【正文】 政府之前的政策之一。 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。 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)。 最后一 章 是對 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。所以在原有的基礎(chǔ)上，增加了偏航系統(tǒng)，齒輪箱，控制系統(tǒng)，停機(jī)系統(tǒng)等 部件 更加有效地使用風(fēng)能。 根據(jù) 葉片橫截面形狀可以 將葉片 分為平板型，弧板型和流線型。 機(jī)艙 及其 組件 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 機(jī)艙 承擔(dān)容納所有的機(jī)械零部件，起到支撐作用 。一般選用直流發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)等作為風(fēng)電專用發(fā)電機(jī)。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁 共 46 頁 塔架部件 塔架的功能是支 撐位于空中的機(jī)艙 、 輪片等風(fēng)力發(fā)電主要器件，一般要求高度達(dá)到六十米以上，且塔架與地基相連接處要求牢固，能夠承受強(qiáng)大的風(fēng)力沖擊以及有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行引起的不同載荷，將這些載荷接地消除，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全地運(yùn)行下去。 圖 23 為 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組 控制系統(tǒng)示意圖。v3ρS （ ） 據(jù)風(fēng)能表達(dá)式可知，風(fēng)能的大小與流過截面的面積和氣體的密度相關(guān)且成正比，與氣體流速的立方也成正比。 最后 還有 將輸出的直流電流經(jīng)過濾波器濾波，送入電流變換裝置成為三相交流電， 這兩部分控制要求在 本文 中不涉及。在正常風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，接下來進(jìn)行 各類控制，控制的目的是使風(fēng)力得到最大程度的利用。 發(fā)電機(jī) 啟動(dòng)模塊的順序控制流程圖 如下 ： 圖 32 初始 化啟動(dòng)控制流程圖 （ 2） 偏航控制模塊 偏航控制系統(tǒng)包含偏航控制機(jī)構(gòu)與偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) [5]。 這是個(gè)典型的位置伺服控制系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變，超出允許誤差范圍時(shí)，控制器發(fā)出自動(dòng)偏航指令，風(fēng)向傳感器和偏左、偏右電動(dòng)機(jī)組成的自動(dòng)對風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動(dòng)作。當(dāng)角度 155176。 時(shí)，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作 20 秒，當(dāng)角度在 195176。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁 共 46 頁 圖 34 偏航控制流程圖 （ 3） 溫度控制模塊 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用溫度傳感器檢測溫度，送入 PLC 的模擬量的輸入模塊，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換 為與溫度成比例的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)， PLC 將它與溫度參定值進(jìn)行比較，按照 PID 控制算法對誤差進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果再送入模擬量輸出模塊，進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，將電力設(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生的熱氣排出室外，并且 控制冷卻機(jī)運(yùn)作， 向室內(nèi)傳送采集風(fēng)向系數(shù)持續(xù)工作90 s 155 176。由于氣體壓力波動(dòng)，各元器件溫度各不相同，溫度不勻等擾動(dòng)因素影響，會(huì)破壞機(jī)艙溫度的穩(wěn)定，通過閉環(huán)控制可以有效地抑制各種擾動(dòng)因素的影響，使控制更加有效。 在這個(gè)溫控系統(tǒng)中， 控制器的參數(shù)的整定方法是工程整定法，主要依賴于工程 經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，并且方法簡單、容易掌握 。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并且相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)湊試至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。 測試積分 系 數(shù) TI時(shí)， 將比例系數(shù) 減小到原來的一半，首先置積分系數(shù)為 ，發(fā)現(xiàn) 不能很好地消除由比例系數(shù)整定后產(chǎn)生的余差。 圖 39 溫控 PID 參數(shù)整定階躍響應(yīng)圖 在這個(gè)溫度控制系統(tǒng)中， 機(jī)艙和塔架內(nèi)部的溫度設(shè)定值、 增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間和微分時(shí)間都已在程序中設(shè)定，溫度設(shè)定值為 ，增益為 ，采樣時(shí)間為 ，積分時(shí)間為 ，微分時(shí)間為 。塔架內(nèi)部配置 控制器 ，還必須 放置變壓器和線纜 將發(fā)電機(jī)運(yùn)作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網(wǎng)。進(jìn)氣閥有三個(gè)按鈕，分別為啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和急停按鈕。 I/O地址分配與電 氣元件選型 I/0地址分配 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和控制流程圖的要求，可以設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)為 11 個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)為 11 個(gè)，擴(kuò)展模擬量輸入模塊 EM231 模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為 4 個(gè)，擴(kuò)展模擬量輸出模塊 EM232模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為 2 個(gè)。 選擇西門子 S7200CPU226 型號(hào)，有 24 點(diǎn)開關(guān)量輸入， 16 點(diǎn)開關(guān)量輸出， 6 個(gè)計(jì)數(shù)器，擴(kuò)展輸入 /輸出模板數(shù)量為 7 個(gè)。型號(hào)： YRKF5004（空 空冷式雙饋異步發(fā)電機(jī)）。 表 32 存儲(chǔ)器注釋表 存儲(chǔ)器名稱 注 釋 通用輔助存儲(chǔ)器 風(fēng)速參數(shù)大于 3m/s 通用輔助存儲(chǔ)器 風(fēng)速參數(shù)大于 15m/s 通用輔助存儲(chǔ)器 風(fēng)向參數(shù)在 145176。 區(qū)間 通用輔助存儲(chǔ)器 風(fēng)向參數(shù)在 189176。選用西門子的 3TB 系列接觸器 。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 35 頁 共 46 頁 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 36 頁 共 46 頁 4 可編程控制器及 控制程序 可編程控制器簡介 可編程控制器（ Programmable Logic Controller）簡稱為 PLC。20 世界七八十年代正是計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子控制技術(shù)開發(fā)和發(fā)展的時(shí)代，可編程用微電子控制計(jì)算或是中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路進(jìn)行制造使之具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳遞等功能。 其中存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器與用戶程序存儲(chǔ)器。 I/O 模塊中用小型繼電器、耦合器等隔離內(nèi)部電路與外部 I/O 電路，所以有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。在停止模式時(shí)，和運(yùn)行模式相似，控制器一個(gè)階段有歷讀取輸入、處理通信請求、自診斷和改寫輸出四步，完成后進(jìn)入下一階段，周而復(fù)始 地工作下去。 （ 2） 編程方法多樣、簡單易學(xué) 前面說到 PLC 的編程語言有國際上通用的 5 類，尤其是梯形圖，形象直觀，很易理解，所以應(yīng)用最多 。 （ 5） 易于維修、自我診斷 PLC 的故障出現(xiàn)率低，若發(fā)生故障，內(nèi)置程序能快速查找出故障原因。它能廣泛地應(yīng)用于各類切割成型機(jī)械，裝配機(jī)械等。 （ 5） 聯(lián)網(wǎng)通信 PLC 和各種設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，互相傳遞信息，實(shí)現(xiàn)集散控 制。將該方程逆變換，得出函數(shù)關(guān)系 D=f（ A）可以表示為數(shù)學(xué)方程： D=(AA0) (DmD0)/ (AmA0)+D0 () 在以下程序中遇到模擬量轉(zhuǎn)換，用公式 和公式 對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算便可以有效地得出數(shù)字量。 顯示系統(tǒng)已 啟動(dòng)。 時(shí)輸出 4mA， 360176。 至 176。 171176。 。 將啟動(dòng)向左偏航的電動(dòng)機(jī)， 180176。 、 155176。 和 165176。 171176。 165176。 在 189176。 時(shí)，啟動(dòng)向 左 偏航的電動(dòng)機(jī)（ ）并且運(yùn)作延時(shí) 90s。在 205176。由于 篇幅 限制 ，不列出其他 三 個(gè)角度 區(qū)間的控制梯形圖。 這段程序?qū)崿F(xiàn)了偏航電機(jī)延時(shí)工作的功能。 165176。 、 155176。 圖 45 145176。 表示正對迎風(fēng)面。 205176。 165176。 圖 43 詳細(xì)表示這一轉(zhuǎn)換過程。 該儀表的量程設(shè)置為 0360176。 X 表示輸入的模擬量， D 表示轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 41 頁 共 46 頁 圖 41 系統(tǒng)總啟動(dòng)、模擬量轉(zhuǎn)換梯形圖 在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中需要用到模擬量的 輸入和 A/D 轉(zhuǎn)換值的轉(zhuǎn)換 。 （ 4） 數(shù)據(jù)處理 PLC 的數(shù)學(xué)運(yùn)算包含很多種，有整數(shù)運(yùn)算，浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，邏輯預(yù)算，位運(yùn)算等， PLC 還具有數(shù)據(jù) 存取，數(shù)據(jù)傳輸，排序查表等功能。而在 PLC 發(fā)展較快的年代，針對數(shù)字量的處理， PLC 采用了“與”、“或”、“非”等邏輯控制指令來編輯程序，以便實(shí)現(xiàn)開關(guān)通斷，電路的分支和串并聯(lián)等功能。 （ 4） 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) PLC 不像以前繼電器那樣由于觸點(diǎn)接觸不良造成誤操作， PLC 的開關(guān)量啟停都使用軟件完成，所以它具有很高的工作可靠性和安全性。此外它還有存儲(chǔ)、運(yùn)算、傳輸數(shù)據(jù)的功能，還能通信連網(wǎng)，進(jìn)行集散管理與控制。 PLC 要連續(xù)不停地分階段處理各種任務(wù)和程序。其中輸入模塊接受和采集各類信號(hào)，有開關(guān)量輸入 輸出模塊，模擬量輸入 輸出 模塊兩種。 CPU 模塊是可編程控制器的核心部分。 可以說，早期的可編程控制器就有很多項(xiàng)功能，例如計(jì)數(shù)、定時(shí)、邏輯運(yùn)算、雙向控制等，應(yīng)用于工業(yè)中的各行各業(yè)，取得很好的成效。提出對于這個(gè)系統(tǒng)的方案相匹配的電氣 元件，并對對它們進(jìn)行選型。 區(qū)間 通用輔助存儲(chǔ)器 機(jī)艙溫控運(yùn)行標(biāo)志位 通用輔助存儲(chǔ)器 塔架內(nèi)部溫控運(yùn)行標(biāo)志位 通用輔助存儲(chǔ)器 變壓器運(yùn)行標(biāo)志位 通用輔助存儲(chǔ)器 變壓器停止運(yùn)行標(biāo)志位 特殊存儲(chǔ)器 PLC 運(yùn)行時(shí)這一 位始終為 1，是常 ON 繼電器 特殊存儲(chǔ)器 PLC 首次掃描時(shí)為 1，一個(gè)掃描周期。 區(qū)間 通用輔助存儲(chǔ)器 風(fēng)向參數(shù)在 171176。 （ 3）傳感器、繼電器的選擇： 風(fēng)速風(fēng)向傳感器使用 PH100SX 型號(hào) [12]。 其他器件的選型 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中所需用到了一些電氣元件有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、傳感器、 表 31 I/O 地址分配表 分類 名稱 數(shù)據(jù)類型 I/O 口地址 輸入 系統(tǒng)總啟動(dòng) BOOL 變壓器啟動(dòng) BOOL 變壓器停止 BOOL 機(jī)艙溫控系統(tǒng)啟動(dòng) BOOL 機(jī)艙溫控系統(tǒng)停止 BOOL 機(jī)艙溫控系統(tǒng)急停 BOOL 塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)啟動(dòng) BOOL 塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)停止 BOOL 塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)急停 BOOL 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 32 頁 共 46 頁 溫度控制系統(tǒng)總啟動(dòng) BOOL 溫度控制系統(tǒng) 總停止 BOOL 輸出 系統(tǒng)啟動(dòng)顯示燈 BOOL 發(fā)電機(jī)啟動(dòng) BOOL 向左偏航 BOOL 向右偏航 BOOL 合適風(fēng)向顯示燈 BOOL 風(fēng)速過大警報(bào)顯示燈 BOOL 機(jī)艙電動(dòng)機(jī) BOOL 塔架內(nèi)部電動(dòng)機(jī) BOOL 溫控進(jìn)氣閥進(jìn)氣 BOOL 變壓器運(yùn)行 BOOL 變壓器停運(yùn) BOOL EM231 風(fēng)速 WORD AIW0 風(fēng)向 WORD AIW2 機(jī)艙溫度 WORD AIW4 塔架內(nèi)部溫度 WORD AIW6 EM232 機(jī)艙進(jìn)氣閥進(jìn)氣 WORD AQW0 塔架內(nèi)部進(jìn)氣閥進(jìn)氣 WORD AQW2 繼電器、接觸器和熔斷器等。根據(jù)控制規(guī)模的大小，即輸入 /輸出點(diǎn)的多少，選擇相應(yīng)的 CPU 型號(hào) 。所以在這一模塊中，變壓器的運(yùn)行和停止分別 需要兩個(gè)開關(guān)條件的實(shí)現(xiàn)。 在這個(gè) 溫控 系統(tǒng)中，我們需要兩個(gè)測溫模擬量輸入點(diǎn)，兩個(gè)需要冷卻機(jī)工作輸送冷氣流的模擬量輸入點(diǎn)，兩個(gè)需要排氣閥排出 氣流的模擬量輸出點(diǎn)。 機(jī)艙是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中很重要的組成部分，假若溫度過高將會(huì)影響發(fā)電機(jī)、主軸、齒輪箱等重要元器件的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重的甚至燒壞電纜，毀壞電機(jī)。因此，設(shè)定微分系數(shù)為 。系數(shù)越大，偏差也隨之變大，過渡過程容易震蕩。在比例控制 下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求時(shí)，則需要加入積分控制。微分系數(shù) TD 反應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率，預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。持續(xù)工作50 s持續(xù)工作90 s向左偏航合適風(fēng)向指示燈YNYYYYYNNNNN常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁 共 46 頁 冷 氣流 進(jìn)行降溫，這樣 實(shí)現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。 以上所述的 角 度區(qū)間控制原理可以用圖 33 進(jìn)行表示： 圖 33 偏航角度區(qū)間控制原理圖 偏航控制系統(tǒng)模塊的順序控制流程圖如圖 34， 從圖中可以看出，偏航控制的次數(shù)僅為一次，若要求再次進(jìn)行偏航控制，必須將機(jī)艙水平軸撥到與風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直的位置。當(dāng)角度在 189176。 189176。只有風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直 于 風(fēng)向，即 風(fēng)力 發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪法線與風(fēng)向一致，風(fēng)電機(jī)吸收的功率最大。 在 本文 中涉及 到的偏航控制指的即為風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動(dòng)偏航。 Y 啟動(dòng) 控制器初始化 采集 風(fēng)速 參數(shù) 大于 額定參數(shù) 啟動(dòng)發(fā)電機(jī) 偏航控制 停機(jī) 溫度控制 N 變壓器控制 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁 共 46 頁 （ 1） 發(fā)電機(jī) 啟動(dòng)模塊 這一模塊的功能是啟動(dòng)系統(tǒng)總開關(guān)， PLC 初始化 。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 本文 中，控制方式將采取順序控制 和中斷控制 。 發(fā)電機(jī)運(yùn)作 后 ，在運(yùn)作過程中溫度傳感器、風(fēng)向傳感器、測速傳感器將測得的各類 參數(shù) 模擬量 A/D 轉(zhuǎn)換后傳送給 PLC 進(jìn)行分析， PLC 根據(jù)分析后的結(jié)果，做出相應(yīng)的動(dòng)作，例如 啟動(dòng)發(fā)電 機(jī)開始工作， 隨風(fēng)向的變化驅(qū)動(dòng)電機(jī)隨之旋轉(zhuǎn)，繞纜時(shí)自動(dòng)停機(jī)， 運(yùn)行冷卻機(jī)當(dāng)機(jī)艙 或塔架溫度過高 時(shí) ，變壓器運(yùn)作控制 等。mv2