【正文】 球風力發(fā)電裝機總?cè)萘客黄?000萬千瓦，％。％，2003全球的新增風電裝機容量已經(jīng)超過830萬千瓦。目前全世界風電工業(yè)規(guī)模約為120億美元，預計到2020年可望達到1200億美元。近年來美國的風力發(fā)電發(fā)展最高端，新增裝機容量169萬千瓦，總裝機容量達到636萬千瓦。美國風電年均平增速達到了24％，有超過30個州建成了風電場。毋庸置疑，全球最重要的風電市場之一是美國，雖然政府政策方面的不確定性和不穩(wěn)定性使得風力發(fā)電的發(fā)展充滿了隨變性，但還存在著有利于風電發(fā)展的積極要素。全世界風力發(fā)電發(fā)展速度最快是歐洲。歐洲也是風電設備裝設最多的一大洲。20世紀初時歐洲地區(qū)累計風電裝機容量為2930萬千瓦，約占全球風電總裝機容量的73％。盡管2003年歐洲風電裝機增長幅度有所放緩，年增幅由02年的35％降為23％，不過隨著一些歐洲國家海上風電項目的發(fā)展，預計歐洲地區(qū)風電裝機仍將維持快速增長的勢頭。亞洲地區(qū)風力發(fā)電與西方國家相比發(fā)展相對比較緩慢，除了印度中國，其它國家風電裝機容量都很小。2011年全球風電新增裝機容量超過41000MW[3]，目前全球風電總裝機容量已經(jīng)超過238000KW。這表明去年風電市場的年增長率達6%，總量同比增長超過21%。另一組統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出，在全球已經(jīng)有風電商業(yè)運營項目的75個國家中，超過22個國家裝機容量已逾1GW。就發(fā)展相對成熟的歐美風電市場來看，總裝機容量上升至94GW，%的用電需求。，形勢有所回落。過去幾年風電裝機量在美國的新增裝機里占到了三分之一，而且正在努力實現(xiàn)到2030年使風電能提供美國20%的用電量的目標，這也是布什政府之前的政策之一。索耶爾對2012年拉美、亞洲和非洲的風電市場表示出樂觀的判斷，但他同時指出，“如果不對全球傳統(tǒng)發(fā)電方式的碳排放成本價格化后計入其真實發(fā)電成本，風電產(chǎn)業(yè)將在一直在巨大壓力下前行?！眹H風電發(fā)展方向有以下幾方面：（1）變速恒頻機組應運而生。（2）定槳距機組逐步向變槳距機組轉(zhuǎn)換。（3）葉片、齒輪箱、發(fā)電機等關鍵部件不斷在可靠性、大型化。（4）控制與監(jiān)控技術不斷完善。（5）海上風能利用技術及其風電場建設受到重視。（6）致力于風力發(fā)電成本不斷下降。 主要內(nèi)容及章節(jié)安排在本文中，設計一個風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)，主控制器為可編程控制器西門子S7200。主要完成的內(nèi)容包括風力發(fā)電系統(tǒng)的初始化，發(fā)電機的啟動，偏航控制，變壓器控制和溫度控制，在溫度過高時進行溫度的調(diào)控?？刂茩C組應具有輪片隨風向變化而變化的動作且具有恒功率輸出的表現(xiàn)，傳感器對風向標的夾角進行檢測，風機轉(zhuǎn)動在相應設定角度值區(qū)間內(nèi)，根據(jù)需要采取相應的措施，變壓器變送高電壓，對電力傳輸能夠施以嚴格的管理控制。本文中應了解相關風力發(fā)電的知識和需解決的一些具體問題：理解相關空氣動力學知識，理解風力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件設備，選擇合適的元器件型號；如何假設建立個風力發(fā)電硬件模擬設備組，如何有效合理地分配I/O地址，如何正確繪制各個功能的電路圖，如何編制PLC程序，如何進行上下位機聯(lián)調(diào)模擬等。在論文中的第一章中講述了設計課題的背景和選題意義。從風力發(fā)電相比不可再生資源發(fā)電具有的優(yōu)勢和PLC控制的好處這兩個方面介紹基于PLC風力發(fā)電控制系統(tǒng)的設計意義。文中又介紹了風力發(fā)電的歷史，國內(nèi)、國外發(fā)展現(xiàn)狀與研究趨勢。最后列舉了設計的主要內(nèi)容和各章節(jié)的安排。第二章主要介紹了發(fā)電機組的組成和空氣動力學的相關知識。文中說道風電機組是由風輪、機艙、塔架以及控制系統(tǒng)這四個部分組成且詳細描述了各部分的結(jié)構(gòu)、功能等。在風能理論中介紹了風速和風能的意義。第三章和第四章是本論文中的重點部分。第三章主要是設計方案的確定，從整體到各個模塊分層介紹了各個控制部分的工作原理、工作過程，繪制控制流程圖，最后制作I/O地址分配表。第四章則是控制程序的具體分析，針對各控制功能列出程序進行詳細解說，最后形成控制總程序。第五章中主要說明了對已編好的程序進行調(diào)試和仿真的過程，最后得出仿真結(jié)果。利用STEP7Micro/WIN32軟件輸入程序，查錯調(diào)試，連接實驗電路板，進行模擬仿真，根據(jù)觀察結(jié)果判斷程序正確與否。最后一章是對本文的分析和總結(jié)，列出設計中的不足之處及改進方案。附錄中給出了整個系統(tǒng)的硬件電路圖。2 風電機組組成與風能理論 風能發(fā)電的原理，是風力帶動風電機的輪片旋轉(zhuǎn)，輪片的一端連接發(fā)電機的機械聯(lián)動桿，發(fā)電機內(nèi)導體切割磁感應線而產(chǎn)生電流，這樣實現(xiàn)了風力發(fā)電的目的。 按照現(xiàn)在的風機技術，風速3m/s左右的微風即可以開始發(fā)電。本章簡單介紹風力發(fā)電機組的組成以及相關的空氣動力學知識，即可清楚了解風力發(fā)電的原理和過程。 風電機組組成部分介紹 風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，按其容量可大小以劃分為小型風電機組（10KW以下），中型風電機組（10~100KW），大型風電機組（100KW以上）；按其主軸與地面的相對位置，可以劃分為水平軸風力發(fā)電機組（主軸與地面平行），垂直軸風力發(fā)電機組（主軸與地面垂直）。最早最簡單的風力發(fā)電機由葉輪和發(fā)電機兩個部分組成，站立于一定高度的塔上。由于外界因素影響風很不穩(wěn)定，這類風力發(fā)電機電壓、頻率差異很大且效率低下，沒有實際運用價值。所以在原有的基礎上，增加了偏航系統(tǒng)，齒輪箱，控制系統(tǒng)，停機系統(tǒng)等部件更加有效地使用風能。在現(xiàn)有技術基礎上大致可以把一個普通的風電機分為四大部分：風輪組件，機艙組件，塔架組件以及控制部分。圖21表示風機各個部分的組成。圖21 風電機組的組成 風輪及其組件 風輪由三部分組成：葉片、輪轂、風輪軸[4]。風輪是風力發(fā)電機最重要的部件，也是風力發(fā)電機區(qū)別于其他發(fā)電機的顯要標志，其作用是獲取和吸收風能，它將風能轉(zhuǎn)化為機械能。而風輪軸則將能量給傳動機構(gòu)。葉片是風力發(fā)電機獲取風能的部件，風能利用率的好壞大都取決于良好的葉片外形，它材料的強度、硬度、密度以及使用壽命。一般葉片具有高硬度，高強度，低密度等特點。根據(jù)葉片橫截面形狀可以將葉片分為平板型，弧板型和流線型。輪轂是將葉片和葉片組固定到主轉(zhuǎn)軸上的裝置。它的作用是葉片的力和力矩傳遞到主傳動機構(gòu)中。輪轂有固定式和鉸鏈式兩種。風輪軸也叫主軸、低速軸，它在風輪以及齒輪箱之間。其前面端子由螺栓與輪轂剛性連接，后面端子與齒輪箱低速相連，結(jié)構(gòu)復雜且受力大。風輪軸有較高的綜合機械性。此外風輪機構(gòu)組件還包括變漿機構(gòu)，它是根據(jù)風速的變化來調(diào)節(jié)槳距角，用以風電機保持高效率的輸出功率。 機艙及其組件 風力發(fā)電機的機艙承擔容納所有的機械零部件，起到支撐作用。它還需要承受所受外力作用（靜負載和動負載），機艙罩材料應具高強度高硬度，表面光滑，均勻厚度，無層件剝離等特點。其中包含齒輪箱、發(fā)電機等主要部件。機艙的左邊是風力發(fā)電轉(zhuǎn)子（葉片與風輪軸）。 風力發(fā)電機的傳動機構(gòu)包含增速器、主軸、齒輪箱、發(fā)電機和聯(lián)軸器等[4]，它是用于傳遞機械能，并且將機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。一般情況下，風輪轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子所必須的轉(zhuǎn)速，增速器要給風輪轉(zhuǎn)動加速。聯(lián)軸器與制動器往往設計在一起。 發(fā)電機是將傳動軸傳給的機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝備。一般選用直流發(fā)電機、永磁發(fā)電機、同步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機等作為風電專用發(fā)電機。 齒輪箱也是風電發(fā)電機組的關鍵部件之一，它的作用是在風電機工作在低轉(zhuǎn)速，而發(fā)電機在高轉(zhuǎn)速下運作時，使兩者實現(xiàn)工作的匹配。葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過齒輪的傳動遞給發(fā)電機。齒輪箱結(jié)構(gòu)復雜，在機艙內(nèi)安裝空間小，由于外界工作環(huán)境惡劣，常有強風沖擊，維修檢查顯得十分困難，所以齒輪箱材料和可靠性要求比較高。齒輪箱按照傳動的方式可以分為：展開式，分流式，同軸式和混合式。圖22展示了齒輪箱的樣式。圖22 風力發(fā)電齒輪箱 偏航系統(tǒng)也稱作對風裝置，被安裝在機艙座內(nèi)。它的作用是調(diào)控葉片隨著風向變化而變化，快速平穩(wěn)地對準風向，以便風機獲得最大的風能；當機艙內(nèi)引出電纜發(fā)生纏繞時，它會自動解纜。 塔架部件 塔架的功能是支撐位于空中的機艙、輪片等風力發(fā)電主要器件，一般要求高度達到六十米以上，且塔架與地基相連接處要求牢固，能夠承受強大的風力沖擊以及有風力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的不同載荷，將這些載荷接地消除，使得整個系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全地運行下去。塔架內(nèi)部配置線纜還必須將發(fā)電機運作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網(wǎng)。塔架內(nèi)部空間大，必須配有爬梯與安全導軌，備以工作人員操作、維護。塔架的幾種基本形式：單管拉線式，衍架拉線式，衍架式和錐筒式。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是整個風力發(fā)電機組的核心部分，它關系到系統(tǒng)中每一個部件的動作和狀態(tài)。通常使用PLC，或者DSP微機處理器作為控制器件，它們功能強大，能夠應付惡劣的工作環(huán)境，所以受到廣泛應用?？刂葡到y(tǒng)的功能主要有對運行過程的模擬量和數(shù)字量進行采集、傳遞、分析、運算，從而做出命令控制風電機組的運行，使得功率輸出穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速在合理的范圍內(nèi)；若出現(xiàn)故障或者遇到異常情況可以快速準確地檢測到并且分析原因，做出相應的保護措施或停機?？刂葡到y(tǒng)通常由各種傳感器，微機處理器，編程控制器，軟件系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)組成。圖23為風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)示意圖。圖23 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng) 風能理論簡介 風速和風能瞬時風速是指風速的瞬時值[8]。它只可給出相關風的近似概念，并且因為傳感器的慣性作用，風速的瞬時值只能近似地測量。瞬時風速V用平均風速Vm加上風的波動分v來表示：V=Vm+v （） 風速為v，當風吹過葉輪時，葉輪受力轉(zhuǎn)動。假設m為氣體質(zhì)量，ρ為空氣密度。根據(jù)空氣流體力學可知，在一秒中流向風輪的空氣具有的動能為：E=189。mv2 （）單位時間里氣體流過截面S的氣體體積是V，那么V=Sv （） 單位氣體體積的質(zhì)量為m=ρV=ρvS （） 流動氣體具有的動能為E=189。mv2=189。v3ρS （） 據(jù)風能表達式可知，風能的大小與流過截面的面積和氣體的密度相關且成正比，與氣體流速的立方也成正比。氣體密度和速度都隨著海拔高度的變化而變化。P為當?shù)卮髿鈮?，t為當?shù)卮髿鈮?，則氣體密度計算公式：ρ= （） （） 本章小結(jié) 本章主要介紹了風力發(fā)電機組的四個主要組成部分：風輪及其組件、機艙及其組件、塔架部件和控制系統(tǒng)，詳細介紹了它們的構(gòu)造和功能。最后還介紹了相關的風能理論知識。3 設計方案和電氣元件選型 設計方案風力發(fā)電的主要工作原理：機械能轉(zhuǎn)化為電能，這也是發(fā)電機工作的原理?？刂品矫娴墓ぷ髟砑斑^程為：當系統(tǒng)的總開關合上后，可編程控制器初始化，測速傳感器感知到風速模擬信號A/D轉(zhuǎn)換后并且傳輸給PLC，處理中心則將模擬量與額定參數(shù)進行比較，若在參數(shù)范圍內(nèi)則啟動系統(tǒng)中的發(fā)電機，不在參數(shù)范圍內(nèi)則報警手動停機。發(fā)電機運作后，在運作過程中溫度傳感器、風向傳感器、測速傳感器將測得的各類參數(shù)模擬量A/D轉(zhuǎn)換后傳送給PLC進行分析，PLC根據(jù)分析后的結(jié)果，做出相應的動作，例如啟動發(fā)電機開始工作，隨風向的變化驅(qū)動電機隨之旋轉(zhuǎn)，繞纜時自動停機，運行冷卻機當機艙或塔架溫度過高時，變壓器運作控制等。一般設計的風力發(fā)電設備如果遇到突發(fā)情況，沙塵暴或是暴風，風速突然加大，測速傳感器要及時傳送模擬量，經(jīng)PLC分析后立即做出停機措施。最后還有將輸出的直流電流經(jīng)過濾波器濾波，送入電流變換裝置成為三相交流電，這兩部分控制要求在本文中不涉及。據(jù)系統(tǒng)功能的要求，本文將對風力發(fā)電系統(tǒng)的啟動，發(fā)電機控制，偏航控制、溫度模糊控制以及變壓器控制著重進行研究?？刂祈樞驗椋紫认到y(tǒng)初始化啟動后，進行發(fā)電機啟動，接著進行偏航控制，然后控制溫度的變化，最后控制變壓器的啟動與停止。了解該設計所需用到的電器元件，對各種元件進行選型。在設計中四個基本控制要求是：（1）發(fā)電機啟動之前，將外界風速模擬量轉(zhuǎn)換后傳送至內(nèi)存單元，與正常發(fā)電的風速范圍進行比較，不在范圍內(nèi)則警報進行手動停機，在范圍內(nèi)則啟動發(fā)電機；（2）事先編制好風向標夾角的角度區(qū)間，啟動發(fā)電機后，將外界風向模擬量轉(zhuǎn)換后傳送給控制器，將角度數(shù)據(jù)分析后歸相應角度區(qū)間進行控制，運作向左偏航電機或者向右偏航電機，使之偏轉(zhuǎn)到合適風向范圍內(nèi)；（3）對機艙和塔架內(nèi)部的溫度進行控制，因為是對模擬量的閉環(huán)控制，所以采用PID控制方法。系統(tǒng)內(nèi)分為機艙控制單元與塔架控制單元，打開進氣閥排放冷氣流，間隔一定時間檢測室溫，溫度太高則使得進氣閥繼續(xù)進氣，溫度低于設定值停止進氣，使得溫度恒定在安全范圍內(nèi)；（4）根據(jù)發(fā)電機運行狀態(tài)來控制變壓器的啟動與停止。 系統(tǒng)整體設計本文中，控制方式將采取順序控制和中斷控制。主要流程如下：啟動后PLC開始初始化，用風速傳感器檢測外界風力的大小，在發(fā)電允許范圍內(nèi)將控制發(fā)電機啟動，風速檢測值過大，則要報警并且進行手動停機。在正常風速范圍內(nèi)，發(fā)電機啟動，接下來進行各類控制，控制的目的是使風力得到最大程度的利用。首先是偏航自動控制，由于風向不同導致風能吸收率下降，控制航向使風輪機頭