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摘 要

由于化石能源的需求量不断上涨，于此同时能源燃烧产生的有害气体导致地球环境恶化，因此发展新能源技术成了各个国家共同面临的挑战。其中风能在新能源行业中的前景广阔，发展迅速，相对稳定，但同时存在许多问题，如恶劣的环境带来的设备损坏、系统的错误等，这些因素影响着风力发电机组的发电效率。

本文提出一种基于PLC平台的风力发电控制及安全系统设计方案，能够提升其发电效率、并提高机组的安全系数，本文的主要内容如下：

首先介绍了机组的基本架构，并对风能信号检测仪器进行选型及介绍。随后根据传统滑动加权平均法针对风能信号的特点进行了改进，使用改进后的方法对采集到的风能数据进行处理及预测，主动的对力发电机组进行控制。其次针对风力发电机组的控制需求，分别对机组控制系统的偏航、自动解缆、变桨距进行设计和说明。

本文最后基于安全链的原理，对机组的安全保护系统进行了设计，结合本文设计的控制及安全啊保护系统，提高了风电机组运行的可靠性。

关键词：风力发电机 控制系统 PLC 安全保护系统

Control and safety system design of 3MW wind turbine based on PLC

Abstract

At the same time, the harmful gases produced by energy combustion lead to the greenhouse effect of the earth. But there are many problems at the same time, such as equipment damage and system errors caused by bad environment, which not only affect the generation efficiency of wind turbine, but also affect the life of wind turbine.

Keywords: Wind power generator；Control system；PLC ；Safety protection system

目录

摘 要 I

第一章 引言 1

1.1 课题研究的意义与背景 1

1.2 国内外发展现状 2

1.3 本文主要工作 4

第二章 3MW风力发电机组概述 5

2.1 3MW级风力发电机组基本结构及性能 5

2.1.1 风电机的基本结构 5

2.1.2 风力发电机的基本性能 7

2.2 风电转换的基本原理 7

2.3风能信号检测 9

2.3.1 风速监测 9

2.3.2 风向监测 10

2.3.3 增量式光电编码器 10

第三章 基于PLC的风电控制系统 12

3.1 风电控制系统的基本原理 12

3.2 数据处理 12

3.2.1 数据处理——滑动加权平均法 12

3.2.2 滑动加权平均法的改进 13

3.3 PLC原理及选型 14

3.3.1工作原理 14

3.3.2 PLC控制器及模块选型 15

第四章 控制系统控制方案 18

4.1 控制系统总体流程 18

4.2 变桨系统 19

4.2.1 变桨控制系统的原理 19

4.2.2 变桨系统的PLC程序设计 21

4.3偏航系统 21

4.3.1 偏航控制原理 21

4.3.2 偏航系统的PLC程序设计 22

4.3.3 自动解缆 23

第五章 安全保护系统 25

5.1 安全链系统 25

5.2防雷电保护装置 26

第六章 总结及展望 28

6.1总结 28

6.2展望 28

参考文献 29

致谢 32

第一章 引言

1.1 课题研究的意义与背景

全球经济状况发展和科学技术水平的进步，人们的能源需求量逐年上涨^[1]，为保障日常生活以及社会发展的需求，石油、煤、天然气等不可再生的化石燃料需求量渐渐增加，价格也不断上涨。但是使用这类化石燃料给自然环境带来了不可以逆转且严重的破环，长期以往地球的生态平衡将被打破。如果还是仅依赖化石燃料提供能源，不仅加重了全球气候变暖的问题，还会导致地球上天然资源匮乏影响生态系统平衡。世界上有且仅有一个地球，因此需要爱护地球。基于这样的背景，开发和研究绿色环保、可持续发展、安全高效的新型清洁能源成为全世界各个国家关注的焦点。

风能是一种安全环保、便于开发利用的、可持续发展的绿色清洁型能源，同时还可以缓解目前能源紧缺的问题，因此风能已经受到世界上各个国家的重视。目前风能的利用已经达到除水利以外，最为成熟的清洁型能源之一。早在数千年前，人类就开始利用风能泵水带动水车、船帆获取动力等，但是由于科学发展水平较低，风能的开发利用发展缓慢。19世纪70年代世界性资源危机爆发后，风力资源的开发利用水平有了极大的提升。80年代初期丹麦的科学家们制作出第一台风力发电机后，各国争相研发风力发电系统，导致发电技术得到了突飞猛进的提升。目前人类对风能的利用大多集中在风力发电领域中，但是于此同时也存在着许多严重的问题影响着风力发电的高效、安全性，例如：当风能转化成电力势能时，风速和风向的不稳定性、风力发电机中风轮巨大的惯性等难以预测和控制的因素给风力发电控制技术产生了很大的困难。也正是因为风力发电系统运行时工况复杂、环境恶劣，并且需要自动运行启动。

本课题目的是希望通过控制与安全系统的设计，采取必要的手段，使系统在规定的运行时间内不出故障或减少出故障的概率。即使出现了故障，也需要第一时间进行修复，最大限度的保护机组的运行安全，并且可以及时恢复设备的正常运作。本次设计的系统对机组的安全运行有着极高的社会价值和实用价值。控制系统的设计将使用控制器，使机组的发电全程处于安全的工作环境中。将对机组的功率、风轮转速、运行时的电量和温度等参数进行监测。最终通过对硬件选型以及软件设计，完成风力发电机组安全可靠的控制工作。

1.2 国内外发展现状

近30年来，风力发电技术发展迅速并逐渐成熟，人们将越来越多的检测、数据处理方法和控制技术应用其中。早在几千年前，风能就开始被人们开发和利用，最开始被投入使用的是一种简式垂直轴风力机，之后经过发展，水平轴风力机被发明并投入使用^[2]。当风力机进入欧洲市场，荷兰人通过改进，利用风能抽水灌溉作物，在产业革命之前荷兰的风能利用水平世界领先。产业革命时期，由于蒸汽机的发明，传统的风力机逐渐淡出人们的日常生活，老旧的传统型风力机渐渐淘汰，不到百年的时间荷兰当地还在运作的风力机只剩不足1000台。到了近现代，1890年丹麦的皮·拉库尔创造出世界上第一台风力发电机，并用20年不到的时间为丹麦建设了数百个小型的风力发电站。于此同时，中国的风电产业也迎来了突破性的发展，1950年前后，中国研制出10多种风力发电机，最大瓦数可超过30,随后的30年间，世界各地逐步的将风力发电技术商业化，机组常用300、750以及850的容量，最高瓦数甚至可达到2。我国近年风力发电发展情况如图1-1所示。

图1-1 中国近年风力发电情况

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