基于S7-1200的海上风电控制系统设计

【摘要】：风能是一种清洁的可持续能源。风力发电机组是将风能转化为电能的主要设备,它是风力发电的重要组成部分。而控制系统又是重中之重,不仅要保证机组的正常运行,还要实现风能到电能的最大转换效率。本文主要先从风力发电机组的基本结构和理论入手,对贝茨理论、风力发电机的特性进行了研究和分析,着重对双馈异步发电机的工作原理进行了研究,包括有功功率和无功功率分析,以及交流励磁电源的分析。在此基础上,基于西门子S7-1200控制器完成系统的整体设计,包括硬件设计和软件设计。根据系统的控制要求,完成对机组的各个子系统的设计工作,包括偏航系统、桨距控制系统、转速控制系统的设计,并进行系统性能分析。当风机正常启动时,启动桨距控制和偏航控制;当风速未达到额定风速时,进行最大风能追踪;当风速超过额定功率时,系统进行恒功率控制,限制风能的转化,保护机组的安全。最后基于WinCC组态软件完成系统的监控系统设计。本文的工作为海上风电控制系统的设计打下了良好的基础,提供了较好的技术积累。 【关键词】：自动控制 海上风电 西门子S7-1200 WinCC 监控系统
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-13
• 1.1 海上风电的背景及意义10-11
• 1.1.1 海上风电的研究背景10
• 1.1.2 课题研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外海上风电的研究现状11-12
• 1.2.1 国外海上风电技术的研究现状11
• 1.2.2 国内海上风电技术的研究现状11-12
• 1.3 本文的主要研究内容及结构12-13
• 第2章 风力发电机组分析及数学模型13-25
• 2.1 风力发电机的基本理论13-19
• 2.1.1 风力发电机组结构13-14
• 2.1.2 风力发电机组系统组成14-15
• 2.1.3 风力发电机组原理15-17
• 2.1.4 风力发电机特性系数17-19
• 2.2 双馈异步风力发电机功率分析19-21
• 2.2.1 DFIG有功功率计算19-20
• 2.2.2 DFIG无功功率计算20-21
• 2.3 交流励磁电源性能分析21-23
• 2.3.1 交流励磁电源21
• 2.3.2 变换器选择21-22
• 2.3.3 有功功率及无功功率22-23
• 2.4 双馈异步风力发电机运行特性23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第3章 风电控制系统硬件结构设计25-37
• 3.1 控制系统总体设计与分析25-28
• 3.1.1 控制系统设计原则25-26
• 3.1.2 自动运行控制要求26-27
• 3.1.3 控制系统总体结构27-28
• 3.2 控制器选型28-30
• 3.2.1 西门子S7-1200简介28-29
• 3.2.2 设计要求29
• 3.2.3 系统选型29-30
• 3.3 偏航系统结构设计30-32
• 3.3.1 偏航系统控制要求30-31
• 3.3.2 结构组成31
• 3.3.3 偏航控制系统原理31
• 3.3.4 偏航系统设计31-32
• 3.3.5 偏航系统组成32
• 3.4 桨距控制系统结构设计32-34
• 3.4.1 变桨距基本原理33
• 3.4.2 系统结构组成33-34
• 3.4.3 液压变桨系统结构34
• 3.5 转速控制设计要求34-36
• 3.6 本章小结36-37
• 第4章 风电控制系统软件实现37-53
• 4.1 控制系统软件总体设计37-38
• 4.2 偏航控制系统实现38-42
• 4.3 桨距控制系统实现42-48
• 4.3.1 捕获最大启动力矩控制42-45
• 4.3.2 恒功率控制45-48
• 4.4 最大风能追踪的实现方法48-52
• 4.4.1 最大风能追踪设计48-50
• 4.4.2 调节电磁转矩法50-51
• 4.4.3 实时最大风能追踪法51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第5章 监控系统设计53-61
• 5.1 WINCC组态软件简介53
• 5.2 监控系统设计53-57
• 5.2.1 监控系统的功能54-55
• 5.2.2 监控画面55-57
• 5.3 E-WIND TURBINE设备仿真57-60
• 5.3.1 风模型设定58-59
• 5.3.2 ProfiBusDP通讯数据实时显示59-60
• 5.4 本章小结60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-64
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果64-65
• 致谢65

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