【正文】 實驗結(jié)果 ...................................................................................................... 25 實驗分析 ...................................................................................................... 27 第 6 章 總結(jié) ................................................................................................................. 28 參考文獻 ....................................................................................................................... 29 致謝 .............................................................................................................................. 31 附錄 .............................................................................................................................. 32 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒論 開發(fā)利用風力發(fā)電的動因 人類經(jīng)濟的發(fā)展 與能源的開發(fā)和利用 密不可分，每一次新型能源的開發(fā)利用都使社會 發(fā)展產(chǎn)生一次 質(zhì)的飛躍 。風 電作為一種 新型的清潔能源，其優(yōu)勢得到越來越多的人認可 。順著全球變暖，人居環(huán)境不斷惡化。 （ 3） 風電建筑用地 占地少。建設(shè)一個風力發(fā)電場，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半年至一年時間 [1 ]。根據(jù)風能理事會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示： 20xx 年全球新增風電裝機容量達 40564MW； 新增容量是全球累沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 計風電裝機達到 237669MW。 我國 的裝機容量較 20xx 年的 18GW 有所下降 [3]。 （ 3）海上風電悄然興起 近年來，近海風電技術(shù)逐步成為風電領(lǐng)域新的研究與應(yīng)用的熱點。位于丹麥南海岸的 Nysted風電場 目前 是世界上最大的海上風電場 ，其 容量為 ，由 72 臺 海上風電機組組成， 并 于 20xx 年 12月開始發(fā)電。 我國從 1770 年起開始進行并網(wǎng)型風力發(fā)電的實驗， 1996 年，國家計委實施了“乘風計劃”，開始引進大型風力發(fā)電機，建設(shè)大型風力發(fā)電場。 20xx 年一季度中國風力發(fā)電量大增。“十一五”時期，我國陸續(xù)出臺了《可再生能源法》及《關(guān)于風電建設(shè)管理有關(guān)要求的通知》、《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》等一系列配套政策和實施細則，這些政策不僅為風電長遠發(fā)展提 供了法律保障、政策支持，也明確提出了裝備先行、市場化的發(fā)展戰(zhàn)略。 課題研究的背景和意義 在傳統(tǒng)的風力發(fā)電控制系統(tǒng)中，控制方法存在諸多不足，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程繁瑣，可靠性穩(wěn)定性不強等眾多因素引起較大的能量損失，致使風力發(fā)電的成本仍高于常規(guī)電力成本。與此同時，基于 PLC 為主控制器的控制系統(tǒng)也將會得到越來越廣闊的發(fā)展空間 [8]。 圖 21 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 偏航控制系統(tǒng) 風力機的偏航系統(tǒng)也稱為對風裝置，它是 風電機組 特有的伺服系統(tǒng) 。尾翼 裝在尾桿上與風輪軸平行或成一定的角度。 大中型風力機一般采用電動的偏航系統(tǒng)來調(diào)整風輪并使其對準風向。 關(guān)于偏航系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)將在后續(xù)章節(jié)進行詳細介紹。 定槳距 風電機組 的液壓系統(tǒng) 定槳距 風電機組 的液壓系統(tǒng)實際上是制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要用來執(zhí)行 風電機組 的開關(guān)機指令。在兩個回路中各裝有兩個壓力傳感器，以指示系統(tǒng)壓力，控制液壓泵站補油和確定剎車機構(gòu)的狀態(tài)。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 22 變槳距 風電機組 液壓 系統(tǒng) 1— 油箱 2— 油位開關(guān) 3— 空氣濾清器 4— 溫度傳感器 5— 液壓泵 6— 聯(lián)軸器 7— 電動機 8— 主模塊 9— 壓力測試口 10— 濾清器 11— 單向閥 12 壓力傳感器 13— 溢流閥 14— 壓力表 15— 壓力表接口 16— 蓄能器 17— 節(jié)流閥 18— 可調(diào)節(jié)流閥 19— 電磁閥 20— 比例閥 21— 電磁閥 22— 減壓閥 23— 壓力開關(guān) 24— 先導止回閥 （ 1） 液壓泵站 液壓泵站的動力源是齒輪泵 5，為變距回路和制動器回路所共 用 。當泵停止時，系統(tǒng)由蓄能器 16 保持壓力。 （ 2） 變 漿 控制 液壓變槳距控制機構(gòu)屬于電液伺服系統(tǒng)，變槳距液壓執(zhí)行機構(gòu) 是 槳葉通過機械連桿機構(gòu)與液壓缸相連接 ,節(jié)距角的變化同液壓缸位移基本成正比。變距 油缸按比例閥輸出的方向和流量操縱葉片節(jié)距在－ 5176。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 （ 3） 液壓系統(tǒng)在停機 / 緊急停機時的工作情況 停機指令發(fā)出后，電磁閥 19— 1 和 192 斷電，油從蓄能器 161 通過閥 191和節(jié)流閥 17— 1及閥 24 傳送到油缸后端。從而使來自風的 變漿 力不能從油缸左端方向移動活塞，避免向－ 5176。在緊急停機位時，泵很快斷開，順槳只由來自蓄能器 161 的壓力油來完成。/s[12]。風輪的空轉(zhuǎn)速度也最小。方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風輪開始啟動。其控制系統(tǒng)框圖如下圖 所示，轉(zhuǎn)速控制的給定值是恒定的，即同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速反饋信號與給定值進行比較，當轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時，槳葉槳距就向迎風面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。這時的變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相同，其功率輸出完全取決于槳葉的氣動性能。功率反饋信號與給定值進行比較，當功率超過額定功率時，槳葉槳距就向迎風面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度 [15]。 PLC 基本結(jié)構(gòu) （ 1） 電源 電源是構(gòu)成 PLC 控制系統(tǒng)的不可或缺的組成部分。 （ 2） 中央處理單元 （ CPU) 中央處理單元（ CPU）是 PLC 的控制中樞。 為了進一步提高 PLC 的可靠性，對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。 （ 4） 輸入輸出接口電路 現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是 PLC 與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。 PLC 的特點 （ 1） 功能完善，組合靈活，擴展方便，實用性強。 工作人員只需將 PLC 相應(yīng)的 I/O 端與現(xiàn)場設(shè)備相連接，并寫入程序即可運行。 （ 4）抗干擾能力和可靠性能力都強，遠高于其他各種機型。正確的選擇接地地點和完善的接地系統(tǒng)是 PLC 控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。 PLC 的技術(shù)條件能在一般高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強電磁干擾環(huán)境下可靠工作。 PLC 的梯形圖是根據(jù)繼電 接觸器硬件邏輯控制原理設(shè)計的，將原有電器控制系統(tǒng)輸入信號及輸出信號作為 PLC 的 I/O 點。同時，對 PLC 的基本結(jié)構(gòu)做了大體介紹，并描述其相對其他控制器的優(yōu)點。 系統(tǒng)的硬件主要有 :偏航電機，扭 纜 開關(guān)，風速風向傳感器 ， PLC。電磁制動器的直流勵磁電源 電機接線盒內(nèi)的整流裝置 提供 ，制動器具有手動釋放裝置。也有采用一級渦輪減速器和一級行星減速器組合而成的減速器（ VESTAS 機組采用這種機構(gòu)） [20]。它的種類較多，常見的風速測量儀器有散熱式風速計、旋轉(zhuǎn)式風速計、和聲學風速計，但是最經(jīng)常 使用的是旋轉(zhuǎn)式風速計。風杯由3 個互成 120176。 以 WAA — 15 為例，它是一種高響應(yīng)、低門限、三風杯的光電型風速計 。當光束被遮住是 時 輸出為 低電平 ,這樣由于連續(xù)切割光束就可輸出一高一低的脈沖信號，且 輸出頻率與風速成正比 [21]。傳送和指示風向標所在方位的方法有電觸點盤、環(huán)形電位、自整角機和光電碼盤四種類型，其中最常用的是碼盤。 ,64 個方位 ,結(jié)構(gòu)如圖 [22] 。解纜傳感器安裝在機艙底部，通過一個尼龍齒輪與偏航大齒圈嚙合，這樣在偏航過程中，尼龍齒輪也一起轉(zhuǎn)動。 本章小結(jié) 本章介紹 了偏航系統(tǒng)硬件的部件組成。 風向信號 風輪軸方向 圖 41 偏航控制系統(tǒng)框圖 風機上裝有風向儀，當風輪的主軸與風向儀指向偏離時，控制器開始計時，這種方向偏差達到一定的時間后，才認為風向確實改變，由控制器發(fā)出向左或者向右偏航的指令，直到方向偏差消除。因此當偏航角度累計達到1080176。 風電機組 無論處于運行狀態(tài)還是待機狀態(tài)均可以主動對風。偏航系統(tǒng)的控制過程可以分為：自動解纜、人工偏航、自動對風 ，如下圖所示。方向。 偏航角 γ 的范圍是 1080176。風輪主軸順時針旋轉(zhuǎn)時，偏航角正向增加；風輪主軸逆時針旋轉(zhuǎn)時，偏航角反向增加 [25]。人工偏航控制可通過硬件設(shè)計完成，具體實施方案參照上一章的電路設(shè)計圖。1080176。通過在偏航齒圈旁安裝如圖瑣事的兩個位置傳感 器，可以實現(xiàn)對偏航角的測量。順、逆時針的狀態(tài)順序圖如表 41 所示。對于解纜系統(tǒng)來說，這樣的精度已經(jīng)足夠。這方法同時用于計算解纜時電機需要回轉(zhuǎn)的角度。 自動對風 控制 自動對風程序設(shè)計思想 在偏航過程中，風力機總是按最短路徑將機艙轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度，才能夠提高發(fā)電效率，這樣就需要解決電機的起動和轉(zhuǎn)向問題。當達到允許的誤差范圍內(nèi)時，自動對風停止。 ~180176。 ； （ 2） 當偏航角 γ 0176。則風機需進行順時針偏航對風，使順時針偏航信號 =1； 若 180176。 ,則風機需進行逆時針偏航對風，使逆時針偏航信號 =1； 若 360176。 表 42 風機偏航對風方向判別表 θ的取值范圍 風機偏航對風方向 n取值 360176。 逆時針偏航 θ角度對風 0,1,2 0176。 逆時針偏航 θ角度對風 0,1,2,3 當檢測到風機葉片迎風面方向與風向角之間的夾角超過設(shè)定角度（ 5176。當偏航條件具備時， 風電機組 釋放偏航剎車，偏航電動機動作執(zhí)行偏航任務(wù)。 若需將外界信號傳送到 CPU，首先通過傳感器采集所需的外界信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號可能是離散的電信號，需通過變送器將它轉(zhuǎn)化為標準的模擬量電壓或電流信號。 STEP7 中的功能 FC105 能完成這樣的轉(zhuǎn)換。 因為在風速風向傳感器會將數(shù)據(jù)以電流的形式傳送給 PLC 進行處理，所以本設(shè)計中，將用到功能 FC105 實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)化。 θ?180176。 176。 4. 5 風機自啟動 當風速儀檢測到單位時間內(nèi)的平均風速達到風機的切入風速時， 系統(tǒng)自動采集來自于風速儀的風速數(shù)據(jù) ， PLC發(fā)出啟動信號，開始偏航對風，機械剎車松開，自動控制槳距角到合適的角度，直到發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速，并發(fā)出并網(wǎng)信號 [30]。 程序控制指令可執(zhí)行子程 序的調(diào)用，所以可將自動對風程序、 偏航解纜程序 、自啟動、模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量和控制算法程序 分別編入 FC 中，并使用 CALL 指令對其進行調(diào)用，使之成為一個完整的偏航控制程序。流程圖如圖 47. 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 N Y N Y 圖 主程序流程圖 主程序見附錄 四。 運行偏航程序 屏蔽自動偏航子程序 執(zhí)行偏航解纜程序 風速是否達到切入風速 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 第 5 章 偏航實驗 實驗構(gòu)成 西門子 S7PLCSIM 仿真軟件是 STEP7 的可選軟件工具，安裝后集成在STEP7 中。 使用 S7PLCSIM 進行項目仿真時，不需任何 S7 硬件（ CPU 或信號模塊），使用 S7PLCSIM 可以相對真實 PLC 硬件一樣，對模塊 CPU 進行程序下載、測試和故障診斷，具有方便和安全等特點，非常適合前期的工程測試。 （ 3） 在模擬的 CPU 上運行程序，可替代 CPU 模塊。可以對各個定時器進行單獨撫慰或一起復(fù)位。 本程序?qū)⑹褂?S7PLCSIM 進行仿真。 （ 1）風向、風速模擬輸入信號可通過調(diào)節(jié) 大小 來改變風信號輸入的大小，由此模擬真實風信號。配合以上部件與 PLC 程序可實現(xiàn)風電機組偏航自動對風控制，觀察機組偏