2025【基于S7-1200PLC控制器的风力发电机变桨距复合控制系统设计9100字】.docx

基于S7-1200PLC控制器的风力发电机变桨距复合控制系统设计

目录

TOC\o1-2\h\u9650引言 1

323331风力发电机控制系统方案设计 2

239771.1风力机的原理与结构 2

39691.2桨叶气动力分析 3

102131.3气动功率分析 4

153291.4自动启动控制 5

296011.5并网后变桨控制 6

40191.6系统总体结构 9

220741.7设计参数 9

160992控制系统设计 10

86762.1汇总输入输出变量 10

238142.2设备选型 12

112932.3硬件网络组态 13

303552.4程序设计 13

11363上位监控系统设计 25

55753.1画面设计 25

268603.2通讯连接 25

292343.3变量连接 29

178354控制系统调试 33

222904.1仿真设备介绍 33

128934.2设计风况模型 33

64434.3调试曲线 34

176984.4调试曲线分析 36

204结论 36

11536参考文献 37

引言

伴随着经济的快速发展，我们所需要消耗的能源也越来越多，能源资源的短缺成为需要解决的最大难题，人们迫切的需要清洁、无污染、可再生的新能源。比起其他的可再生能源和新能源技术的开发，风力发电有着自身独特的优势，它不仅对环境没有丝毫的污染，而且还可以循环多次使用，因此风能在可再生的绿色能源开发领域中有着独特的地位，还有重要的开发利用价值，得到全球各国的重视。

风能相较于其他能源的优势是免费、绿色环保、无穷无尽。另外值得一提的是，一旦成功建成风电场，风电的市场就会变得十分稳定。在欧盟甚至世界范围内，风电领域都取得了飞速的发展。风电机组的大规模接入已经成为了现代工业化国家风电系统的主要特征，在2020年达到风电市场份额的12%是欧盟等发达国家的首要目标。随着风力发电技术的不断成熟，人们需要的解决问题是如何将风电接入电网，以及如何规划、运行和自动控制电网。

风力发电机可以通过捕获气流能量，进而把气流能量转换成电能。这种转换只需要经过两个步骤，第一步是随着风的流动，使风力机风轮发生转动，从而做功，产生机械功率；第二步是通过风轮的转动，推动电机产生电能。由于山区和海上较为空旷，所以它们的风力资源远比其他地区丰富，但是山区和海上的环境比较恶劣，人烟比较稀少，为了保证机组控制系统的可靠性和安全性，需要无人值守以及远程监控技术。

本课题将以S7-1200PLC为控制器，设计风力发电机变桨距复合控制系统，实现风力发电机的自动变桨启动，并实现并网后变桨距复合控制，在高风速下，采用了前馈加反馈的复合控制，以输出稳定的有功功率；在低风速下，保持功率最大输出，桨距角要保持0°。

1风力发电机控制系统方案设计

1.1风力机的原理与结构

风力发电机的工作原理是将风的动能转化为机械能，再驱动发电机发电，把机械能转化为电能。风力机发电原理如图1.1所示。

图1.1风力机发电原理

风轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和角度（这种角度被称为攻角）作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能，然后通过增速器的机械能，继续驱动发电机。本次毕业设计的选用的风力发电机是恒速变桨型、水平轴、3个叶片的风力机。风力发电机组结构如图1.2所示。

图1.2风力发电机组结构示意图

1.2桨叶气动力分析

气流通过的速度方向和桨叶弦线之间的夹角被叫做为攻角。当桨叶处于静态时，叶片上有空气用相同的相对速度吹过，作用在桨叶上的气动力大小将不会改变。气动力的决定因素是相对速度和攻角。所以，为了方便研究，我们假设桨叶保持静态，且处于均匀来流速度中。但是，桨叶表面上的空气压力是不平均的，上表面压力减少，下表面压力增加。按照伯努利理论，桨叶上表面的气流速度较高，下表面的气流速度则比来流低。因此，围绕桨叶的流动是由两个不同的流动组合：一个是空气环绕桨叶表面的流动，另一个是将翼型置于均匀流场中时围绕桨叶的零升力流动。

作用在桨叶上的力与相对速度的方向有关，该力可分解为两部分：与气流方向平行，平行于桨叶叶片的力称为阻力；与气流方向垂直，垂直于桨叶叶片的力称为升力。桨叶上的作用力如图1.3所示。

图1.3桨叶作用力

从图1.4我们可以看出，升力与攻角呈非线性关系，攻角变大，升力系数也会随之增加，但是快增加到最大值时，增加的速度会随之变缓，升力系数达到最大值之后，会逐渐降低。阻力也与攻角呈非线性关系。攻角变大，阻力系数初期会减小，在达到最小阻力系