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2018年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛工程应用型赛项高校组工程设计文件.pdf

发布时间：2022-06-05 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.57M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    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： XXXXXXXX 参赛学校名称： XXXXXXXX 年 月 日
    一、方案设计依据、范围及相关标准 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、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》 （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》
    二、系统分析（包括甲方需求分析、对象特性分析、系统安全分析等） 一、甲方需求 ---- 控制要求 1. 偏航控制 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. 桨距控制 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. 转速控制 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. 风机全自动启动 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. 运行状态监测 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、对象特性分析 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 :定桨距调节技术、变桨距调节技术和变速恒频技术
    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、系统安全性分析 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，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。
    三、控制系统设计（包括控制逻辑、控制回路、控制算法等的选择，开机、停 机等控制逻辑以流程图表达） 一、控制逻辑流程图 二、控制回路
    三、控制算法的选择 双馈机组风电场控制系统采用 PI 控制和 HCC 算法。 1、 PI 控制算法 ： 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。
    2、 HCC 算法： HCC 算法是一种人工智能算法，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=Pnew- Pold；允许的 最大功率误差 Pe1、 Pe2；功率给定值 Pmax；初始偏航误差角 θe；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 α。设风速恒定，当风 向发生改变时， 风力机获取的功率变小。 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 |Pnew- Pmax|与 Pe1的大小。仅当 |Pnew- Pmax|>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 )。
    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 α。如果 ?P>0 且│?P│>Pe2，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 4α， 此 时│?P│Pe1时，偏航过程启动。偏航电机顺时针转动，风力机偏航角度 α后， ?P<0。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 - α后， ?P<0，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。
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