双馈风力发电机组控制系统的研究
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摘要
风力发电是一种新型的绿色能源,正成为世界各国争相开发的新技术领域。随着工业的发展,电力紧缺及供电环境问题日益突出,利用可再生能源-风能,作为未来最重要的清洁替代能源,对于缓解能源匮乏具有非常重要的意义。而变速恒频双馈风力发电技术以其成本低、效率高等特点成为当今风力发电技术中的主流。
本文首先介绍了变速恒频的基本理论,详细介绍了双馈风力发电机组的运行原理、数学模型以及矢量控制原理,在分析了控制系统的功能要求之后,我们设计出了双馈风力发电机组控制系统的系统结构,该结构包括:变流单元、变桨单元、偏航单元、温度巡检单元,并设计出了基于PLC的系统结构。
本文对机组控制系统的各个控制子单元的控制任务和控制流程进行了分析,详细列出了各控制参数。本文运用西门子S7200的可编程逻辑控制器对控制系统进行了硬件组态,包括主CPU、数字量模块、模拟量模块、温度模块和通信模块的选择。
最大风能捕获是风力发电系统控制技术研究的重要内容。针对传统功率反馈信号控制和爬山搜索算法的不足,本文提出了一种基于模糊控制的最大功率点跟踪控制方法。该方法采用模糊控制算法,根据发电机转速增量变化的方向,自动调整发电机转速的变化,以实现最优风能的捕捉。在所建立的硬件基础上,本文利用STEP 7 MicroWIN V4.0进行了梯形图程序的编写,包括主控程序、最优风能捕捉子程序、偏航控制单元程序、变桨控制单元程序、温度检测程序和通信程序。最后利用西门子的组态软件WINCC设计了机组控制系统的图形用户界面,以此建立友好的人机交互界面。
Wind energy power, as a new type green energy,,is being a new technology field which the states all over the worlds want to develop.with the developments of industry、shortage of electricity and the problem of power supply,using reproducible energy—wind energy which will be the most important clean substitute enetgy is of great significance for abating the shortage of energy。Meanwhile technique of variable speed constant frequenccy used on double-fed machine become the mainstream of wind energy power by its low cost and high efficiency.
At first,the article analysed the theory of variable speed constant frequenccy , introduced the working principle、mathematical model and vector control theory of double-fed wind power system, analysed the function needs of control system.,then,we designed the structure of double-fed wind power control system ,including convertor-cell、paddle-change cell、crab-cell、temperature-cell .after that,we designed the system structure based on PLC.
This paper analysed the control errand and the control flow of the sub-control section of the power system,and also list its control parameters,and configure the control system’s hardware using the programmable logic controller of SIMENS S7200,including the choose of CPU、digital module、analog module、temperature module and communication module.
The maximum power extraction is a important research content of wind turbine. To meet up deficiency of traditional power feedback signal control and hill-climbing control, a control method based on fuzzy control for Maximum output power point(MPPT) is presented which regulates the rotor speed of generator using fuzzy algorithm on the basis of the mutative direction of the rotor speed increase. As a result, the extraction of maximum power is improved.at the base of hardware established this paper finished the ladder diagram using the STEP 7 MicroWIN V4.0,including main program、maximum power extraction program、crab program、temperature detecting program and communication program.At last, graphical user interface is designed and developed using configuration software WINCC of SIMENS, which can establish friendly Human—Machine interface.
本文首先介绍了变速恒频的基本理论,详细介绍了双馈风力发电机组的运行原理、数学模型以及矢量控制原理,在分析了控制系统的功能要求之后,我们设计出了双馈风力发电机组控制系统的系统结构,该结构包括:变流单元、变桨单元、偏航单元、温度巡检单元,并设计出了基于PLC的系统结构。
本文对机组控制系统的各个控制子单元的控制任务和控制流程进行了分析,详细列出了各控制参数。本文运用西门子S7200的可编程逻辑控制器对控制系统进行了硬件组态,包括主CPU、数字量模块、模拟量模块、温度模块和通信模块的选择。
最大风能捕获是风力发电系统控制技术研究的重要内容。针对传统功率反馈信号控制和爬山搜索算法的不足,本文提出了一种基于模糊控制的最大功率点跟踪控制方法。该方法采用模糊控制算法,根据发电机转速增量变化的方向,自动调整发电机转速的变化,以实现最优风能的捕捉。在所建立的硬件基础上,本文利用STEP 7 MicroWIN V4.0进行了梯形图程序的编写,包括主控程序、最优风能捕捉子程序、偏航控制单元程序、变桨控制单元程序、温度检测程序和通信程序。最后利用西门子的组态软件WINCC设计了机组控制系统的图形用户界面,以此建立友好的人机交互界面。
Wind energy power, as a new type green energy,,is being a new technology field which the states all over the worlds want to develop.with the developments of industry、shortage of electricity and the problem of power supply,using reproducible energy—wind energy which will be the most important clean substitute enetgy is of great significance for abating the shortage of energy。Meanwhile technique of variable speed constant frequenccy used on double-fed machine become the mainstream of wind energy power by its low cost and high efficiency.
At first,the article analysed the theory of variable speed constant frequenccy , introduced the working principle、mathematical model and vector control theory of double-fed wind power system, analysed the function needs of control system.,then,we designed the structure of double-fed wind power control system ,including convertor-cell、paddle-change cell、crab-cell、temperature-cell .after that,we designed the system structure based on PLC.
This paper analysed the control errand and the control flow of the sub-control section of the power system,and also list its control parameters,and configure the control system’s hardware using the programmable logic controller of SIMENS S7200,including the choose of CPU、digital module、analog module、temperature module and communication module.
The maximum power extraction is a important research content of wind turbine. To meet up deficiency of traditional power feedback signal control and hill-climbing control, a control method based on fuzzy control for Maximum output power point(MPPT) is presented which regulates the rotor speed of generator using fuzzy algorithm on the basis of the mutative direction of the rotor speed increase. As a result, the extraction of maximum power is improved.at the base of hardware established this paper finished the ladder diagram using the STEP 7 MicroWIN V4.0,including main program、maximum power extraction program、crab program、temperature detecting program and communication program.At last, graphical user interface is designed and developed using configuration software WINCC of SIMENS, which can establish friendly Human—Machine interface.
引文
[1] 罗晖.风电将给中国能源带来多大的惊喜.科技日报,2005-11-8(1)
[2] 姚红菊,武鑫,鄂春良.大型风力发电机组控制系统的安全保护功能.可再生能源,2004,3:57-58
[3] 王士荣,邓英.可编程控制器在风力发电机控制系统中的应用.应用能源技术.2003(1):42-44
[4] 谢震.变速恒频双馈风力发电模拟平台的研究[硕士论文].合肥工业大学,2005:5-8
[5] 邓小凌,冯志文.我国风力发电产业发展的现状、问题与对策.电力环境保护,2001,17(3):48-50
[6] 申洪,王伟胜,戴慧珠.变速恒频风力发电机组的无功功率极限.电网技术,2003,27(11):60-63
[7] 孟岳勇.MW级风力发电系统单机电器控制技术研究-中心控制器和软并网系统:[南京航空航天大学硕士学位论文].南京:南京航空航天大学,2004
[8] 陈雷,邢作霞,潘建等.大型风力发电机组技术发展趋势.可再生能源,2003(1):27-30
[9] 卞松江.变速恒频风力发电关键技术研究[浙江大学博士学位论文].杭州:浙江大学,2003,20-43
[10] 包能胜,姜 桐,陈庆新. 变转速风力机额定风速以上的非线性控制—恒功率输出控制问题[J].控制理论与应用,1999.16(5):747-750.
[11] 张新房,徐大平,吕跃刚等. 风力发电技术的发展及若干问题. 现代电力, 2003, (10):29-34.
[12] 林成武. 变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究[博士论文].沈阳工业大学,2004:22-25
[13] Rajib Datta, V. T. Ranganathan. Variable-speed wind power generation using doubly fed wound rotor induction machine-a comparison with alternative schemes. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2002, 17(3): 414-421
[14] 李辉,杨顺昌,廖勇等. 变速恒频双馈发电机励磁控制策略综述. 电工技术杂志,2002,(12):5-8
[15] 陈伯时,陈敏逊.交流调速系统.北京:机械工业出版社,1998:182-198
[16] Hilloowala, R.M. Sharaf, A.M. A Rule-Based Fuzzy Logic Controller for a PWM Inverter in a Stand Alone Wind Energy Conversion Scheme.IEEETrans Industry Applications,1996,32(1):57-65.
[17] 刘其辉,贺益康,卞松江.变速恒频风力发电机空载并网控制.中国电机工程学报.2004,24(3):6-11
[18] 马洪飞,徐殿国,苗立杰.几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析.电工技术杂志.2000(10):1-4
[19] Pena R , Cclaie J, Asher G M. A doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation [J]. IEE Proceeding on Elctric Power Applications, 1996, 143(3):231-241
[20] Mitsutoshi Yamamoto, Osamu Motoyoshi. Active and Reactive Power Control for Doubly-Fed Wound Rotor Induction Generator. IEEE Transactions on Power Electronics, 1991, 6(4): 624-629
[21] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术.北京:机械工业出版社,2002:1-1
[22] Lars Henrik Hansen, Lars Helle, Frede Blaabjerg, et al. Conceptual survey of generators and power electronics for wind turbines. Rise National Laboratory, Denmark, 2001: 105-109
[23] 姚兴佳,吴俊大,熊炎等. 蓄电型风力发电机控制方式的探讨. 农村能源, 1996, (5):27-31
[24] 艾斯卡尔.变速恒频交流励磁风力发电机系统及其控制原理研究:[河海大学硕士学位论文]. 南京:河海大学电气工程学院,2004,1-9
[25] 刘其辉,贺益康,赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制.电力系统自动化.2003,27(20):62-67
[26] 苏建良,石剑锋.PLC 技术与应用及其发展分析.机床与液压.2005(12):135-137
[27] 付树东,基于 IEC61131-3 标准的 PLC 系统研究与应用:[大连理工大学硕士学位论文].大连:大连理工大学,2006
[28] P Ruben, D S Daniel. Interger variable structure controllers for small wind energy systems .Proceedings of the 1999 IEE Canadian conference on Electrical and Computer Engineering.1999.1067-1072
[29] 张运刚,宋小春,郭武强,西门子 S7-200PLC 技术与应用.北京:机械工业出版社 2006,50-61
[30] 张跃云.PLC 可编程自动化控制器.自动化技术,2005 (4):54-58
[31] Y.D.Song,B.Dhinakaran,X.Bao.Control of Wind Turbines Using Nonlinear Adaptive Field Excitation Algorithms.American Control Conferences, 2000,Chicago,1551 一 1555.
[32] 李文富. 双馈风力发电系统的矢量控制[硕士论文].兰州理工大学,2004:25-27
[33] 赫磊.风力发电系统偏航控制和软并网系统的技术研究:[南京航空航天大学硕士学位论文].南京:南京航空航天大学,2003
[34] 吴遵飞,徐殿国. 偏航控制器的一种改进前馈控制策略. 电机与控制学报,2003,8(2):120-125
[35] Jinhwan Jung, Sunkyoung Lim, Kwanghee Nam. A feedback linearizing control scheme for a PWM converterl-Inverter having a very small DC-link capacitor. IEEE Transactions on Power Systems, 1999, 35(5): 1124-1131
[36] 李冰,陈刚. PAC 在偏航控制系统中的应用. 微计算机信息,2004,7(1):80-83
[37] 肖正,陈超.PLC 在工业中的应用.杭州,浙江大学出版社,2001,128-129
[38] 鲁小明,付广乐,许睿等.模糊 PID 在风力发电控制器中的应用. 机械产品与科技,2000,4:5-7
[39] 李正华,杨顺.风力发电控制技术. 北京:机械工业出版社 2002,42-50
[40] 李选辉.S7200 入门教程. 杭州,浙江大学出版社,2003,99-105
[41] 田洪波,杨苗.WINCC 从入门到精通. 北京:机械工业出版社 2002,42-50
[42] 王晓蓉,王伟胜,戴慧珠.我国风力发电现状和展望.中国电力,2004,37(1):81-84
[43] 王承煦,张源.风力发电.北京:中国电力出版社,2003:1-15
[2] 姚红菊,武鑫,鄂春良.大型风力发电机组控制系统的安全保护功能.可再生能源,2004,3:57-58
[3] 王士荣,邓英.可编程控制器在风力发电机控制系统中的应用.应用能源技术.2003(1):42-44
[4] 谢震.变速恒频双馈风力发电模拟平台的研究[硕士论文].合肥工业大学,2005:5-8
[5] 邓小凌,冯志文.我国风力发电产业发展的现状、问题与对策.电力环境保护,2001,17(3):48-50
[6] 申洪,王伟胜,戴慧珠.变速恒频风力发电机组的无功功率极限.电网技术,2003,27(11):60-63
[7] 孟岳勇.MW级风力发电系统单机电器控制技术研究-中心控制器和软并网系统:[南京航空航天大学硕士学位论文].南京:南京航空航天大学,2004
[8] 陈雷,邢作霞,潘建等.大型风力发电机组技术发展趋势.可再生能源,2003(1):27-30
[9] 卞松江.变速恒频风力发电关键技术研究[浙江大学博士学位论文].杭州:浙江大学,2003,20-43
[10] 包能胜,姜 桐,陈庆新. 变转速风力机额定风速以上的非线性控制—恒功率输出控制问题[J].控制理论与应用,1999.16(5):747-750.
[11] 张新房,徐大平,吕跃刚等. 风力发电技术的发展及若干问题. 现代电力, 2003, (10):29-34.
[12] 林成武. 变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究[博士论文].沈阳工业大学,2004:22-25
[13] Rajib Datta, V. T. Ranganathan. Variable-speed wind power generation using doubly fed wound rotor induction machine-a comparison with alternative schemes. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2002, 17(3): 414-421
[14] 李辉,杨顺昌,廖勇等. 变速恒频双馈发电机励磁控制策略综述. 电工技术杂志,2002,(12):5-8
[15] 陈伯时,陈敏逊.交流调速系统.北京:机械工业出版社,1998:182-198
[16] Hilloowala, R.M. Sharaf, A.M. A Rule-Based Fuzzy Logic Controller for a PWM Inverter in a Stand Alone Wind Energy Conversion Scheme.IEEETrans Industry Applications,1996,32(1):57-65.
[17] 刘其辉,贺益康,卞松江.变速恒频风力发电机空载并网控制.中国电机工程学报.2004,24(3):6-11
[18] 马洪飞,徐殿国,苗立杰.几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析.电工技术杂志.2000(10):1-4
[19] Pena R , Cclaie J, Asher G M. A doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation [J]. IEE Proceeding on Elctric Power Applications, 1996, 143(3):231-241
[20] Mitsutoshi Yamamoto, Osamu Motoyoshi. Active and Reactive Power Control for Doubly-Fed Wound Rotor Induction Generator. IEEE Transactions on Power Electronics, 1991, 6(4): 624-629
[21] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术.北京:机械工业出版社,2002:1-1
[22] Lars Henrik Hansen, Lars Helle, Frede Blaabjerg, et al. Conceptual survey of generators and power electronics for wind turbines. Rise National Laboratory, Denmark, 2001: 105-109
[23] 姚兴佳,吴俊大,熊炎等. 蓄电型风力发电机控制方式的探讨. 农村能源, 1996, (5):27-31
[24] 艾斯卡尔.变速恒频交流励磁风力发电机系统及其控制原理研究:[河海大学硕士学位论文]. 南京:河海大学电气工程学院,2004,1-9
[25] 刘其辉,贺益康,赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制.电力系统自动化.2003,27(20):62-67
[26] 苏建良,石剑锋.PLC 技术与应用及其发展分析.机床与液压.2005(12):135-137
[27] 付树东,基于 IEC61131-3 标准的 PLC 系统研究与应用:[大连理工大学硕士学位论文].大连:大连理工大学,2006
[28] P Ruben, D S Daniel. Interger variable structure controllers for small wind energy systems .Proceedings of the 1999 IEE Canadian conference on Electrical and Computer Engineering.1999.1067-1072
[29] 张运刚,宋小春,郭武强,西门子 S7-200PLC 技术与应用.北京:机械工业出版社 2006,50-61
[30] 张跃云.PLC 可编程自动化控制器.自动化技术,2005 (4):54-58
[31] Y.D.Song,B.Dhinakaran,X.Bao.Control of Wind Turbines Using Nonlinear Adaptive Field Excitation Algorithms.American Control Conferences, 2000,Chicago,1551 一 1555.
[32] 李文富. 双馈风力发电系统的矢量控制[硕士论文].兰州理工大学,2004:25-27
[33] 赫磊.风力发电系统偏航控制和软并网系统的技术研究:[南京航空航天大学硕士学位论文].南京:南京航空航天大学,2003
[34] 吴遵飞,徐殿国. 偏航控制器的一种改进前馈控制策略. 电机与控制学报,2003,8(2):120-125
[35] Jinhwan Jung, Sunkyoung Lim, Kwanghee Nam. A feedback linearizing control scheme for a PWM converterl-Inverter having a very small DC-link capacitor. IEEE Transactions on Power Systems, 1999, 35(5): 1124-1131
[36] 李冰,陈刚. PAC 在偏航控制系统中的应用. 微计算机信息,2004,7(1):80-83
[37] 肖正,陈超.PLC 在工业中的应用.杭州,浙江大学出版社,2001,128-129
[38] 鲁小明,付广乐,许睿等.模糊 PID 在风力发电控制器中的应用. 机械产品与科技,2000,4:5-7
[39] 李正华,杨顺.风力发电控制技术. 北京:机械工业出版社 2002,42-50
[40] 李选辉.S7200 入门教程. 杭州,浙江大学出版社,2003,99-105
[41] 田洪波,杨苗.WINCC 从入门到精通. 北京:机械工业出版社 2002,42-50
[42] 王晓蓉,王伟胜,戴慧珠.我国风力发电现状和展望.中国电力,2004,37(1):81-84
[43] 王承煦,张源.风力发电.北京:中国电力出版社,2003:1-15