【正文】 捷 ,能夠直接反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的變化狀態(tài) ,達(dá)到有效高速地控制整個(gè)系統(tǒng)的目的。本文運(yùn)用可編程控制器西門子S7200 作為主控制器 ,通過啟動(dòng)發(fā)電機(jī) ,偏航控制 ,變壓器控制和溫度控制等幾個(gè)模塊設(shè)計(jì) ,對(duì)不穩(wěn)定的風(fēng)做出相應(yīng)的控制 ,使得風(fēng)能得到最大程度的利用。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)的風(fēng)能資源分布 :我國(guó)風(fēng)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(gè)區(qū)域風(fēng)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(fēng)能資源豐富 。山區(qū) ,例如南嶺、武夷山地區(qū) ,遼河、華北、長(zhǎng)江中下游平原、西北高原地區(qū) ,風(fēng)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(fēng)能貧乏。我國(guó)風(fēng)能資源的分布除了具有空間上的差異以外 ,在時(shí)間上也有很大的差 異。東部沿海地區(qū) ,夏季風(fēng)勢(shì)力強(qiáng)勁 ,風(fēng)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(fēng)勢(shì)力強(qiáng)勁 ,所以這些地區(qū)風(fēng)能資源主要集中在冬季。 我國(guó)政府在 2020年制定了《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃》 ,力求達(dá)到 2020年和 2020年風(fēng)電裝機(jī)容量要到達(dá) 1000萬(wàn)千瓦和 3000萬(wàn)千瓦的目標(biāo) ,并且制定了風(fēng)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的政策 [3]。 2020 年中國(guó)除臺(tái)灣省外裝機(jī)容量 萬(wàn)千瓦。與2020 年當(dāng)年新增裝機(jī) 萬(wàn)千瓦相比 ,2020 年當(dāng)年新增裝機(jī)增長(zhǎng)率達(dá)到了254%。 2020 年 ,我國(guó)的新增裝機(jī)容量已達(dá)到 630 萬(wàn)千瓦 ,我國(guó) 總裝機(jī)容量翻兩倍達(dá)到了 1200 萬(wàn)千瓦 ,已達(dá)到了上面所說的 2020 年風(fēng)電裝機(jī) 1000 萬(wàn)千瓦的目標(biāo)。在 2020 年 ,我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量已超過 3000 萬(wàn)千瓦 ,而 2020 年則有望突破 1 億千瓦或者 億千瓦的風(fēng)電裝機(jī)容量。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要零部件像是輪片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、電控系統(tǒng)、塔架等已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化 ,并且可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。 我國(guó)風(fēng)電發(fā)展方向有以下幾方面 : (1)風(fēng)力發(fā)電從陸地向海面拓展。 (2)單機(jī)容量進(jìn)一步增大。 (3)新方案和新技術(shù)的應(yīng)用 :例如變速恒頻技術(shù)和變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)在功率調(diào)節(jié) 方法上的應(yīng)用 ,計(jì)算機(jī)分布式控制技術(shù)和新的控制理論應(yīng)用。 (4)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更加個(gè)性化。 圖 11 我國(guó)風(fēng)能資源分布圖 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 在 20世紀(jì) 70年代 ,以美國(guó)為主的西方國(guó)家發(fā)生石油危機(jī)波及全球范圍后 ,許多國(guó)家開始尋求代替化石燃料的新能源 ,在研究風(fēng)力發(fā)電這一領(lǐng)域上 ,投入了相當(dāng)多的人力和物力 ,結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)理論 ,運(yùn)用新型材料 ,電機(jī) ,可編程控制器 ,計(jì)算機(jī)技術(shù) ,通信技術(shù) ,自動(dòng)化控制等最新開發(fā)成果 ,研發(fā)新一代的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 ,充分利用豐富的風(fēng)能資源 ,開創(chuàng)了一個(gè)綠色風(fēng)能時(shí)代。 在技術(shù)方面 ,美國(guó) ,丹麥 ,德國(guó)等科技實(shí)力強(qiáng)勁的國(guó)家向風(fēng)電機(jī)偏航控制 ,變槳距控制 ,調(diào)整失速控制 ,自動(dòng)化調(diào)控等各方面進(jìn)行開發(fā) ,他們建立了各種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的風(fēng)能資源的測(cè)量 ,傳感和模擬系統(tǒng) ,擴(kuò)展了空氣動(dòng)力學(xué)方面的理論知識(shí) ,研制出了新一代的電機(jī) ,例如具有變速發(fā)電機(jī)、變極發(fā)電機(jī)、變速恒頻發(fā)電機(jī)、變滑差發(fā)電機(jī)、步進(jìn)低速發(fā)電機(jī)等。開發(fā)種由計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)或單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的組群的自動(dòng)控制系統(tǒng) ,這些措施都很大地提升了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性 [3]。 海上風(fēng)電場(chǎng)是最近世界范圍內(nèi)廣泛推廣使用的大型有效利用風(fēng)能資源的形式 ,在 1980 年初 在美國(guó)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(fēng)能資源 ,風(fēng)力強(qiáng)大 ,可以大規(guī)模采取進(jìn)行發(fā)電。不過在海陸線上建設(shè)風(fēng)力發(fā)電廠還存在技術(shù)的難度 ,需要投入巨額資金裝備和維護(hù) ,所以在美國(guó) ,德國(guó) ,中國(guó)等這樣的大國(guó)才進(jìn)行投產(chǎn)建設(shè)。 2020年底 ,全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘客黄?4000萬(wàn)千瓦 ,風(fēng)力發(fā)電占全球電力供應(yīng)的 %。過去 5 年全球風(fēng)電裝機(jī)容量年平均增長(zhǎng)速度超過 %,2020全球的新增風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過 830 萬(wàn)千瓦。目前全世界風(fēng)電工業(yè)規(guī)模約為120 億美元 ,預(yù)計(jì)到 2020 年可望達(dá)到 1200 億美元。 近年來美國(guó)的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展最高端 ,新增裝機(jī)容量 169 萬(wàn)千瓦 ,總裝機(jī)容量達(dá)到 636 萬(wàn)千瓦。美國(guó)風(fēng)電年均平增速達(dá)到了 24%,有超過 30 個(gè)州建成了風(fēng)電場(chǎng)。 毋庸置疑 ,全球最重要的風(fēng)電市場(chǎng)之一是美國(guó) ,雖然政府政策方面的不確定性和不穩(wěn)定性使得風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展充滿了隨變性 ,但還存在著有利于風(fēng)電發(fā)展的積極要素。 全世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展速度最快是歐洲。歐洲也是風(fēng)電設(shè)備裝設(shè)最多的一大洲。 20 世紀(jì)初時(shí)歐洲地區(qū)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量為 2930 萬(wàn)千瓦 ,約占全球風(fēng)電總裝機(jī)容量的 73%。盡管 2020 年歐洲風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)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(guó)家海上風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展 ,預(yù)計(jì)歐洲地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)仍將維持快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。 亞洲地區(qū)風(fēng)力發(fā)電與西方國(guó)家相比發(fā)展相對(duì)比較緩慢 ,除了印度中國(guó) ,其它國(guó)家風(fēng)電裝機(jī)容量都很小。 2020 年全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量超過 41000MW[3],目前全球風(fēng)電總裝機(jī)容量已經(jīng)超過 238000KW。這表明去年風(fēng)電市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率達(dá) 6%,總量同比增長(zhǎng)超過21%。另一組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指出 ,在全球已經(jīng)有風(fēng)電商業(yè)運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目的 75 個(gè)國(guó)家中 ,超過22 個(gè)國(guó)家裝機(jī)容量已 逾 1GW。就發(fā)展相對(duì)成熟的歐美風(fēng)電市場(chǎng)來看 ,歐洲去年新增裝機(jī) ,總裝機(jī)容量上升至 94GW,這一數(shù)字支撐著歐洲 %的用電需求。美國(guó)風(fēng)電行業(yè)去年新增裝機(jī) ,形勢(shì)有所回落。過去幾年風(fēng)電裝機(jī)量在美國(guó)的新增裝機(jī)里占到了三分之一 ,而且正在努力實(shí)現(xiàn)到 2030 年使風(fēng)電能提供美國(guó)20%的用電量的目標(biāo) ,這也是布什政府之前的政策之一。 索耶爾對(duì) 2020 年拉美、亞洲和非洲的風(fēng)電市場(chǎng)表示出樂觀的判斷 ,但他同時(shí)指出 ,“如果不對(duì)全球傳統(tǒng)發(fā)電方式的碳排放成本價(jià)格化后計(jì)入其真實(shí)發(fā)電成本 ,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將在一直在巨大壓力下 前行。” 國(guó)際風(fēng)電發(fā)展方向有以下幾方面 : (1)變速恒頻機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生。 (2)定槳距機(jī)組逐步向變槳距機(jī)組轉(zhuǎn)換。 (3)葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部件不斷在可靠性、大型化。 (4)控制與監(jiān)控技術(shù)不斷完善。 (5)海上風(fēng)能利用技術(shù)及其風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)受到重視。 (6)致力于風(fēng)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(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的初始化 ,發(fā)電機(jī)的啟動(dòng) ,偏航控制 ,變壓器控制和 溫度控制 ,在溫度過高時(shí)進(jìn)行溫度的調(diào)控。 控制機(jī)組應(yīng)具有輪片隨風(fēng)向變化而變化的動(dòng)作且具有恒功率輸出的表現(xiàn) ,傳感器對(duì)風(fēng)向標(biāo)的夾角進(jìn)行檢測(cè) ,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)在相應(yīng)設(shè)定角度值區(qū)間內(nèi) ,根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施 ,變壓器變送高電壓 ,對(duì)電力傳輸能夠施以嚴(yán)格的管理控制。 本文中應(yīng)了解相關(guān)風(fēng)力發(fā)電的知識(shí)和需解決的一些具體問題 :理解相關(guān)空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí) ,理解風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備 ,選擇合適的元器件型號(hào) 。如何假設(shè)建立個(gè)風(fēng)力發(fā)電硬件模擬設(shè)備組 ,如何有效合理地分配 I/O 地址 ,如何正確繪制各個(gè)功能的電路圖 ,如何編制 PLC 程序 ,如何進(jìn) 行上下位機(jī)聯(lián)調(diào)模擬等。 在論文中的第一章中講述了設(shè)計(jì)課題的背景和選題意義。從風(fēng)力發(fā)電相比不可再生資源發(fā)電具有的優(yōu)勢(shì)和 PLC控制的好處這兩個(gè)方面介紹基于 PLC風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意義。文中又介紹了風(fēng)力發(fā)電的歷史 ,國(guó)內(nèi)、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀與研究趨勢(shì)。最后列舉了設(shè)計(jì)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(jī)組的組成和空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。文中說道風(fēng)電機(jī)組是由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架以及控制系統(tǒng)這四個(gè)部分組成且詳細(xì)描述了各部分的結(jié)構(gòu)、功能等。在風(fēng)能理論中介紹了風(fēng)速和風(fēng)能的意義。 第三章和第四章是本論文 中的重點(diǎn)部分。第三章主要是設(shè)計(jì)方案的確定 ,從整體到各個(gè)模塊分層介紹了各個(gè)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(duì)各控制功能列出程序進(jìn)行詳細(xì)解說 ,最后形成控制總程序。 第五章中主要說明了對(duì)已編好的程序進(jìn)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(cuò)調(diào)試 ,連接實(shí)驗(yàn)電路板 ,進(jìn)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(duì)本文的分析和總結(jié) ,列出設(shè)計(jì)中的不足之處及改進(jìn)方案。 附 錄中給出了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路圖。 2 風(fēng)電機(jī)組組成與風(fēng)能理論風(fēng)能發(fā)電的原理 ,是風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)電機(jī)的輪片旋轉(zhuǎn) ,輪片的一端連接發(fā)電機(jī)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)桿 ,發(fā)電機(jī)內(nèi)導(dǎo)體切割磁感應(yīng)線而產(chǎn)生電流 ,這樣實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電的目的。 按照現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)技術(shù) ,風(fēng)速 3m/s 左右的微風(fēng)即可以開始發(fā)電。本章簡(jiǎn)單介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成以及相關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí) ,即可清楚了解風(fēng)力發(fā)電的原理和過程。 風(fēng)電機(jī)組