【正文】 捷 ,能夠直接反應現(xiàn)場信號的變化狀態(tài) ,達到有效高速地控制整個系統(tǒng)的目的。本文運用可編程控制器西門子S7200 作為主控制器 ,通過啟動發(fā)電機 ,偏航控制 ,變壓器控制和溫度控制等幾個模塊設計 ,對不穩(wěn)定的風做出相應的控制 ,使得風能得到最大程度的利用。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)發(fā)展狀況 我國的風能資源分布 :我國風能資源的地區(qū)區(qū)域差異大。沿海、內(nèi)蒙古 和甘肅北部、黑龍江南部和吉林東部三個區(qū)域風能最多 。青藏高原中部和北部、西北、華北、東北三區(qū)域的北部 ,東南沿海的風能資源豐富 。山區(qū) ,例如南嶺、武夷山地區(qū) ,遼河、華北、長江中下游平原、西北高原地區(qū) ,風能可待開發(fā)利用 。云貴川陜西、豫西、鄂北、湘西、福建廣東 ,盆地地形區(qū)等風能貧乏。我國風能資源的分布除了具有空間上的差異以外 ,在時間上也有很大的差 異。東部沿海地區(qū) ,夏季風勢力強勁 ,風能資源主要集中在夏季。而北方以及西北內(nèi)陸地區(qū) ,冬季風勢力強勁 ,所以這些地區(qū)風能資源主要集中在冬季。 我國政府在 2020年制定了《可再生能源中長期發(fā)展計劃》 ,力求達到 2020年和 2020年風電裝機容量要到達 1000萬千瓦和 3000萬千瓦的目標 ,并且制定了風電設備國產(chǎn)化的政策 [3]。 2020 年中國除臺灣省外裝機容量 萬千瓦。與2020 年當年新增裝機 萬千瓦相比 ,2020 年當年新增裝機增長率達到了254%。 2020 年 ,我國的新增裝機容量已達到 630 萬千瓦 ,我國 總裝機容量翻兩倍達到了 1200 萬千瓦 ,已達到了上面所說的 2020 年風電裝機 1000 萬千瓦的目標。在 2020 年 ,我國的風電裝機容量已超過 3000 萬千瓦 ,而 2020 年則有望突破 1 億千瓦或者 億千瓦的風電裝機容量。 風力發(fā)電機組主要零部件像是輪片、齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、電控系統(tǒng)、塔架等已經(jīng)國產(chǎn)化 ,并且可以進行批量生產(chǎn)。 我國風電發(fā)展方向有以下幾方面 : (1)風力發(fā)電從陸地向海面拓展。 (2)單機容量進一步增大。 (3)新方案和新技術的應用 :例如變速恒頻技術和變槳距調(diào)節(jié)技術在功率調(diào)節(jié) 方法上的應用 ,計算機分布式控制技術和新的控制理論應用。 (4)風力發(fā)電機組更加個性化。 圖 11 我國風能資源分布圖 國外發(fā)展狀況 在 20世紀 70年代 ,以美國為主的西方國家發(fā)生石油危機波及全球范圍后 ,許多國家開始尋求代替化石燃料的新能源 ,在研究風力發(fā)電這一領域上 ,投入了相當多的人力和物力 ,結合空氣動力學理論 ,運用新型材料 ,電機 ,可編程控制器 ,計算機技術 ,通信技術 ,自動化控制等最新開發(fā)成果 ,研發(fā)新一代的風力發(fā)電機組 ,充分利用豐富的風能資源 ,開創(chuàng)了一個綠色風能時代。 在技術方面 ,美國 ,丹麥 ,德國等科技實力強勁的國家向風電機偏航控制 ,變槳距控制 ,調(diào)整失速控制 ,自動化調(diào)控等各方面進行開發(fā) ,他們建立了各種基于計算機技術的風能資源的測量 ,傳感和模擬系統(tǒng) ,擴展了空氣動力學方面的理論知識 ,研制出了新一代的電機 ,例如具有變速發(fā)電機、變極發(fā)電機、變速恒頻發(fā)電機、變滑差發(fā)電機、步進低速發(fā)電機等。開發(fā)種由計算機控制多臺或單臺風力發(fā)電機組成的組群的自動控制系統(tǒng) ,這些措施都很大地提升了風力發(fā)電的效率及可靠性 [3]。 海上風電場是最近世界范圍內(nèi)廣泛推廣使用的大型有效利用風能資源的形式 ,在 1980 年初 在美國加利福尼亞首先興起。在海陸線附近由于陸地、海洋吸熱量差異大 ,表體溫度差異大而產(chǎn)生豐富的風能資源 ,風力強大 ,可以大規(guī)模采取進行發(fā)電。不過在海陸線上建設風力發(fā)電廠還存在技術的難度 ,需要投入巨額資金裝備和維護 ,所以在美國 ,德國 ,中國等這樣的大國才進行投產(chǎn)建設。 2020年底 ,全球風力發(fā)電裝機總?cè)萘客黄?4000萬千瓦 ,風力發(fā)電占全球電力供應的 %。過去 5 年全球風電裝機容量年平均增長速度超過 %,2020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 2020 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。 2020 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 ,歐洲去年新增裝機 ,總裝機容量上升至 94GW,這一數(shù)字支撐著歐洲 %的用電需求。美國風電行業(yè)去年新增裝機 ,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 2020 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。” 國際風電發(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。 控制機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構、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)觀察結果判斷程序正確與否。 最后一章是對本文的分析和總結 ,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