【正文】 5 一 緒論 研究背景 能源問題在我國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展中具有特別重要的戰(zhàn)略地位。 風(fēng)力發(fā) 電是目前技術(shù)最為成熟、最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的清潔可再生能源利用方式。 1998～ 2021 年的 7 年中，全球 風(fēng)電裝機(jī)容量年平均增長率達(dá)到 %。報告指出，到 2020 年風(fēng)力發(fā)電將占世界電力總量的 12%，屆時世界風(fēng)電的裝機(jī)容量將達(dá)到 1231000MW，發(fā)電量約為 30000 億 kWh。截至 2021 年底，世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘繛?59322 兆瓦，同比上 年增長 25%。 2021 年就新增裝機(jī)容量而言，世界前 6 位分別為美國 2431 兆瓦，高居首位；其次是德國 1808 兆瓦；其他依次為西班牙1744 兆瓦、印度 1430 兆瓦、葡萄牙 500 兆瓦和中國 498 兆瓦。 （ 2） 風(fēng)電成本逐年降低 盡管風(fēng)電成本受很多因素 的制約，但其發(fā)展趨勢是逐漸降低的。風(fēng)電機(jī)組可靠性的改進(jìn)也減少了運(yùn)行維護(hù)的平均成本。隨著技術(shù)設(shè)備的改善，成本還可以在目前的基礎(chǔ)上再減少 30%50%。目前我國的風(fēng)能利用方面與國際水平還有一定差距，但是發(fā)展很快，無論在發(fā)展規(guī)模上還是發(fā)展水平上，都有很大提高。國外的機(jī)組廠商出于暢占市場的考慮，在中國市場上的價格比在 日本及歐洲的銷售價低 10%～ 20%。沿海發(fā)達(dá)地區(qū)和西北地區(qū)都是我國風(fēng)能資源分布的豐富區(qū)。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機(jī)頭組成的，而是一個有一定科技含量的小 系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電機(jī) +充電器 +數(shù)字逆變器。然后用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流 220V 市電，才能保證穩(wěn)定使用。機(jī)艙左端是風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。 低速軸：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。 高速軸及其機(jī)械閘：高速軸以 1500 轉(zhuǎn)每分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機(jī)。 偏航裝置：借助電動機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。 電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)，并控制偏航裝置。此 外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油?，F(xiàn)代 600 千瓦風(fēng)汽輪機(jī)的塔高為 40 至 60 米。 風(fēng)速計(jì)及風(fēng)向標(biāo)：用于測量風(fēng)速及風(fēng)向 11 三 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 plc 系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 plc 系統(tǒng)介紹 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配備 的電控系統(tǒng)以可編程控制器為核心，控制電路是由 PLC中央控制器及其功能擴(kuò)展模塊組成。 下面 如圖 32 所示是 PLC 的圖片。它主要 用于順序控制，只能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。 plc 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 33 所示 圖 33 plc 結(jié)構(gòu)示意圖 各組成部分的作用 （ 1） 、 cpu 1) 將各種輸入信號取入存儲器 2） 編譯、執(zhí)行指令 3） 把結(jié)果送到輸出端 4） 響應(yīng)各種外部設(shè)備的請求 （ 2） 、存儲器 RAM：存儲各種暫存數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、用戶正調(diào)試的程序。 其輸入接口電路如圖 34所示 輸出接口作用：將主機(jī)向外輸出的信號轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動外部執(zhí)行電路的信號，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計(jì)算機(jī)與外部強(qiáng)電隔離。 如圖 36所示 中、大型機(jī)：模塊式。 PLC：循環(huán)掃描。 梯形圖語言：沿襲了傳統(tǒng)的控制圖。 單位： ms /1000 步 或 ?s /步 3） 內(nèi)存容量。 （ 4） 優(yōu)點(diǎn) 1） 抗干擾、可靠性高。 5） 網(wǎng)絡(luò)通訊功能，便于實(shí)現(xiàn)分散式測控系統(tǒng)。 3） 用于閉環(huán)過程控制。電源、輸入、輸出接線是外部干擾入侵 PLC 的重要途徑，為了提高 PLC 控制系統(tǒng)地的可靠性，應(yīng)采取相應(yīng)的抗干擾措施。各種傳感器包括風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、各種電量傳送器、溫度傳感器。上述傳感器信號表征了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組目前的運(yùn)行狀態(tài)。 被監(jiān)測的物理量 1） 速度信號：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等 2）溫度信號：發(fā)電機(jī)軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組溫度等 3）電氣特性：電網(wǎng)電壓、電流 功率因數(shù)等 4）環(huán)境條件：風(fēng)速、風(fēng)向等 主要傳感器 1）風(fēng)速計(jì) 2）風(fēng)向標(biāo) 3）編碼器 4) 溫度傳感器 5）電壓互感器 6）電流互感器 就地用戶接口電量采集系統(tǒng)中央及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場傳感器信號開關(guān)量輸入溫度轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速與風(fēng)速信號中心控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制并網(wǎng)裝置變槳變速執(zhí)行機(jī)構(gòu)補(bǔ)償電容 22 圖 43 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳感器安裝位置 圖 44 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳感器安裝位置 圖 45機(jī)柜內(nèi)控 制器 PLC(可編程序控制系統(tǒng) )接收外部各傳感器監(jiān)測信號 23 電壓電流測量 電壓測量 在測量交變電流的大電壓時，為能夠安全測量，在火線和地線之間并聯(lián)一個變壓器（接在變壓器的輸入端），這個變壓器的輸出端接入電壓表，由于輸入線圈的匝數(shù)大于輸出線圈的匝數(shù)，因此輸出電壓小于輸入電壓，電壓互感器就是降壓變壓器。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。金屬熱電阻一般適用于 200~500℃范圍內(nèi) 的溫度測量，其特點(diǎn)是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。其中 Pt100 和 Cu50 的應(yīng)用最為廣泛。 25 ○ 3 四線制：在熱電阻的 根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流 I，把 R 轉(zhuǎn)換成電壓信號 U，再通過另兩根引線把 U引至二次儀表。鎧裝熱電阻外保護(hù)套管采用不銹鋼，內(nèi)充高 密度氧化物絕緣體，具有很強(qiáng)的抗污染性能和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度。對于 500℃以下的中、低溫度，熱電偶的輸出的熱電勢很小，這對二次儀表的放大器、抗干擾措施等的要求就很高，否則難以實(shí)現(xiàn)精確測量；而且， 在較低溫區(qū)域，冷端溫度的變化所引起的相對誤差也非常突出。至少一 個杯 總是面向來風(fēng)。布置的光電管 通斷的不同百分比，可以判斷 機(jī)艙與實(shí)際風(fēng)向的偏差。轉(zhuǎn)速信號主要用于機(jī)組的并網(wǎng)、脫網(wǎng)及變速控制等。 如圖 412所示 連接分布圖 圖 412 35 2 機(jī)械傳感測量 機(jī)械傳感測量是使用兩個獨(dú)立的接近開關(guān)對同一個安裝在風(fēng)機(jī)主軸上的齒盤的轉(zhuǎn)動數(shù)來進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量 ,之后輸出 24V的脈沖信號到 Overspeed(超速 監(jiān) 測 )模塊 ,Overspeed 模塊將輸出 2 路發(fā)電機(jī)當(dāng)前對應(yīng)轉(zhuǎn)速的電壓模擬量，送至主控制系統(tǒng)，由主控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)乘以一個系數(shù)后轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并對比Gspeed 模塊輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)速。該干結(jié)點(diǎn)信號在主控制系統(tǒng)中嵌入在系統(tǒng)安全鏈內(nèi)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)安全鏈動作，從而達(dá)到電機(jī)過速保護(hù)的目的。設(shè)采樣周期為 T 秒，在采樣周期內(nèi)正跳轉(zhuǎn)（或負(fù)跳轉(zhuǎn)）的計(jì)數(shù)值為 M，齒盤齒數(shù)為 n,則旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的正跳轉(zhuǎn)（或負(fù)跳轉(zhuǎn)） N，公式為 n=60M/TN 轉(zhuǎn) /分 36 程序如下 : 37 38 39 監(jiān) 測指標(biāo)的組態(tài) 40 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 變槳控制 變槳系統(tǒng)分布結(jié)構(gòu)： 變槳 電控系統(tǒng)主電路采用交流 直流 交流回路，變槳電機(jī)采用交流異步變槳柜 1變槳電機(jī) 1滑環(huán)90 度限位開關(guān)0 度接近開關(guān)動力電源線旋轉(zhuǎn)編碼器電磁剎車連接器變槳柜 190 度限位開關(guān)0 度接近開關(guān)動力電源線旋轉(zhuǎn)編碼器電磁剎車變槳柜 190 度限位開關(guān)0 度接近開關(guān)動力電源線旋轉(zhuǎn)編碼器電磁剎車變槳電機(jī) 2變槳電機(jī) 3 41 電機(jī)，變槳速率通過變槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，采用開環(huán)頻率控制。順槳到 90176。相比密封鉛酸蓄電池作為備用電源的變槳系統(tǒng)，采用超級電容的變槳系統(tǒng)具有下列優(yōu)點(diǎn)： a、充電電流大，充電時間短； b、交流變直流的整流模塊同時作為充電器，無須再單獨(dú)配置充放電管理電路； c、超級電容的容量隨使用年限的增加，減小的非常小。 偏航時間的長短，是由計(jì)算機(jī)控制的，一旦風(fēng)向儀出現(xiàn)故障，自動偏航操作將中止，僅可以從控制柜或機(jī)艙頂部控制盒上用人工方式操作偏航。 現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組多采用阻尼型偏航系統(tǒng)，偏航剎車系統(tǒng)已經(jīng)很少使用了 基本結(jié)構(gòu)： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙和塔架分別與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)外環(huán)聯(lián)接。當(dāng)風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中，起動調(diào)向?qū)︼L(fēng)時，調(diào)向阻 力矩 M一般由下列阻力矩組成： M=Mw+Mp+Mf+Mz （ 1） 式中： Mｆ —— 作用于回轉(zhuǎn)支承裝置上的摩擦阻力矩； Mｗ —— 風(fēng)壓力作用于機(jī)艙上所引起的風(fēng)阻力矩； Mp—— 調(diào)向起動時由慣性力所引起的慣性阻力矩； Mz—— 使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行和調(diào)向平穩(wěn)而由制動器產(chǎn)生的阻尼力矩 43 偏航傳感器 偏航結(jié)構(gòu) 44 總結(jié) 時間轉(zhuǎn)瞬即逝，畢業(yè)設(shè)計(jì)也已經(jīng)接近衛(wèi)生了，回想起這幾周的學(xué)習(xí)生活真的感受頗深。因此，風(fēng)電場要求有可靠的 監(jiān) 測監(jiān)控系統(tǒng)是作為風(fēng)電設(shè)備正常運(yùn)行及其故障 監(jiān) 測的必要手段。我會再接再