叶片垂直迎风。 （5）当发电机转速达到同步转速1500rpm附近时，闭合并网开关，开始发电。 5. 停机步骤 （1）给出停机信号后，自动控制桨距角到90°。 （2）检测到功率为0后，将风机切出电网，并发出风机机械刹车信号。 二、控制任务 1. 偏航控制 风的方向始终处于变化之中，要求设计偏航控制算法，保证风机始终正对风向，最大限度的从风中获取能量。当风向角与风机偏航角之差超过5°，即需要进行偏航控制。 当风机偏航超过3圈（±1080°）时，需设计解缆控制程序，防止内部电缆发生缠绕。 2. 桨距控制 当风速超过额定风速，风机输出功率过高可能致使硬件设备受损。设计功率控制算法，通过桨距控制限制风机吸收的功率，保证机组的安全、稳定运行。 3. 转速控制 当风速低于额定风速时，通过控制发电机转速实行最大风能追踪，以获得最大的能量。设计转速控制算法，通过转速控制维持最大风能利用系数。 4. 风机全自动启动 按照开机步骤实施风机全自动开车，保证开车稳步进行。在开车过程中，叶片上的升力和阻力与桨距角之间呈现非线性关系，要保证随着桨距角的减小，风机的升力始终大于阻力，确保风机转速达到额定转速附近。 5. 运行状态监测 在风机整个运行过程中，监测电力参数、风力参数、机组状态参数以及各种反馈信号等，确保风机稳定运行，在出现风速低于启动风速、刹车故障、并网故障等异常运行状态时执行停机操作。 三、比赛要求 大赛以一个虚拟的控制工程项目为背景展开。大赛组委会作为甲方发布模糊的控制工程招标需求，各参赛队伍以乙方身份，根据甲方提出的控制任务，进行工程技术方案设计，并以甲方工程承包商的身份进入现场实施控制工程项目。大赛综