【正文】 摘 要 全球人口增長和發(fā)展中國家的經(jīng)濟擴張，到 2050 年，世界能源需求可能翻番甚至增加兩倍。地球上的全部生命都依賴于能源和碳循環(huán)。能源對經(jīng)濟級社會發(fā)展都至關重要，但這也帶來了環(huán)境方面的挑戰(zhàn)。我們必須探索能源生產(chǎn)與消費的各個方面，包括提高能效、清潔能源、全球碳循環(huán)、碳資源、廢棄物和生物質(zhì)，還要關注它們與氣候和自然資源問題之間的關系。風力發(fā)電的發(fā)展是時代的需要。 在風力發(fā)電控制系統(tǒng)中，基于 PLC為主控制器的設計是未來的發(fā)展方向。本設計基于 PLC的 風力發(fā)電 控制系統(tǒng)， 旨在 保證風力發(fā)電機偏航 系統(tǒng)、齒輪箱、液壓系統(tǒng)、發(fā)電機正常工作 ；通過選擇合適的控制方法，使系統(tǒng)能 更加穩(wěn)定的運行 ，進而可以有效提高風力利用率。 設計中主要對發(fā)電機控制電路、偏航控制電路 、齒輪箱及液壓站的運行 和工作情況進行了設計， 并 繪制了相應的電氣原理圖 。在 控制電路中 還說明了 PLC、電動機及相應低壓器件的 型 號 選擇 ，繪制了 I/O 接線圖 ； 在發(fā)電機控制電路中，設計了發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制方面；偏航電路中，設計了對風、解纜功能； 在液壓系統(tǒng)中，設計了溫控、壓力控制功能；在齒輪箱系統(tǒng)中，設計了油位控制功能。 同時在設計中還詳細編寫了各部分的控制 程序，并進行了相關調(diào)試，另外利用S7200 仿真軟件進行了系統(tǒng)仿真驗證，仿真結(jié)果滿足設計要求。 關鍵詞 ：可編程控制器；偏航； 液壓系統(tǒng) ；控制系統(tǒng)；風力發(fā)電 ABSTRACT Global population growth and developing economic expansion, to 2050, world energy demand may double or even increased two times. The whole of life on earth depends on both the energy and the carbon cycle. Energy for economic social development are crucial, but it has also brought environmental challenges. We must explore the energy production and consumption in all aspects, including improving energy efficiency, clean energy, the global carbon cycle, carbon resource, waste and biomass, but also pay attention to them and climate and natural resource problems between. Wind power development is the need of the times. In the wind power control system based on Programmable Logic Controller (PLC), mainly is the design of future development direction. Based on the design of PLC wind power control system, in order to ensure the windmill generator yaw system, gear box, hydraulic system, the generator work。 by selecting appropriate control method, making the system more stable operation, which can effectively improve the utilization rate of wind power. Design of the main generator control circuit, control circuit, gearbox and hydraulic station running and working conditions for the design, and draw the corresponding electrical schematic diagram. The control circuit also shows PLC, motor and corresponding low voltage devices model selection, rendering the I / O wiring diagram。 in generator control circuit, design of the generator speed control。 yaw circuit, design of wind, starting function。 in the hydraulic system, design temperature control, pressure control function。 in the gear box system, design the level control function. In the design of the detailed written parts control program, and the relevant debugging, while using S7200 simulation software simulation system, and the simulation results and meet the design requirements. Key word: Programmable Logic Controller。Yaw。Hydraulic system。 Control system。Wind Power 第 1 章 引 言 目的和意義 由于全球人口增長和發(fā)展中國家的經(jīng)濟擴張，到 2050 年，世界能源需求可能翻番甚至增加兩倍。地球上的全部生命都依賴于能源和碳循環(huán)。能源對經(jīng)濟級社會發(fā)展都至關重要，但這也帶來了環(huán)境方面的挑戰(zhàn) [1]。我們必須探索能源生產(chǎn)與消費的各個方面，包括提高能效、清潔能源、全球碳循環(huán)、碳資源、廢棄物和生物質(zhì)，還要關注它們與氣候和自然資源問題之間的關系。 風電是目前技術(shù)最成熟、最具市場競爭力且極具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕?清潔能源，發(fā)展風電對于改善能源結(jié)構(gòu)、保護生態(tài)環(huán)境、保障能源安全和實現(xiàn)經(jīng)濟的可 持續(xù)發(fā)展等方面有著及其重要的意義 [2]。 隨著計算機技術(shù)與先進的控制技術(shù)應用到風電領域，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向變槳距和變速恒頻控制方向發(fā)展。目前的控制方法是：當風速變化時通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁力矩或風力機漿距角使葉尖速比保持最佳值，實現(xiàn)風能的最大捕獲?？刂品椒ɑ诰€性化模型實現(xiàn)最佳葉尖速比的跟蹤，利用風速測量值進行反饋控制，或電功率反饋控制 [3]。但在隨機擾動大、不確定因素多、非線性嚴重的風電系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法會 產(chǎn)生較大誤差。因此近些年國內(nèi)外都開展了這方面的研究。一些新的控制理論開始應用于風電機組控制系統(tǒng)。如采用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡智能控制、魯棒控制等。使風機控制向更加智能方向發(fā)展。 傳統(tǒng)的風力發(fā)電控制方法存在諸多不足，引起較大的能量損失，基于 PLC 為主控制器的控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，通用性強，編程方便，抗干擾能力強，可靠性較高，并且維護起來比較方面，能夠直觀的反應現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，通過編程工具可以直接觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)，極大的方面了維護人員查找故障，縮短了對系統(tǒng)維護的時間。隨著新型控制算法的研究和應用， 可以有效提高風能利用效率，對于提高風電機組的發(fā)電量，減小風電成 本具有重要意義 [4]。 國內(nèi)外現(xiàn)狀 世界風力發(fā)電發(fā)展狀況 隨著國際社會能源緊缺壓力不斷增大，風力發(fā)電得到了高度的重視。近 20 多年來，風電技術(shù)日趨成熟，應用規(guī)模越來越大。 2021 年，全球新增發(fā)電裝機超過 3800 萬千瓦，比 2021 年凈增長 1100 萬千瓦，累計裝機容量突破 億千瓦，同比增長超過 31%。其中我國增長最快，維持了 100%的增速，當年吊裝完成 1400 萬千瓦，比2021 年增加了 760 萬千瓦，同比增長 120%；歐盟 實現(xiàn)裝機容量 1056 萬千瓦，同比增長 17%；美國凈增長 992 萬千瓦，同比增長了 19%。根據(jù)全球風能理事會的統(tǒng)計，截止到 2021 年 12 月，全球風電新增裝機 3580 萬千瓦，累計裝機 19440 萬千瓦，同比 2021 年（ 15870 萬千瓦）增長可 %。 2021 年新增風電投資近 473 億歐元（ 650億美元）。 從風電發(fā)展的區(qū)域分布來看， 2021 年歐洲、亞洲、北美仍分居世界三甲， 2021年底的裝機容量分別達到了 8756 萬千瓦、 5828 萬千瓦和 4699 萬千瓦 [5]。歐洲雖然仍居首位，但是與亞洲、北美的差距正在縮小 ，我國風電新增容量超過歐盟。業(yè)內(nèi)人士普遍估計，到 2021 年三大地區(qū)風電裝機容量將基本持平。從國別來看，我國已累計裝機容量 4478 萬千瓦穩(wěn)居榜首，美國以 4027 萬千瓦的裝機容量位居第二，德國則以2736 萬千瓦的容量位居第三位，西班牙和印度位居第四和第五，累計裝機容量分別為2030 萬千瓦和 1297 萬千瓦。進入前十名的還有法國（ 596 萬千瓦）、英國（ 586 萬千瓦）、意大利（ 579 萬千瓦）、加拿大（ 401 萬千瓦）和葡萄牙（ 383 萬千瓦）。 從發(fā)電量占本國的比例來看，丹麥仍居世界榜首，約占本國發(fā)電量的 22%， 西班牙以占據(jù)本國發(fā)電量 13 的比例位居第二，位居前五位的國家還有葡萄牙、愛爾蘭和德國，占本國發(fā)電量的比例分別是 12%， 10%和 8%。風電發(fā)電超過 1%的國家共有20 個，美國以 2%的比例，位居第 12 位。我國風電裝機容量雖然居世界第二，但是發(fā)電量占全國發(fā)電量的比例還很低，大約為 %,位居世界 22 位，比美國落后十個位次。 除了傳統(tǒng)的風電大國之外，英國、法國、加拿大、澳大利亞、日本以及東歐的波蘭等國也開始加速發(fā)展風電。 2021 年，風電累計裝機超過 300 萬千瓦的國家已經(jīng)達到10 個， 2021 年還只有 5 個。風電已 經(jīng)成為世界范圍內(nèi)普遍接受的代替能源技術(shù)。 面對 2021 年世界風電逆勢飛揚的新形勢，世界風電普遍調(diào)高了 2020 年風電發(fā)展預期。預計 2020 年全球風電裝機容量將達到 6 億千瓦，其中估計 2020 年我國風電裝機容量打到 億千瓦 [6]。 我國風力發(fā)電的發(fā)展情況 我國地域幅員遼闊，風能資源豐富。對于風能的技術(shù)可開發(fā)量，根據(jù)中國氣象科學研究院的保守估算數(shù)據(jù)，全國陸地上可開發(fā)利用的風能約 億千瓦（依據(jù)地面以上 10m 高度風力資料計算），海上可開發(fā)利用的風能約 億千瓦，共計約 10 億千瓦[7]。而根據(jù)國際研究機構(gòu)的初步測算，不包括新疆、西藏等西部地區(qū)，我國風能密度 在 300W/㎡以上的陸地面積超過 65 萬平方公里，可以安裝風力發(fā)電機 37 億千瓦；風能密度在 400W/㎡以上的陸地面積超過 28 萬平方公里可以安裝 14 億千瓦的風力發(fā)電裝備。如果考慮海上，我國風力發(fā)電的技術(shù)潛力可能超過 20 億千瓦。 我國在 20 世紀 60 年代就開始研制有實用價值的新型風力機。 70 年代以后，發(fā)展較快，在裝機容量、制造水平及發(fā)展規(guī)模上都居于世界前列。離網(wǎng)式小風電機組對解決邊遠地區(qū)農(nóng)、牧、漁民基本生活用電發(fā)揮了重大作用。全國累計 生產(chǎn)各類小風電機組 20 多萬臺，總?cè)萘?6 萬多千瓦，小風電機組的年產(chǎn)量、產(chǎn)值和保有量均列世界之首。我國西部地區(qū)已有 20 多萬戶農(nóng)牧民安裝了小風電機組，為接近 100 萬農(nóng)牧民提供了電力，成為我國風力發(fā)電的一大特色。 發(fā)展風力發(fā)電有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)。從長遠看，我國常規(guī)能源資源人均擁有量相對較少，為保持經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展，按目前估計的技術(shù)可開發(fā)儲量計算，風電年發(fā)電量可達幾萬億千瓦時。據(jù)推算，我國 2020 年需要 10 億千瓦的發(fā)電裝機， 4 萬億千瓦時的發(fā)電量，之后如果按照人均 2 千瓦，達到中等發(fā)達國家生活水平的基本要求 ，在 2050 年我國需要大約 30 億千瓦的發(fā)電裝機和 12 萬億千瓦時的發(fā)電量 [8]。龐大的裝機和發(fā)電量需求，給風力發(fā)電的發(fā)展提供了廣闊的空間。 我國政府提出的風電規(guī)劃目標是到 2020 年風電裝機達到 億千瓦。 2020 年之后的風電超過核電成為第三大主力發(fā)電電源，在 2050 年前后達到或超過 4 億千瓦，超過水電，成為第二大主力發(fā)電電源。 風電機組發(fā)展趨勢 目前風電市場上和風電場中安裝的風力發(fā)電機組，絕大多數(shù)是水平軸、三葉片、上風向、管式塔形式，其他形式的機組較少見到。風電界整體上對機組技術(shù)的認 識不再有大的分歧，開始集中力量向大型化、高質(zhì)量和高效率方面發(fā)展，新的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個方面。 從定槳距（失速型）向變槳距機組發(fā)展。風力發(fā)電機的失速功率調(diào)節(jié)方式和變槳距調(diào)