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基于CodeSys风电机组变桨距控制策略研究
摘要：
本文基于CodeSys平台，通过风能转化为机械能的过程，建立了风电机组变桨距控制策略模型。首先阐述了风电机组的工作原理和变桨距控制的作用，然后通过CodeSys编程平台，实现了变桨距控制策略的程序设计和仿真模拟，并对模拟结果进行分析和讨论。研究表明，基于CodeSys风电机组变桨距控制策略可以有效地提高风电机组的能量转换效率和控制精度，具有良好的实用价值和推广应用前景。
关键词：CodeSys；风电机组；变桨距控制；能量转换；仿真模拟
引言：
风能是一种清洁的再生能源，具有能源来源广泛、环境友好等优势。风电机组是利用风力产生机械能，再通过发电机将机械能转化为电能的设备。风电机组的变桨距控制是风能转化为机械能的重要环节。通过调节风电机组的桨距角度，可以控制叶片的受力情况，以达到提高转速或减少叶片旋转轴向载荷的目的。因此，风电机组变桨距控制策略的优化对提高风电机组能量转换效率和控制精度具有重要作用。
编程平台是实现风电变桨距控制策略的关键工具和手段。CodeSys编程平台是一种通用的工业自动化控制软件，具有多语言支持、多功能模块、C++开发环境等特点，能够实现复杂工业控制系统的设计和开发。本文利用CodeSys编程平台来实现风电机组变桨距控制策略的程序设计和仿真模拟，并进行相应的理论研究和实验分析。
一、风电机组变桨距控制的原理和控制策略
1.1风电机组的工作原理
风电机组是利用风力产生机械能，再通过转子带动发电机转动，将机械能转化为电能的设备。风电机组通常由塔架、机舱、转盘、叶片、发电机等若干部分组成。叶片通过转轴与发电机相连接，将风能转化为旋转的机械能。发电机通过旋转的磁场产生感应电势，将机械能转化为电能。
风电机组的主要控制对象是叶片的受力情况和旋转轴向载荷。当风速较小时，变桨角度应尽可能小，以增加输出功率；当风速较大时，变桨角度应尽可能大，以减小旋转轴向载荷。因此，利用变桨距控制策略，可以实现风电机组输出功率的最大化和旋转轴向载荷的最小化。
1.2风电机组变桨距控制的作用和目标
风电机组的变桨距控制是通过对叶片的转动角度进行调节，来改变叶片受力情况和旋转轴向载荷的控制策略。变桨角度对发电机输出功率和叶片转动速度起着决定性作用。因此，制定合理的变桨距控制策略，对提高风电机组的能量转换效率和控制精度具有重要意义。
风电机组变桨距控制的目标是使风电机组在不断变化的风速环境下，实现稳定的结构响应和转速特性。具体表现为：在较小的风速范围内，控制叶片的变桨角度，以最大限度地提高风电机组的输出功率；在较大的风速范围内，控制叶片的变桨角度，以减少机组的旋转轴向载荷，从而确保风电机组的安全可靠性。
二、CodeSys风电机组变桨距控制策略的程序设计
2.1CodeSys编程环境及组态库配置
CodeSys是一种基于PLC编程的通用自动化控制软件，支持多个编程语言和多个硬件体系结构，如IEC61131-3标准、Ladder语言、StructuredText语言等。本文采用CodeSysV3.5SP5版本进行程序的设计和开发。
在进行程序开发之前，需先进行组态库的配置。组态库是CodeSys编程环境中已经定义好的各种设备、通信协议、变量类型等对象的合集。本文中，组态库的配置包括创建项目、配置PLC设备、添加Modbus通信协议，如下图所示：
2.2变桨控制算法设计
变桨距控制算法的设计是CodeSys风电机组控制策略的关键之一。本文采用基于等效利用率最大化的PID控制算法。通过调整Kp（比例系数）、Ki（积分系数）和Kd（微分系数）等控制参数，实现风电机组变桨角度的实时调节和输出功率的最大化。
其中，等效利用率最大化是将风机在风速范围内的输出功率进行归一化处理后计算得到的。等效利用率最大化的实现需要考虑以下因素：
1）自适应控制：当风机运行状态出现变化时，自动调整控制器的参数，并将当前状态作为初始状态进行重新计算。
2）优化算法：根据当前的风速、风桥温度等因素，计算出最优化的桨距角，从而实现最大化输出功率的目的。
2.3使用CodeSys编程工具实现变桨距控制策略
在CodeSys编程环境中，将变桨距控制算法套用在代码上即可实现控制策略的设计。本文的代码实现详见附录一，代码调试与验证详见附录二。
三、CodeSys风电机组变桨距控制策略的仿真模拟
3.1仿真环境的搭建
在CodeSys编程环境中，可以通过仿真工具对变桨距控制策略进行仿真模拟。本文的仿真环境搭建如下：
1）创建一个模拟的PLC设备（如AutomationDirectDo-MoreDesigner）。
2）选择合适的图形控件（如Slider）作为控制面板，以便实时调整变桨角度。
3）在仿真环境中，记录当前的风速数据、转速数据和输