1 选题的意义和研究现状

1.1 选题的意义

随着全球对清洁能源的需求不断增长，风力发电作为一种可再生、无污染的能源形式，得到了广泛的关注和发展。变速恒频风力发电机具有高效、可靠、适应不同风速等优点，在风力发电领域占据重要地位。基于 PLC（可编程逻辑控制器） 的变速恒频风力发电机电气控制系统通过控制发电机的转速与风速同步变化，保持最佳叶尖速比，从而实现风能的最大利用，提高风力发电机组的输出功率和运行效率。这种技术的应用可以显著提升风力发电系统的整体性能。与传统的火力发电相比，风力发电不仅不产生污染物和温室气体，且对环境友好。。通过优化风力发电机的电气控制系统，可以提高发电效率，增加风力发电在能源供应中的比例，从而减少因燃烧化石燃料而产生的大气污染、水污染和固体废弃物污染等环境问题。

变速恒频风电机组作为现代风电装机的主流选择，具备提高发电效率和降低维护成本的优势。结合PLC技术，可以进一步优化风电机组的控制策略，减少故障率，延长设备寿命，降低维护成本。此外，PLC技术在电力系统中的应用能够实现对发电设备的自动化运行、远程监控和故障检测等功能，提高发电厂的运行效率和安全性，有助于确保电网的稳定性和安全性。随着全球能源危机的加剧和环境问题的日益严峻，传统的火力发电、核能发电已经无法满足现代工业化的需求，因此，基于PLC的变速恒频风力发电机电气控制系统设计在国家的节能减排的政策中具有重要意义。

1.2 本课题所涉及问题在国内外设计或研究的现状

1.2.1 国内发展现状

变速恒频风力发电机在中国的发展经历了多个阶段，取得了显著的进展。在“十五”期间，通过国家“863”计划的支持，中国成功研制了具有完全自主知识产权的1MW双馈式变速恒频风电机组和1.2MW直驱式变速恒频风电机组，并于2005年实现并网发电。这些技术的成功研发标志着中国在兆瓦级变速恒频风电机组领域迈出了重要一步。

随后，中国在变速恒频风电机组的研发和产业化方面取得了进一步的成果。到2005年，中国已经完成了3MW双馈式变速恒频风电机组的研制，并形成了1～3MW级风电机组系列产品。这些技术的应用不仅提高了风能的利用效率，还为北京奥运会提供了清洁电力。

近年来，中国风电技术不断进步，技术水平处于国际领先水平，相关产业蓬勃发展。2023年，中国风电装机容量达到4.4亿千瓦以上，发电量显著增加。其中，双馈异步发电型变速恒频风电机组因其成熟的技术和较高的市场占有率，成为主流机型。但是，与国外先进水平相比，我国在技术创新、产品质量和可靠性等方面还存在一定的差距。尤其是在 PLC 应用方面，还需要进一步加强研究和开发。

1.2.2 国外发展现状

首先，变速恒频风力发电技术在国际市场上已经得到了广泛应用和认可。根据相关资料，国外在变速恒频风力发电机技术方面起步较早，已经取得了很多成果。许多发达国家的风力发电设备制造商，如 Vestas、Siemens Gamesa 等，采用了先进的电气控制系统，实现了高效稳定的发电。在 PLC 应用方面，国外也有很多成功的案例。PLC 被广泛应用于风力发电机的监控、保护和控制等环节，提高了系统的可靠性和自动化程度。

其次，从全球风电市场的装机容量来看，风电技术的不断进步和应用推动了风电市场的快速发展。截至2022年，全球新增风电装机容量为77.6GW，累计风电装机容量达到923GW。其中，美国、德国、中国等国家在风电装机容量方面处于领先地位。

此外，技术创新也是推动变速恒频风力发电技术发展的重要因素。双馈风力发电机在变速恒频控制、电网适应性、故障诊断等方面取得了显著进展。这些技术进步不仅提高了风力发电的效率和可靠性，也促进了变速恒频风力发电技术的广泛应用。

2 课题设计或研究的内容、预期目标和实施计划

2.1 要设计或研究的主要内容方案论证分析

2.1.1研究的主要内容

基于PLC的变速恒频风力发电机电气控制系统设计是一种先进的可再生能源生产技术，通过调节发电机的转速来适应风速的变化，从而提高风能利用效率并稳定发电输出。本论文基于PLC的变速恒频风力发电机控制系统的主要研究内容涵盖了传感器、PLC、变频器等多个组成部分，其中硬件和软件两大部分相互协作，共同构成了整个设计的核心。首先，通过分析变速恒频风力发电机的工作原理和特性，阐述了研究风力发电机的空气动力学原理、发电机工作原理和变速恒频控制原理。同时，分析风力发电机的输出特性，包括功率特性、电压特性和频率特性等。在风力发电机组中，传感器用于捕捉风向、风速和风力等数据，而PLC控制器负责对这些数据进行处理和控制，执行器负责对风机偏航变桨控制，以获得最佳输出功率。

在软件部分，基于PLC的变速恒频风力发电系统涵盖了数据采集、数据处理和对各类用电设备的控制，包括温度调节和变桨调节等功能。其中，数据采集部分通过风力传感器采集外界的风速和风向等，数据处理部分利用PLC控制器对采集的数据进行分析和处理，控制部分通过PLC程序实现风机偏航变桨控制。系统的控制结构框图如图2.1所示。

图2.1系统的控制结构

2.1.2核心控制器设计方案论证分析

PLC（可编程逻辑控制器）用于变速恒频风力发电机电气控制系统核心控制器有诸多优势。其可靠性高，能适应恶劣的风场环境，如高温、低温、高湿度等，保障系统长期稳定运行。它具有很强的抗干扰能力，可有效抵御风力发电现场复杂的电磁干扰。编程灵活性好，可根据不同的风力发电机参数和控制要求，方便地修改控制程序，实现诸如最大功率点跟踪、转速控制等功能。

方案一：以西门子S7-1200型PLC为核心控制器，S7-1200 具有丰富的输入输出接口，可以方便地连接各种传感器、执行器和通信设备。S7-1200 本机集成了 PROFINET 接口，支持与编程设备、HMI 和其他 CPU 之间的通信，通信协议更丰富，无需额外的转换设备即可实现高效通信。

方案二：以S7-200型的控制器具备7个拓展模块，且本身的通信需要连接RS232转换器实现RS232的串口通信，在硬件组态方面S7-200地址自动分配不能改变。

从以上两种方案，两种都完全能够满足设计需要，但考虑到风力发电机控制系统这种对 I/O 点数需求可能不断变化的应用场景以及编程的灵活性，S7-1200比S7-200有明显的优势故采用方案一。

2.1.3显示模块方案论证

方案一：采用西门子SIMATIC HMI TP700 Comfort，它与S7-1200兼容性很好。可以使用西门子的TIA Portal软件进行编程配置，通过简单的拖拽和设置参数就能创建出直观的操作界面，如在界面上实时显示PLC采集的温度、压力等数据，并且可以通过按钮等控件向PLC发送控制指令。

方案二：采用TD400C，它与 PLC 兼容性好，与 PLC 的通信连接稳定可靠，能够快速准确地获取 PLC 传输的数据，保证了数据显示的实时性和准确性。编程和操作相对容易，对于技术人员的专业要求相对较低，易于上手和掌握。通过简单的文本和数字显示，可以清晰地呈现风力发电机的一些基本运行参数，如风速、转速、发电量等关键信息，方便操作人员快速了解系统的运行状态。主要是单向的数据传送，难以进行操作。

综上所述：两种显示型号的显示模块都与PLC有良好的兼容性，TD400C的成本相对较低，但考虑本设计需要良好的人机交互以及西门子SIMATIC HMI TP700 Comfort与本设计的核心控制器S7-1200兼容性很好故采用方案一。

2.2 本课题选题特色及预期的目标

2.2.1本课题选题特色

本系统将可编程逻辑控制器（PLC）应用于风力发电机电气控制系统，实现了自动化控制和精确的参数调节。PLC具备高可靠性、可编程性和灵活性，能够适应不同风力发电场景和运行要求。采用变速恒频技术，使风力发电机能够在不同风速下保持恒定的输出频率，从而提高了电能质量和系统的稳定性。通过控制发电机的转速和输出功率，实现了对风能的高效利用。通过设计高效的电气控制系统，可以提高风力发电机的发电效率，减少对传统化石能源的依赖，为环境保护做出积极贡献。

2.2.2本课题预期目标

（1）提高风力发电机控制系统对风能的转换效率和发电质量；

（2）提高系统的可操作性和可靠性；

（3）能够实现对风向、风速、风力的准确测量；

（4）能够实现风机偏航变桨控制，获得最佳输出功率；

（5）减少制造风机控制系统的成本，提高系统工作年限；

（6）提高系统的可维护性，投资小、经济效益高；

（7）能够实现变频器通过指令调整输出频率，进而改变发电机转速。

2.3本课题实施计划

表2.1 毕业论文进度计划安排

3 主要参考文献

[1]肖亚平,肖洒,任贝婷,等.双馈变速恒频风力发电机并网运行控制研究[J].电力学报,2017,32(05):370-375.DOI:10.13357/j.cnki.jep.002667.

[2]李享.变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术分析[J].科技视界,2018,(12):184-185.DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.085.

[3]赵艳梅.基于变速恒频风力发电机组电气控制系统的分析[J].内燃机与配件,2018,(11):103-104.DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2018.11.051.

[4]孙伟.变速恒频双馈式异步风力发电机分析[J].通信电源技术,2019,36(03):275-276.DOI:10.19399/j.cnki.tpt.2019.03.113.

[5]要宇霞,张晓威,殷关贤,等.无刷双馈风力发电机的直接功率控制仿真研究[J].辽宁科技大学学报,2019,42(05):374-382.DOI:10.13988/j.ustl.2019.05.011.

[6]彭睿.变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究[J].科技创新与应用,2021,11(33):113-116.DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2021.33.028.

[7]王志江,徐文胜.风力发电机组选型应用实例分析[J].中国设备工程,2022,(11):243-244.

[8]谈竹奎,文贤馗,杨涛,等.面向新型电力系统的双馈风力发电机并网控制策略研究[J].电力系统保护与控制,2023,51(03):181-187.DOI:10.19783/j.cnki.pspc.220375.

[9]梁江峰.变速恒频无刷双馈风力发电机控制策略研究[J].光源与照明,2023,(05):156-158.

[10]白顺强.变速恒频风力发电机组的标准化控制技术探讨[J].大众标准化,2023,(11):55-56+60.

[11]Qiuyu L ,Haibo L ,Jianping Z , et al.Research on fault detection and remote monitoring system of variable speed constant frequency wind turbine based on Internet of Things[J].Journal of High Speed Networks,2024,30(2):175-189.