基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组主控制器研究

摘要

风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。在众多可再生能源和新能源技术开发中，风力发电具有很好的规模化开发条件和商业化发展前景与潜力。近年来，变速恒频双馈风力发电机组成为了风力发电的主流机型。在变速恒频双馈风力发电系统中，风电机组控制系统是机组正常运行的核心，其控制技术是风电机组的关键技术，与风电机组的其他部分关系密切，其精确的控制、完善的功能将直接影响机组的安全与效率。实际风电场通常位于偏远地区甚至海上，自然条件比较恶劣，因此要求其控制系统必须能够实现自动化运行，并且要求控制系统有高可靠性。我国目前现有的控制系统通常是和风机设备一起自国外引进，通用性和兼容性比较差。因此开发自主的控制系统势在必行。本文分析了变速恒频双馈风力发电原理和系统结构；推导了双馈发电机的有功功率、无功功率的关系和无功功率的极限，得出了双馈发电机参与电网无功调节的范围；研究了最大风能捕获的过程，对直接转速控制法、跟踪最佳功率-转速曲线法、爬山搜索法、功率滞环比较控制法进行了比较，确定跟踪最佳功率-转速曲线法作为最大风能捕获的首选方法。分析了双馈风力发电机组的状态监测系统的监测参数、监测部位及监测方法；本着评估状态和预测故障的目的，对振动信号的监测、处理进行了研究；阐述了小波理论在振动信号分析上优势；对振动报警的判断标准进行了探索，结合风力发电机组的特点，提出了新装风电机组采用绝对标准作为故障判断标准，正常运行了较长时间的风电机组宜采用相对判断标准作为故障判断标准。基于风力发电机组的主控制器的要求及PLC的性能，选择了PLC作为实现主控制器的硬件。完成了PLC硬件的选型和配置，对PLC外围的信号输入做了研究，在与硬件配套的软件环境中设计了软件的主要功能并给出了控制流程图。基于实验室搭建的变速恒频双馈风力发电实验平台，设计并实现了满足其要求的主控制器，并对主要的数据输入/输出模块、CAN通信模块及流程控制模块进行了测试，效果良好，证明应用于该实验平台的主控制器的设计是成功的。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外风力发电现状与趋势

1.2.1 国外风电发展现状与趋势

1.2.2 国内风电发展现状与趋势

1.3 国内外风电控制系统发展现状

1.4 课题研究的内容

第二章 变速恒频双馈风力发电系统运行特性

2.1 变速恒频双馈风力发电原理与系统结构

2.1.1 变速恒频风力发电基本原理

2.1.2 交流励磁双馈风力机的结构

2.2 双馈异步发电机的功率分析

2.2.1 双馈电机有功功率

2.2.2 双馈电机无功功率

2.3 最大风能捕获原理及方法

2.3.1 最大风能捕获原理

2.3.2 最大风能捕获方法及比较

2.4 本章小结

第三章 双馈风力发电机组的状态监测与评估

3.1 双馈风力发电机组的状态监测

3.2 风力发电机组的振动状态评估

3.2.1 振动的状态评估

3.2.2 小波理论应用于振动分析

3.2.3 振动分析实例

3.2.4 振动故障报警

3.3 风力发电机组的温度状态评估

3.4 本章小结

第四章 基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组主控制器的设计

4.1 风力发电控制系统的总体结构

4.1.1 风场监控系统

4.1.2 机组主控制器

4.1.3 传感器及通讯接口

4.2 主控制器的硬件结构

4.2.1 主控制器的硬件结构与硬件选择

4.2.2 主控制器的硬件PLC的组成

4.2.3 主控制器的主要监测控制参量的获取

4.3 主控制器的软件架构

4.3.1 主控制器软件编程环境

4.3.2 数据的输入和输出

4.3.3 通信的实现

4.3.4 虚屏的设计

4.4 主控制器的主要软件功能设计

4.4.1 主控制器软件结构

4.4.2 风力发电机组运行状态流程控制

4.4.3 风力发电机组状态分析及故障预测

4.4.4 变桨控制

4.4.5 偏航控制

4.4.6 制动控制

4.5 本章小结

第五章 基于PLC的变速恒频双馈风力发电实验平台的主控制器的实现

5.1 变速恒频双馈风力发电系统实验平台的构成

5.2 主控制器的接口配置

5.3 主控制器的软件实现

5.4 主控制器的主要功能测试

5.4.1 数字输入/输出与模拟输入/输出测试

5.4.2 CAN通信模块测试

5.4.3 主控制器流程测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

附录

附录Ⅰ

附录Ⅱ

附录Ⅲ

参考文献

致谢

攻读硕士期间已发表或录用的文章