山 东 科 技 大 学
本科毕业设计（论文）开题报告
题 目 基于PLC的风力发电控制系统设计
学 院 名 称 专业班级 学生姓名 学 号 指 导 教 师
填表时间： 2013 年 4 月 30 日
设计（论文） 题目 设计（论文） 工程设计 类型（划“√”） 基于PLC的风力发电控制系统设计 应用研究 √ 开发研究 基础研究 其它 一、 本课题的研究目的和意义 目的：针对风能具有随机性、不确定性的特点，用可编程控制器来对风力发电进行控制，设计一套基于PLC的单台风力发电控制系统，实现对发电机叶轮的迎风控制、发电监测、并网等功能。 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。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。 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。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。 二、 本课题的主要研究内容（提纲） 1、熟悉系统工艺流程，根据控制要求进行系统总体控制方案设计。 2、控制系统硬件设计，包括PLC系统选型，扩展模块选型等，并对电机主电路，系统供电电源和人机界面进行设计。绘制系统硬件连接图。 3、系统的软件设计,包括绘制程序流程图，编写控制程序和程序调试等。 三、 文献综述（国内外研究情况及其发展） 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。 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。 国际风电发展方向有以下几方面： 1、变速恒频机组应运而生。 2、定桨距机组逐步向变桨距机组转换。 3、叶片、齿轮箱、发电机等关键部件不断在可靠性、大型化。 4、控制与监控技术不断完善。 5、海上风能利用技术及其风电场建设受到重视。 6、致力于风力发电成本不断下降。 国内风电发展方向有以下几方面： 1、风力发电从陆地向海面拓展。 2、单机容量进一步增大。 3、新方案和新技术的应用：例如变速恒频技术和变桨距调节技术在功率调节方法上的应用，计算机分布式控制技术和新的控制理论应用。 4、风力发电机组更加个性化。 四、 拟解决的关键问题 1、风力发电机组控制系统中的发电机系统，实现发电机与电网的并网。 2、风力发电机的偏航控制：偏航系统由偏航控制机构和偏航驱动机构两大部分组成。 3、风力发电机的自动解缆控制：自动解缆包括计算机控制的凸轮自动解缆和纽缆开关控制的安全链动作计算机报警两部分，以保证风电机组安全。 五、 研究思路和方法 1、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，具有自动偏航、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。包括风力发电机组控制系统中的变桨距控制、偏航控制、温度控制等。 2、研究基于PLC的风力发电控制系统,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。
