基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组制动控制系统的研究与实现 I
摘 要
变速恒频双馈风力发电技术是一种新型风力发电技术,是今后风力发电的必然趋势,在风力发电中制动控制是风力发电机组安全运行的重要环节，在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，我们就需要根据机组发生的故障种类进行判断，并发出控制指令进行不同的制动控制进行停机，达到保护机组安全运行的目的。
本文以S7-300型PLC为核心控制器，通过传感器的选型、PLC硬件的选型、I/O口的确定、制动控制的编程，对整个系统设计。由于某些原因需要停机时发出信号给PLC，PLC发出指令给变频器和发电机进行脱网停机。
关键字：制动，PLC，传感器，编程
基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组制动控制系统的研究与实现 II
ABSTRACT
VSCF doubly fed wind power generation technology is a new wind power technology, wind power is the inevitable trend of the future ,In wind power generation wind turbine brake control is an important part of safe operation, the wind turbine failure or due to other reasons shutdown, we need to set the fault occurred Zhonglei under judge the instructions are sent to make different parking brake control to achieve the purpose of protection of the safe operation of unit.
In this paper, S7-300 type PLC as the core controller, through the selection of sensors, PLC hardware selection, I / O to determine population, brake control programming, the entire system. For some reason need to shutdown signal to the PLC, PLC to issue instructions to the inverter and the generator off network downtime.
Keywords: brake, PLC, sensor, program
基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组制动控制系统的研究与实现 III
目 录
1 课题背景 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
1.1 我国风力资源的状况 --------------------------------------------------------------------------------------- 1 1.2 我国风电产业的发展与展望 ---------------------------------------------------------------------------- 2 1.3 变速恒频双馈风力发电的含义 ------------------------------------------------------------------------- 5 1.4 制动控制系统的意义 --------------------------------------------------------------------------------------- 5
2 制动控制系统的结构 ------------------------------------------------------------------------------------------- 6
2.1 变速恒频双馈风力发电系统结构 --------------------------------------------------------------------- 6 2.2 制动控制系统结构与原理 -------------------------------------------------------------------------------- 7
3 制动控制传感器的选型 --------------------------------------------------------------------------------------- 8
3.1 传感器的介绍 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 3.2 传感器的型号选择与优点 -------------------------------------------------------------------------------- 9
4 制动控制系统的PLC硬件设计 ------------------------------------------------------------------------ 11
4.1 PLC的概述 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 4.2 西门子S7-300选用依据-------------------------------------------------------------------------------- 14 4.3 模块的选型与硬件图 ------------------------------------------------------------------------------------- 15
5 制动控制系统的PLC软件设计 ------------------------------------------------------------------------ 18
5.1 控制系统中对PLC程序的具体要求 --------------------------------------------------------------- 18 5.2 I/O对照表 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 18 5.3 制动控制流程图 -------------------------------------------------------------------------------------------- 19 5.4 程序的具体实现 -------------------------------------------------------------------------------------------- 23
6 总结 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 28 参考文献 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 29 致谢 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 30
基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组制动控制系统的研究与实现 1
1 课题背景
1.1 我国风力资源的状况
风能的大小用风功率密度[1]（w/m2）来度量，它与空气密度和风速的立方成正比。我国的风能资源，据中国气象科学研究院对全国900多个气象站年平均风能功率密度的估算，10m高度层的总资源量为3226GW。假设其中1/10在技术上可供开发，并考虑风轮扫掠面积系数0.785，得出技术可开发资源量为253GW，主要分布在西北、东北和华北的草原和戈壁，以及东部和东南沿海及岛屿。我国东部沿海水深2～15m的近海海域，风能资源丰富，专家初步估计约为陆上风能资源的3倍，即750GW。
三北（东北、华北、西北）地区丰富带，风能功率密度在200～300w/m2以上，有的可达500w/m2以上，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩 特的灰腾梁等、可利用的小时数在5000小时以上，有的可达7000小时以上。这一风能丰富带的形成，主要是由于三北地区处于中高纬度的地理位置有关[2]。
沿海及其岛屿地丰富带。年有效风能功率密度在200w/m2以上，将风能功率密度线平行于海岸线，沿海岛屿风能功率密度在500w/m2以上如台山、平潭、东山、南鹿、大陈、嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等。可利用小时数约在7000-8000小时，这一地区特别是东南沿海，由海岸向内陆是丘陵连绵，所以风能丰富地区仅在海岸50km之内，再向内陆不但不是风能丰富区，反而成为全国最小风能区，风能功率密度仅50w/m2左右，基本上是风能不能利用的地区。
沿海风能丰富带，其形成的天气气候背景与三北地区基本相同，所不同的是海洋与大陆两种截然不同的物质所组成，二者的辐射与热力学过程都存在着明显的差异。大气与海洋间的能量交换大不相同。海洋温度变化慢，具有明显的热隋性，大陆温度变化快，具有明显的热敏感性，冬季海洋较大陆温暖，夏季较大陆凉爽，这种海陆温差的影响，在冬季每当冷空气到达海上时风速增大，再加上海洋表面平滑，摩擦力小，一般风速比大陆增大2-4m/s。
东南沿海又受台湾海峡的影响，每当冷空气南下到达时，由于狭管效应的结果使风速增大，这里是我国风能资源最佳的地区。
在沿海每年夏秋季节都可受到热带气旋的影响，当热带气旋风速达到8级（17.2m/s）以上时，称为台风。台风是一种直径1000km左右的圆形气旋，中心气压极低，台风中心0-30km范围内是台风眼，台风眼中天气较好，风速很小。在台风眼外壁天气最为恶劣，最大破坏风速就出现在这个范围内，所以一般只要不是在台风正面直接登陆的地区，风速一般小于10级（26m/s），它的影响平均有800~1000km的直经范围，每当台风登陆后我国沿海可以产生一次大风过程，而风速基本上在风力机切出风速范围之内。是一次满发电的好机会[3]。
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登陆台风每年在我国有11个，而广东每年登陆台风最多为3.5次，海南次之2.1次，台湾1.9次，福建1.6次，广西、浙江、上海、江苏、山东、天津、辽宁合计仅1.7次，由此可见，台风影响的地区由南向北递减、对风能资源来说也是南大北小。由于台风登陆后中心气压升高极快，再加上东南沿海东北~西南走向的山脉重叠，所以形成的大风仅在距海岸几十公里内。风能功率密度由300w/m2锐减到100w/m2以下。
综观上述，冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿。相对内陆来说这里形成了我国风能丰富带。由于台湾海峡的狭管效应的影响，东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区。我国有海岸线18000多公里，岛屿6000多个，这里是风能大有开发利用的前景的地区[4]。
内陆风能丰富地区，在两个风能丰富带之外，风能功率密度一般在100w/m以下，可以利用小时数3000小时以下。但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能也较丰富，如鄱阳湖附近较周围地区风能就大，湖南衡山、安徽的黄山、云南太华山等也较平地风能为大。但是这些只限于很小范围之内，不像两大带那样大的面积，特别是三北地区面积更大。
青藏高原海拔4000m以上，这里的风速比较大，但空气密度小，如在4000m的空气密度大致为地面的67%，也就是说，同样是8m/s的风速，在平原上风能功率密度为313.6w/m2，而在4000m只为209.9w/m2，而这里年平风速在3~5m/s，所以风能仍属一般地区。
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1.2 我国风电产业的发展与展望
1．2．1我国风电产业发展现状
(1）发展速度“风驰电掣”，装机容量连续翻番
作为新能源产业中最成熟的发电细分产业，风电行业正在以惊人的速度增长。全球风能理事会（GWEC）日前公布的年度数据显示，2008年，全球风电的增长速度远远高于过去十年内的平均增长，达到28.8%。其中，新增的风电装机量达2700万千瓦，同比增长36%。而中国更是连续三年实现新增装机容量翻番，并首次突破了千万千瓦大关。2008年，中国风电机组今年新增装机容量达到719.22万千瓦，累计装机达到1324.22万千瓦，新增装机容量增长率达到118.9%[5]。