12013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分赛区考题

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1、2013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分赛区考题风能作为一种清洁的可持续能源，已经成为除水能以外，技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业发展前景的发电方式。风力发电是风能利用的主要形式，风力发电机组(以下简称风机)是将风能转化为电能的主要设备。控制系统是其中重要的组成部分，不仅保证风机的正常运行，而且要从风中捕获尽可能多的能量转化为电能，平稳地送入电网。一、风机模型介绍1.风机机型变桨距变速风力发电机组，具体包括：风轮、机舱、塔架。风轮采用水平轴、三叶片、上风向布置：叶片采用液压变桨系统；舱内机械采用沿轴线布置，主要包括变速齿轮箱、双馈异步发电机；偏航系

2、统采用异步电机控制。风机位于海上风电场屮，从海风屮捕获能量并网发电。海面风力在6级左右，平均风速12nVso为实现无人值守，必须进行全自动控制。2.设计参数变量名称设计参数变量名称设计参数额定功率300KW额定风速12m/s叶片半径15m启动风速4m/s叶片数量3个切出风速25m/s发电机额定转速1650rpm偏航转速0.42deg/s齿轮箱增速比1:28.1偏航介范围-1800-+1800deg°桨距角范围0〜90deg°偏航角每360°为1圈，偏航角范围-1800°-+1800°即为・5圈~+5圈。3.输入输出数据(1)发往控制器的模拟量数据变量名称单位变量名称单位风速

3、1〜2m/s传动系统润滑油液位%风向1~2deg传动系统润滑汕温度°C桨距角1~3deg传动系统冷却水温度°C偏航角deg风轮转速1〜3rpm发电机转速rpm有功功率KW电磁转矩Nm无功功率KW发电机温度°C定子电压1〜3V冷却水温度°C定子电流1〜3A桨距系统液压油液位%功率因数桨距系统液压油压力bar发电机效率桨距系统液床油温度°C（2）发往控制器的数字量数据变量名称变量名称顺时针偏航状态电缆扭转状态逆时针偏航状态机舱振动状态偏航电机卜4状态发电机冷却水泵状态并网状态冷却风扇状态盘式制动器1~2状态（3）控制器输出的模拟量数据变量名称单位变量名称单位桨距角设定值1〜3“

4、deg电磁转矩设定值NmD本次比赛将液压系统作为内部模型不对选手开放。因此变桨控制系统输入给被控对象的就是桨距角的设定值；被控对象输出给变桨控制系统的是桨距角的实际测量值。（4）控制器输出的数字量数据变量名称变量名称顺时针偏航信号盘式制动器1〜2信号逆时针偏航信号航空警示灯卜2信号并网信号1.开机步骤（1）检测到风速人于启动风速时，可以启动风机。（2）风机偏航，自动正对风向。风向和与风机偏航角之差不超过5°即可认为风机已正对风向。（3）打开风机机械刹车开关。（4）口动控制桨距角逐渐到0°,使叶片垂直迎风。（5）当发电机转速达到同步转速1500rpm附近时，闭合并网开关，开始

5、发电。2.停机步骤（1）给出停机信号后，自动控制桨距角到90°。（2）检测到功率为0后，将风机切出电网，并发出风机机械刹午信号。二、控制任务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，保证风机始终止対风向，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，防止内部电缆发牛缠绕。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，保证机组的女全、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

6、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，要保证随着桨距如的减小，风机的升力始终人于阻力，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，在出现风速低丁•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。三、比赛要求人赛以一个虚拟的控制工程项「I为背景展开。人赛组委会作为甲方发布模糊的控制工程招标需求，

7、各参赛队伍以乙方身份，根据甲方提出的控制任务，进行工程技术方案设计，并以甲方工程承包商的身份进入现场实施控制工程项口。人赛综合考察参赛选手系统分析能力、系统设计能力以及系统实沌能力。参赛选手在理解被控对彖的基础上，完成：1.工程方案设计参赛队伍向人赛组委会提交工程方案设计文件后方可参加分赛区的比赛。工程方案设计主要内容包押h（1）系统分析，包括甲方需求分析、对象特性分析、安全分析等；（2）控制系统设计，包括控制逻紺、控制冋路、控制算法等的选择及理由，风电机组开机、停机等控制逻辑以流程图表达；（3）控制系统选型，包括