1、2014 年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛工程设计文件工程应用型赛项高校组参赛队伍名称：X XX XX XX XX XX XX XX X参赛学校名称：X XX XX XX XX XX XX XX X年月日www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050一一、方方案案设设计计依依据据、范范围围及及相相关关标标准准设计依据（1）全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛工程应用型赛项高校组初赛赛题及初赛细则（2）风力发电（Wind Turbine）仿真设备用户手册（3）SIMATIC PCS7 使用手册及产品目录设计范围本设计包括：风力发电系统的偏航控制、桨距控制、转速控制
2、、风机全自动启动及运行状态监测等相关的控制。设计遵循的标准及规范（1）HG/T 20505-2000过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号（2）GB/T 19069-2003风力发电机组控制器技术条件（3）GB/T 21109-2007过程工业领域安全仪表系统的功能安全（4）HG/T20636-1998 自控专业设计管理规定（5）HG/T20637-1998 自控专业工程设计文件的编制规定（6）HG/T20638-1998 自控专业工程设计文件深度的规定（7）HG/T20639-1998 自控专业工程设计用典型图表及标准目录（8）HG20505-2000 过程检测和控制系统用文字代号和图形符号
3、（9）HG20506-1992 自控专业施工图设计内容深度规定（10）HG/T20519-1992 化工工艺设计施工图内容和深度统一规定（11）HG20559-1993 管道仪表流程图设计规定www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050二二、系系统统分分析析（包包括括甲甲方方需需求求分分析析、对对象象特特性性分分析析、系系统统安安全全分分析析等等）一一、甲甲方方需需求求-控控制制要要求求1. 偏偏航航控控制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
4、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. 桨桨距距控控制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. 转转速速控控制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. 风风机机全全自自动动启启动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、。5. 运运行行状状态态监监测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。二二、对对象象特特性性分分析析风电场作为一个整体电源，其功率输出受很多因素的影响:(一)外部因素:风电场所在地风速的变化影响风电场总功率的输出，依赖于风速的变化，风电场的功率输出呈现出波动性和难以预测性;供电公司要求风电场不能随意输出功率，应对输出功率进行控制。(二)内部故障:风电场由若干台风力发电机和变压器及线路组成， 不能保证所有设备任意时刻都能安全工作。风力发电机控制技术主要分为三类:定桨距
6、调节技术、变桨距调节技术和变速恒频技术www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050等。定桨距调节技术中当风速超过额定风速时，气流攻角增大到失速条件，使叶片的表面产生涡流，降低转换效率，限制吸收功率，维持发电机输出功率恒定。定桨距风机的桨距角一般设定 0 度。定桨距风力发电机的功率调节由风轮叶片完成，控制简单，但叶片本身结构复杂，成工艺难度较大，风机不易大型化。变桨距调节在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片桨距角，保证发电机的输出功率在许范围内。风力机的桨距控制系统，通常采用典型的转速、功率和桨距角三模态控制。速度控制和直接桨距控制系统，用于风力发电机的
7、启动、停止和紧急事故处理。变速恒频调节技术通过适当的控制，使风力机的叶尖速比处于或接近最佳值，从而可以最大限度地利用风能。变速恒频风力发电系统以风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率的控制:低于额定风速时，系统能跟踪最佳功率曲线，使风力发电系统具有最高的风能转换效率;高于额定风速时，增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定。二二、系系统统安安全全性性分分析析由于风电场输出功率的随机性与波动性，电力系统调度和电能质量都面临新的问题。当风电“穿透功率”高到一定程度时，电网的安全稳定运行更面临挑战。因此，对风电场功率输出进行综合控制以适应风电的迅速增加，是当前电力系统运行中迫切需要解决的问题
8、，也是促进风电更好发展的需要。基于双馈机组风电场的功率控制是电力系统诸多有关风电的问题中巫待解决的问题之一，在理论探索和指导工程实践方面都有十分重要的意义。www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050三三、控控制制系系统统设设计计（包包括括控控制制逻逻辑辑、控控制制回回路路、控控制制算算法法等等的的选选择择，开开机机、停停机机等等控控制制逻逻辑辑以以流流程程图图表表达达）一一、控控制制逻逻辑辑流流程程图图二二、控控制制回回路路www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050三三、控控制制算算法法的的选选择择双馈机组风电场控制系统采用
9、PI 控制和 HCC 算法。1、PI 控控制制算算法法：发电机并网时的变桨系统功率控制 功率控制系统如下图所示，它由两个控制环组成外环是功率控制环，根据发电机实际功率值调整发电机的电流设定值。内环是一个功率伺服环，它通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制，使发电机功率跟踪功率给定值。如果功率低于额定功率值，这一控制环将通过改变转差率，进而改变桨叶桨距角，使风轮获得大功率。如果功率参考值是恒定的，电流参考值也是恒定的。变滑差发电机主要控制与输出功率成正比的转子电流。控制器向转子电流控制器发送要求电流基准值，然后实际转子电流会与基准值比较进而做相应调整，使用 IGBT 作为直流开关，用转子电流控
10、制单元的 外部转子电阻的 PWM 可获得转子电流。切换频率接近 3kHz， 这使得平均外部电阻在 0 到 100%之间几乎连 续可调，发电机的转差率相应地能够从 0.6%（转子自身电阻）到 10%（转子电阻为自身电阻与外接电阻之 和）之间连续变化。当功率变化即转子电流变化时，PI 调节器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定，从而使功率输出保持不变。与此同时，发电机转差率却在作相应的调整以平衡输入功率的变化。www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com150212300502、HCC 算算法法：HCC 算法是一种人工智能算
11、法，可用于寻找未知函数的极大值点。该算法最基本的思想是连续地对控制对象应用一系列规则、约束，同时检验自身的输出，确保输出逐步接近极大值。如果利用 HCC 算法寻找风力发电机组的输出功率极大值，根据偏航误差角与电机功率关系来控制偏航电机动作，可精确地实现偏航控制。功率检测 HCC 算法涉及的变量有：最新周期检测的功率值 Pnew；次新周期检测的功率值 Pold；功率差值P=PnewPold；允许的最大功率误差 Pe1、Pe2；功率给定值 Pmax；初始偏航误差角 e；P1、P2、P3、P4 为不同偏航误差角时的电机功率；2 次功率测量之间风力机偏航的角度为。设风速恒定，当风向发生改变时，风力机获
12、取的功率变小。图 2 是 HCC 算法控制过程示意。微控制器获得当前功率值 Pnew=P1，并判断|PnewPmax|与 Pe1 的大小。仅当|PnewPmax|Pe1 时，开启偏航电机。偏航电机顺时钟方向转动(首次转动时固定一个方向，本文将其方向固定为顺时钟)。www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050将 Pnew 赋给 Pold，即 Pold=Pnew。微控制器再次获得当前功率值 Pnew=P2，这时风力机已经转过角度。 如果P0 且PPe2， 则说明偏航电机转动方向(顺时针)正确但未到达可接受的偏航效果。偏航电机需继续顺时钟方向转动。连续获取功率值，判断
13、功率差值大小， 并对偏航电机状态进行控制。 当 Pnew=P4 且 Pold=P3 时， 风机已经偏转角度 4， 此时PPe2，这表明这次控制已经达到预期的偏航效果，可以关闭偏航电机。此次偏航结后，令 Pmax=Pnew，便于下次偏航控制。当首次风力机偏航方向与风向变化相违背时，PPe1 时，偏航过程启动。偏航电机顺时针转动，风力机偏航角度后，P0。初认为偏航电机转动方向错误，MCU 控制偏航电机逆时钟转动，当风力机偏航后，P0，此时可判定为风速变化。将风力机对风方向还原为初始方向，将当前功率值赋给 Pmax。总的来说风速变化时无论偏航到哪个方向，电机功率都变小。www.PLCwww.PLCw
14、ww.91HMI.com15021230050四四、控控制制系系统统选选型型与与系系统统连连接接一一、系系统统选选型型控制器采用西门子引领小型自动化系统的最新产品 S7-1200；S7-1200 控制器使用灵活、 功能强大， 可用于控制各种各样的设备以满足您的自动化需求。S7-1200 设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。CPU 将微处理器、集成电源、输入和输出电路、内置 PROFINET、高速运动控制 I/O 以及板载模拟量输入组合到一个设计紧凑的外壳中来形成功能强大的控制器。在您下载用户程序后，CPU 将包含监控应用中的设备所需的逻辑
15、。CPU 根据用户程序逻辑监视输入并更改输出，用户程序可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及与其它智能设备的通信。各种新模块扩展了 S7-1200 CPU 的功能，因而能够灵活地满足您的自动化需要：新的和改进的 CPU： 新的 CPU 1215C DC/DC/DC、CPU 1215C DC/DC/继电器和 CPU 1215CAC/DC/继电器提供了 100KB 的工作存储器、双以太网和模拟量输出。 新的和改进的 CPU 1211C、CPU 1212C 和 CPU 1214C 具有更短的处理时间、可使用 4 个 PTO（CPU 1211C 需要信号板） 、更大的保持性存储器(10 KB)
16、 以及更长的日时钟保持时间（20 天） 。新 I/O 信号模块：SM 1231AI 4 x 16 位提供了更高的采样率而且增加了位数。新的电池板(BB 1297) 可提供长期的实时时钟备份。BB 1297 可插入 S7-1200 CPU（固件版本 3.0 及更高版本）的信号板插槽中。SIMATICS7-1200支持多达 16个 PID控制回路。 这些控制回路可以通过一个 PID控制器工艺对象和SIMATICSTEP7Basic中的编辑器轻松进行组态。除此之外，SIMATICS7-1200还支持 PID自动调节功能，可以自动计算增益、积分时间和微分时间的最佳调节值。操作站安装西门子新一代的编程软
17、件博途 （TIA Portal） STEP7 V11 SP2 和 WinCC AdvancedSP2。操作站与S7-1200控制器之间采用以太网通讯方式， 控制器与仿真服务器之间采用ProfiBusDP通讯。www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com150212300502. PM125 通讯机制若想被控对象与控制器通信成功，需要对被控对象的 PM125 模块进行系统设置，具体是设置数据发送机制以及定义发送字节数量。 PM125 模块利用输出地址首字节 QB0 取值的变化触发数据发送机制；发送字节的数量在第二个字节 QB1 中定义。（1）利用 QB0 触发数据发送机制QB0 的数据
18、每变化一次，会发送一批数据到 PM125 模块。因此，可以使 QB0 的最低位 Q0.0按照0101变化，触发数据发送机制。具体实现方法有很多种，例如：输入地址的首字节 IB0 用于存放接收计数，PM125 每接收一次数据，IB0 计数会累积加 1，因此其最低位 I0.0 的值是按照 0101变化的。可以编写语句，令 Q0.0=I0.0。（2）在 QB1 中定义发送字节的数量SMPT-1000 发送的字节数量为 30（14 个 AO 占用 28 个字节，9 个 DO 占用 2 个字节，共计30 个字节） ；E-WT 发送的字节数量为 16（7 个 AO 占用 14 个字节，16 个 DO 占用
19、 2 个字节，共计 16 个字节） 。具体实现方法也有很多种，只要编写语句，令 QB1=30（对于 SMPT-1000）或 QB1=16（对于E-WT）即可。6ES72211BF300XB0SM 1221 数字量输入模板，8 点数字量输入，直流 24 V，漏/源输入6ES72211BH300XB0SM 1221 数字量输入模板，16 点数字量输入，直流 24 V，漏/源输入6ES72221BF300XB0SM 1222 数字量输出模板，8 点数字量输出，直流 24V，晶体管6ES72221BH300XB0SM 1222 数字量输出模板，16 点数字量输出，直流 24V，晶体管0.5A6ES72
20、221HF300XB0SM 1222 数字量输出模板，8 点数字量输出，继电器 2Awww.PLCwww.PLCwww.91HMI.com150212300506ES72221HH300XB0SM 1222 数字量输出模板，16 点数字量输出，继电器 2A6ES72231BL300XB0SM 1223 数字量 I/O 模板， 16 点数字量输入/输出， 16 点数字量输入DC 24 V，漏/源，16 点数字量输出，晶体管 0.5A6ES72231PH300XB0SM 1223 数字量 I/O 模板，8 点数字量输入/输出，8 点数字量输入DC 24 V，漏/源，8 点数字量输出，继电器 2A6
21、ES72231PL300XB0SM 1223 数字量 I/O 模板，16 点数字量输入/输出，16 点数字量输入DC 24 V，漏/源，16 点数字量输出，继电器 2AAI/AO6ES72314HD300XB0SM 1231 模拟量输入模板， 4 点模拟量输入， +/-10V、 +/-5V、 +/-2.5V、或 0-20 MA12 位 + 符号位（13 位 ADC）6ES72324HB300XB0SM 1232 模拟量输出模板，2 点模拟量输出，+/-10V，14 位分辨率，或 0-20 MA，13 位分辨率6ES72344HE300XB0SM 1234 模拟量 I/O 模板， 4 点模拟量输
22、入/2 点模拟量输出， +/-10V，14 位分辨率，或 0-20 MA，13 位分辨率SB6ES72230BD300XB0SB 1223 数字量 I/O 模板，2 点数字量输入/输出，2 点数字量输入24V DC/2 点数字量输出 24V DC6ES72324HA300XB0SB 1232 模拟量输出模板， 1 点模拟量输出， +/- 10VDC (12 位分辨率)或 0 - 20 MA(11 位分辨率CP6ES72411AH300XB0CM 1241 通讯模板，RS232，9 针 SUB D（阴） ，支持基于信息的自由端口6ES72411CH300XB0CM 1241 通讯模板，RS485
23、，9 针 SUB D（阳） ，支持基于信息的自由端口SIM6ES72741XF300XA0仿真模块，8 通道仿真器，直流输入开关6ES72741XH300XA0仿真模块，14 通道仿真器，直流输入开关www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050二二、系系统统连连接接风电场的功率综合控制系统风电场功率控制的目标是控制整个风电场输出的有功和无功功率,使风电场可以像常规发电厂一样承担频率!电压调节任务,减小对接入电网的影响风电场控制系统的整体控制框图如图 3.H 所示风电场控制系统是一个单独的控制单元,它负责接收系统调度指令,测量接入点PCC 的电气量及风力发电机可以
24、输出的功率,同时计算生成每个风力发电机组的控制信号风电场的有功控制策略风电场的优化运行电力系统的调频需要对系统有功功率平衡进行控制,调压需要对系统无功功率平衡进行控制当系统频率降低时,需要增加系统内发电机组的有功输出或降低负荷需求;当系统电压降低时,需要增加系统内无功源(无功补偿设备)的无功输出或降低负荷需求而风电场作为供电电源,具有特殊的一面首先,风力作为可再生能源,具有节约能源!保护环境的优势,在正常运行时,我们希望能够尽可能的利用风能发电然而风电场的功率输出依赖于风电场风速的变化,这就使风电场在系统要求增加出力的时候,达不到要求;或在正常运行时输出率突然降低这给系统调度和稳定运行带来不利
25、影响随着国家大力倡导发展可再生能源,风电装机容量不断增加,作为电力系统要接纳大容量的风电,需要付出更多的代价(如更多的备用电源,更多的系统网损)在国外,对大型风电场的功率控制已经在实际风电场中得到了应用本节正是在此基础上,设计了风电场的实时控制方案,力求控制风电场在满足一定系统要求的同时使风电场优化运行当系统频率低于额定频率,调度要求增加有功功率输出时,风电场由于受风影www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050响可能不能够增加输出,相反可能会因为风速降低而减小功率输出,但这些该在可以接受范内(随着储能技术的发展,风电场引入储能装置可能会满足该要求,目前已有有关
26、研究)然而,当统频率升高,需要减小有功功率输出时,调度在保证常规机组满足一定出力的同时,要求风电场减小出力时,这是风这是风电场应该能够完成的。风电场控制系统的有功功率控制系统框图如图 3.13 所示www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050不同类型的风力发电机组控制单元的组成有所不同，但发电机组多采用的控制系统结构如下图所示。www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050五五、实实施施效效果果5 5. .1 1 操操作作说说明明www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com150212300505 5. .2 2 监监控控
27、画画面面（包包括括数数据据显显示示、趋趋势势显显示示、操操作作报报警警等等）www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com150212300505 5. .3 3 响响应应曲曲线线及及性性能能分分析析www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050六六、经经济济效效益益分分析析双双馈馈风风力力风风电电机机组组变变速速恒恒频频技技术术经经济济性性开发清洁能源是国家能源发展战略的重要组成部分，近年来我国风电事业取得了长足发展1-10。风机设备占风电场整体投资的 60703,7，设备选型不仅影响风电场建设造价，还影响投产后的发电量和运营成本。目前，新建风电场主要采用大容量的双馈风力发电机组作为主力机型。和常规风力发电机组相比，双馈风电机组采用转子交流励磁运行方式，风机变速范围大，最大风能追踪效果好。而且机组配置的变频器在转子回路，仅处理双向流动的转差功率，不仅具有变频器体积小、重量轻、成本低的特点，而且实现了机电系统的柔性连接。由于其与常规机组相比具有很大的优势，因此该类型风电机得到了广泛的应用，是目前风力发电机组研究的重要发展方向之一。www.PLCwww.PLCwww.91HMI.com15021230050
