【正文】 ................................................... 32 EWind Turbine 調(diào)試 .............................................. 33 組態(tài)王運行結(jié)果 ................................................... 34 致謝 .................................................................... 35 參考文獻(xiàn) ................................................................ 36 1 1. 概述 課題的背景和意義 能源是經(jīng) 濟發(fā)展的原動力，是現(xiàn)代文明的物質(zhì)基礎(chǔ)，安全、可靠的能源供應(yīng)和高效、清潔的利用能源是實現(xiàn)社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基本保證。風(fēng)能作為一種可持續(xù)發(fā)展的新能源，不僅可以節(jié)約常規(guī)能源，而且減少環(huán)境污染，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，越來越受到各國的重視。在這眾多的可再生能源中，目前發(fā)展最快、商業(yè)化最廣泛、經(jīng)濟上最適用的，當(dāng)數(shù)風(fēng)力發(fā)電。單臺風(fēng)力發(fā)電機組安裝僅需幾個星期，可多臺同時安裝， 2 互不干擾。近年世界風(fēng)力發(fā)電高速增長，前景光明。 （ 3）海上風(fēng)電悄然興起 海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域，使得近海風(fēng)電技術(shù)成為近來研究和應(yīng)用的熱點。 風(fēng)電發(fā)展的展望 根據(jù) 20xx年 10月 GWEC和綠色 和平國際組織（ Greenpeace）的預(yù)測，今后 20年風(fēng)力發(fā)電將成為世界主力電源。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機械能，則有 21VV ， 21SS 。葉片與輪轂的連接有固定式（定槳距），及可動式（變槳距）。偏航剎車用來固定機艙位置。由于風(fēng)速經(jīng)常變化，功率系數(shù) Cp不可能保 持在最佳值，不能最大限度地捕獲風(fēng)能，效率低。 對于變槳距系統(tǒng)，葉片用可轉(zhuǎn)動的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個葉片可同步轉(zhuǎn)動以改變?nèi)~片的安裝角，即同步改變?nèi)~片的迎角以滿足不同的風(fēng)速條件下風(fēng)力發(fā)電機得到最大功率。所以，有些風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)采用無刷雙反饋電機，該電機定子有兩套極數(shù)不同的繞組，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，無須滑環(huán)與電刷，可靠性高。凸輪控制的自動解纜過程如下 :根據(jù)角 度傳感器所記錄的偏轉(zhuǎn)角度情況，確定順時針解纜還是逆時針解纜。主控制器通過各類安裝在現(xiàn)場的模塊，對電網(wǎng)風(fēng)況及風(fēng)力發(fā)電機組的運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并與其它控制模塊保持通信，通過對各方面的情況進(jìn)行綜合分析后，發(fā)出控制指令，實現(xiàn)控制目的。對于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組來說，通常都采用主動偏航的齒輪驅(qū)動形式。其重心在支撐軸的軸心上，整個風(fēng)向標(biāo)可以繞垂直軸自由擺動。它的原理是，風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)軸上裝有一圓盤，盤上有等距的孔，孔上面有一紅外光源，正下方有一光電半導(dǎo)體，風(fēng)杯帶動圓盤旋轉(zhuǎn)時，由于孔的不連續(xù)性，形成光脈沖信 號，經(jīng)光電半導(dǎo)體元件接受放大后變成電脈沖信號輸出，每一個脈沖信號表示一定的風(fēng)的行程。若因故障，自動解纜未起作用，風(fēng)力發(fā)電機也規(guī)定了一個極值圈數(shù)，在紐纜達(dá)到極值圈數(shù)左右時，紐纜開關(guān)動作，報紐纜故障，停機等待人工解纜。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令。 （ 5）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)據(jù)處理的能力。工程瀏覽器中設(shè)計開發(fā)的畫面工程在運行環(huán)境中運行，實現(xiàn)人與控制設(shè)備的交互操作。用國際標(biāo)準(zhǔn) EN50170 和 IEC6ll58 來保證其中立性和 開放性，可分為 PROFIBUS 一DP,PROFIBUS 一 PA,PROFIBUS 一 FMS 三種。 PLC 的主要功能： （ 1）開關(guān)量（數(shù)字量）控制 這是 PLC 最基本的功能。紐纜開關(guān)控制的安全鏈保護(hù)；若凸輪控制的自動解纜未能執(zhí)行，則紐纜情況可能會更加嚴(yán)重，當(dāng)紐纜達(dá)到極值圈數(shù)時（比如設(shè)定 3 圈），紐纜開關(guān)將動作，此開關(guān)動作將會觸發(fā)安全鏈動作，向中心控制 器發(fā)出緊急停機信號和不可自復(fù)故障信號，等待進(jìn)行人工解纜操作 。當(dāng)風(fēng)向改變，超過允許誤差范圍時，系統(tǒng)計算機發(fā)出自動偏航指 令，傳感器和偏航電機組成的對風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動作，使機艙準(zhǔn)確對風(fēng)。 （ 1）旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計 旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計的感應(yīng)部分是一個固定在轉(zhuǎn)軸上的感應(yīng)風(fēng)的組件，常用的有風(fēng)杯、螺旋槳葉片和平板葉片三種類型。就水平軸風(fēng)力機而言，風(fēng)向和風(fēng)力機葉輪迎風(fēng)面法線方向的夾角有以下兩種情況（以下角度都是相對的）： 當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)力機葉輪迎風(fēng)面法線方向角度差小于 180o 時，偏航角為： Twe ??? ?? (32) 通常，風(fēng)向角度 θW 是相對于葉輪迎風(fēng)面法線方向角度，故取 θT＝ 0，偏航角度為： we ??? (33) 如圖 所示（葉輪迎風(fēng)面以粗實線表示，虛線表示風(fēng)力機處于迎風(fēng)位置），電機正轉(zhuǎn)，風(fēng)力機機艙順時針調(diào)向。由于其葉片數(shù)很少，在輸出同樣功率的條件下比低速風(fēng)輪要輕得多，因此適用于發(fā)電。 塔架 用來支撐風(fēng)力機及機艙內(nèi)各種設(shè)備，并使之離開地面一定高度，以使風(fēng)力機能處于良好的風(fēng)況環(huán)境下運轉(zhuǎn)。圖 所示為雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)，通過 軸承與齒輪箱機構(gòu)聯(lián)結(jié)。在大型風(fēng)力發(fā)電機中，發(fā)電機的極數(shù)愈多，增速箱的傳動比就可以越小。但無論哪種結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)基本包括以下幾個組成部分：風(fēng)力機槳葉系統(tǒng)，齒輪箱系統(tǒng)，發(fā)電機系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)，剎車系統(tǒng)等。通常所說的 12 級颶風(fēng)，其風(fēng)速范圍也僅為 米 /秒。有些機組無齒輪箱，即直驅(qū)式。通常風(fēng)輪機風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到 ％，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、功率等情況取 。 2020年實現(xiàn)裝機容量3000萬～ 4000萬千瓦的目標(biāo)前景良好。按國家劃分，風(fēng)力發(fā)電裝機容量中國居第一位（ 42287MW，占 %），其后是美國（ 40180MW，占 %）、德國（ 27214MW，占 %）、 4 西班牙（ 20676MW，占 %）、印度（ 13065MW，占 %）等。 截止到 20xx 年 10 月世界風(fēng)電總裝機容量 變化 情況如圖1. 1 所示 。運行可靠性從 20世紀(jì) 80年代初的 50%提高到 98%以上 。 風(fēng)力發(fā)電作為一種新的、安全可靠的潔凈能源，其優(yōu)越性為越來越多的人所認(rèn)識。 本文在介紹風(fēng)力機的偏航控制機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用 PLC 作為主控單元，設(shè)計了風(fēng)電機組的偏航控制系統(tǒng)。后者則多用大型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由位于下風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo)發(fā)出的信號進(jìn)行主動對風(fēng)控制。 地球上大約有 2%的太陽能被轉(zhuǎn)化成風(fēng)能。自從 20 世紀(jì) 80 年代現(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組問世以來，隨著槳葉空氣動力學(xué)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、發(fā)電機技術(shù)和新材料的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展極為迅速，單機容量從最初的數(shù)十千瓦級發(fā)展到最近進(jìn)入風(fēng)電場的兆瓦級機組；功率控制方式從定槳距失速控制向全槳葉變距和變速控制發(fā)展 。位于全球風(fēng)力發(fā)電裝機容量前 10 位的國家是 :德國 ,美國 ,丹麥 ,印度 ,西班牙 ,荷蘭 ,英國 ,中國 ,意大利 ,瑞典。 世界風(fēng)電發(fā)展 很 快的地區(qū) 目前 全球風(fēng)力發(fā)電開發(fā)狀況按地域劃分，歐洲、亞洲、北美共占世界的 %，分別為 %、 %和 %。按 20xx年底全國風(fēng)電累計裝機 1000萬 kW估算， 20xx當(dāng)年風(fēng)電上網(wǎng)電量應(yīng)該達(dá)到 200億 kWh，能源替代的效果將十分顯著。貝茨理論說明理想的風(fēng)能對風(fēng)輪葉片做功的最高效率是 ％。大型機組中多用行星式（具有重量和尺寸優(yōu)勢）?，F(xiàn)代風(fēng)機的存活風(fēng)速為 6070 米 /秒，也就是說在這么大的風(fēng)速下風(fēng)機也不會被吹壞。 風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)組成部分簡介 目前研究最多的是雙饋感應(yīng)風(fēng)力機系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，采用雙饋電機的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有風(fēng)能利用系數(shù)高，能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動以避免主軸及傳動機構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力，以及可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)等。 （ 2）輸入軸的強度高、剛性大、加大支承 ，可承受大的徑向力、軸向力和傳遞大的轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電的要求。目前我國在直驅(qū)式風(fēng)機中系統(tǒng)的研究相對傳統(tǒng)機型較少，但開發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組也是我國日后風(fēng)機制造的趨勢之一。在小型風(fēng)力機中多采用機械抱閘剎車方式實現(xiàn)制動停車，可以手動也可自動實現(xiàn)停車；在大中型風(fēng)力機中多采用液壓或電氣制動方式實現(xiàn)抱閘停車。它在高速運行時有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，但起動風(fēng)速較高。為了確定電機的轉(zhuǎn)向使風(fēng)力機轉(zhuǎn)過最小路徑，即偏航時間最短，需要弄清偏航角 θe與風(fēng)向角度和風(fēng)力機葉輪角度（也就是機艙角度）之間的相對關(guān)系。風(fēng)速的測量有使用旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計、散熱式風(fēng)速計和聲學(xué)風(fēng)速計（超聲波風(fēng)速計），但是通常使用的絕大多數(shù)是旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計。 偏航系統(tǒng)控制過程分析 自動偏航 為了使風(fēng)力發(fā)電機吸收的功率最大，發(fā)揮最大效能，機艙必須準(zhǔn)確對風(fēng)；因此必須使葉輪法線方向與風(fēng)向基本一致。在此過程中同時檢測偏航中心傳感器信號，直到偏航傳感器中心信號為 0，則結(jié)束解纜；此時停止偏航電機工作，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，向中心控制器發(fā)出自動解纜完成信號。這也是本課題選用 PLC 作為控制系統(tǒng)的重要原因。它廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)和過程自動化。 組態(tài)王軟件作為一 個開放型的通用工業(yè)監(jiān)控軟件，支持國內(nèi)外常見的 PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器、板卡等上千種工業(yè)自動化設(shè)備。它不僅能進(jìn)行數(shù)字運算（包括四則運算、矩陣運算、函數(shù) 運算、字邏輯運算以及求反、循環(huán)、移位、浮點數(shù)運算等）和數(shù)據(jù)傳送，而且還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)通信等。并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。在自動解纜過程中，必須屏蔽自動偏航動作。 22 圖 風(fēng)速傳感器 圖 風(fēng)杯風(fēng)速計 （ 3）風(fēng)向傳感器在機艙上的位置 作為風(fēng)向測量和信號傳遞的關(guān)鍵元件－風(fēng)向傳感器，在整個系統(tǒng)中的地位非常重要，其在機艙上的放置位置，也會影響到風(fēng)向測量的準(zhǔn)確性，在設(shè)計機艙的尺寸時候，測風(fēng)裝置的安裝位置是預(yù)先設(shè)計好的。在風(fēng)的動壓力作用下，取得指向的來向的一個平衡位置，即為風(fēng)向的指示。 偏航控制系統(tǒng)的功能 偏航控制系統(tǒng)主要具備以下幾個功能： （ 1）風(fēng)向標(biāo)控制的自動偏航； （ 2）人工偏航，按其優(yōu)先 級別由高到低依次為：頂部機艙控制偏航、面板控制偏航、遠(yuǎn)程控制偏航； （ 3）自動解纜； 19 偏航控制原理 偏航角 θe： Twe ??? ?? (31) 其中： θW－風(fēng)向角度； θT－風(fēng)力機葉輪角度。 17 并 網(wǎng) 控 制發(fā) 電 機 啟 動 與 切 入 / 切 出控 制 ， 啟 動 電 流 控 制 ， 三相 不 平 衡 保 護(hù)用 戶 界 面輸 入 命 令 ， 變 更 參 數(shù) ， 顯示 運 行 狀 態(tài) ， 數(shù) 據(jù) 和 故 障情 況主 控 制 器系 統(tǒng) 起 / 停 ， 運 行 監(jiān) 控 ，其 他 功 能 模 塊 起 / 停 ， 電網(wǎng) 、 風(fēng) 況 監(jiān) 測無 功 補 償根 據(jù) 無 功 功 率 信號 分 組 切 入 或 切出 補 償 電 容變 距 控 制轉(zhuǎn) 速 控 制 ，功 率 控 制液 壓 / 電 機 與 執(zhí) 行 機 構(gòu)變 槳 距 系 統(tǒng) 壓 力 保 持 ，偏 航 系 統(tǒng) 壓 力 保 持偏 航 系 統(tǒng)根 據(jù) 風(fēng) 況 調(diào) 向 并自 動 解 纜 圖 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 18 3. 偏航控制系統(tǒng)功能和原理 風(fēng)力機的種類和式樣很多，但由于風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的主要部件是受風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪 ,因此 ,風(fēng)力機依風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)及其在氣流中的位置大體上可分為兩大類 :一類為水平軸風(fēng)力機；一類為垂直軸風(fēng)力機。首先松偏航閘，封鎖傳感器故障的報告，當(dāng)需要解纜且記錄數(shù)字為負(fù)時，控制偏轉(zhuǎn)電機正轉(zhuǎn)，當(dāng)需要解纜且記錄數(shù)字為正時，控制偏轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)。目前，這種發(fā)電機形式成為各風(fēng)電制造廠商生產(chǎn)的主流形式。 隨著風(fēng)力機單 機容量的不斷增加，風(fēng)力機發(fā)電效率和可靠性的不斷改善，大中型風(fēng)力機的葉片材料逐漸由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、質(zhì)量輕的碳纖維。 變速恒頻發(fā)電方式，概念模型通常為 “ 變速風(fēng)力機 +變速發(fā)電機 (雙饋異步發(fā)電機或低速永磁同步發(fā)電機 )” ，采用變槳距結(jié)構(gòu)，啟動時通過調(diào)節(jié)槳距控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速；并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速以下，調(diào)節(jié)發(fā)電機反轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化以保持最佳葉尖速比從而獲得最大風(fēng)能；在額定轉(zhuǎn)速以上，采用變速與槳葉節(jié)距的雙重調(diào)節(jié)限制風(fēng)力機獲取的能量以保證發(fā)電機功率輸出的穩(wěn)定性。 （ 4） 控制系統(tǒng)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機的神經(jīng)中樞。葉片多由復(fù)合材料（玻璃鋼）構(gòu)成。 如果假設(shè)空氣是不可壓縮的 ， 由連續(xù)條件可得 VVSSVVS ??? 2211 (21) 由流體力學(xué)可知氣流的動能為 mvT? (22) 設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過載面積為 s 的氣體的體積為 V，則 svV? 。 2030年裝機容量將達(dá)到 23108kW，可供應(yīng)世界電力需求的22%。多兆瓦級風(fēng)電機組在近海風(fēng)電場的商業(yè)化運行是風(fēng)能利用的新趨勢。 風(fēng)力發(fā)電機組容量的大型化、重量的輕型化、容量的高可靠性、高效 率、低成本將成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。建設(shè)一個風(fēng)力發(fā)電場，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半