【文章內(nèi)容簡介】 吸收 的 部分太陽能 ，太陽到達地球輻射的 20%會轉(zhuǎn)變成風能。人類對于風能利用的歷史久遠，可以追溯到公元 10 世紀，波斯就出現(xiàn)了種水平轉(zhuǎn)動 的風磨，即為以風車為動力的磨坊。公元 12 世紀時，歐洲開始使用風車來抽水，碾磨谷物， 海航中利用風帆來推進船只前進等 。 此后，風車和風帆一直是人們主要的動力機械。到 19 世紀中葉蒸汽機出現(xiàn)之后，以風能為主能源的應(yīng)用才逐漸減少。中國開始利用風車作為動力大約在 13 世紀中葉。 現(xiàn)在 人們 所說的風能利用主要是指風力發(fā)電。最早的風車是由一位名叫阿布羅拉的古波斯奴隸發(fā)明的 [1]，它就是一種簡單的風力發(fā)電機 。在此后的時代中，這種風能的技術(shù)從中東傳入歐洲，荷蘭人利用風車進行排水，與海爭地，在低洼的海灘上建設(shè)強大的國家。 19 世紀丹麥人 首先研制出了風力發(fā)電機，在 1891 年丹麥建成世界上 第一座風力發(fā)電站。此后在 20 世紀，風力發(fā)電蓬勃發(fā)展。 21 世紀開始，風能成為世界能源供應(yīng)的支柱之一。 風能是種取之不盡、用之不竭的可再生能源之一 。 它的特點是生產(chǎn)運用過程安全清潔，成本花費較低，來源不受限制。風能也是種最具商業(yè)潛力，最具發(fā)展活力的綠色能源，運用于發(fā)電這一領(lǐng)域有很大的運用空間。風力發(fā)電具有裝機容量增長快，成本下降快，安全環(huán)保等優(yōu)勢。風力發(fā)電在為社會發(fā)展和經(jīng)濟增長提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)的同時，可以有效地緩解空氣污染、水體污染和溫室效應(yīng)問題。在各類新能 源開發(fā)利用中，風力發(fā)電技術(shù)相對 于 其他能源開發(fā)是 比較 成熟的，并且具有大規(guī)模場地開發(fā)和商業(yè)經(jīng)濟開發(fā)的條件。風力發(fā)電可以完全避免像石油、煤炭等化石燃料發(fā)電所產(chǎn)生的大量污染物和二氧化碳排放。大規(guī)模推廣風力發(fā)電不僅在節(jié)能減排工作上做出了積極的貢獻，而且這種能源開發(fā)方式的理念在社會和人群中得到廣泛的支持。在全球能源危機和環(huán)境日益脆弱的嚴重背景下，風能資源的開發(fā)越來越受到普通民眾關(guān)注。 近代風力發(fā)電機發(fā)展可以分為三個階段 [2]：第一階段，在 20 世紀 70 至 80 年代。人們證明了風能可以用來發(fā)電，風的許多特點是可以被人們加以利 用和控制的。丹麥和美國的研究水平提升最快，風力發(fā)電機容量也從幾十瓦發(fā)展到百千瓦。第二階段， 20 世紀末。風電技術(shù)逐步成熟，風電產(chǎn)業(yè)成規(guī)模發(fā)展，并建立了穩(wěn)定的商業(yè)模式。技術(shù)較為成熟的專業(yè)制造企業(yè)大量出現(xiàn)，單機容量從百千瓦提高到幾百千瓦，變漿機組技術(shù)成熟并進入市場，與失速機組在競爭中發(fā)展。第三階段， 21 世紀初。兆千級的風力發(fā)電機成為主要趨勢，海上風電開始大規(guī)模發(fā)展。隨著單機容量提高，為應(yīng)對極限載荷和疲勞載荷的挑戰(zhàn)，新的直驅(qū)變速變漿和雙饋變速變漿逐步成為兆千級風力發(fā)電機的主流技術(shù)。 在風電領(lǐng)域中引入新技術(shù)，例如計算 機技術(shù)和先進的控制技術(shù) ，這一舉措使得風電機組的控制方式從單一的定漿距失速式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑?，偏?變槳距 變速式的。主要的控制 方式有人工手動調(diào)控，計算機模擬，上下通信，預(yù)測調(diào)控，微控制器自動檢測調(diào) 控常州大學 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 第 2頁 共 46頁 等。在智能化的風電領(lǐng)域中，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁力矩和風電機輪片槳距角使 葉尖 速比保持在最佳值，實現(xiàn) 風力 的最大能量獲取。利用風速 風向 、風力測量儀檢測實際模擬量和數(shù)字量 或是電 功 率 ，傳遞給主控制器進行運算處理 ，控制器做出相應(yīng)的控制措施 ，調(diào)整輪片轉(zhuǎn)速， 偏航角度 等。但在隨機性差異大，不確定因素多，非線性嚴重的風電系統(tǒng)中 ，這種簡單的控 制方法也會產(chǎn)生很大的誤差。所以在國際國內(nèi)范圍內(nèi)，研究人員都致力于最合適的控制方式，例如模糊邏輯控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制，魯棒控制等。使風電控制相自動化智能化一體化方向發(fā)展。 基于現(xiàn)在風電機組發(fā)展的幾個主要趨勢，本 文 主要研究風電機的控制策略和控制方法，由于外界因素影響大，導(dǎo)致風不穩(wěn)定， 而且 風電機組的容量 逐步 增大不適宜適應(yīng)多變的外界環(huán)境 ，風電系統(tǒng)和電網(wǎng)之間聯(lián)系也越來越復(fù)雜，所以對控制方法要求很高 ?；?PLC 為主控制器的系統(tǒng)，邏輯功能強大，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，編程方便，便于擴展，通用性強，使用安全便捷，能夠直接反應(yīng)現(xiàn) 場信號的變化狀態(tài)，達到有效高速地控制整個系統(tǒng)的目的。本 文 運用可編程控制器西門子 S7200 作為 主 控制 器 ，通過啟動發(fā)電機，偏航控制 ， 變壓器 控制和溫度控制等幾個模塊設(shè)計，對不穩(wěn)定的風做出相應(yīng)的控制 ， 使得風能得到 最大 程度的 利用 。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)發(fā)展狀況 我國的風能資源分布 ：我國風能資源的 地區(qū) 區(qū)域差異大 。 沿海、內(nèi)蒙古和甘肅北部 、 黑龍江 南部和吉林東部 三個區(qū)域風能最多 ；青藏高原中部和北部、西北、華北、東北三區(qū)域的北部，東南沿海的風能資源豐富；山區(qū)， 例如南嶺、武夷山地區(qū)，遼河、華北、長江中下游 平原、西北高原地區(qū)，風能 可待開發(fā) 利用；云貴川陜西、豫西、鄂北、湘西、福建廣東，盆地地形區(qū)等風能貧乏。 我國風能資源的分布除了具有空間上的差異以外，在時間上也有 很大的 差異。東部沿海地區(qū)，夏季風勢力 強勁 ，風能 資源 主要集中在夏季。而北方以及西北內(nèi)陸地區(qū)，冬季風勢力強勁， 所以 這些 地區(qū)風能資源 主要集中在冬季。 我國政府在 20xx 年制定了《可再生能源中長期發(fā)展計劃》，力求達到 20xx 年和 2020年風電裝機容量要到達 1000 萬千瓦和 3000 萬千瓦的目標，并且制定了風電設(shè)備國產(chǎn)化的政策 [3]。 20xx 年中國除臺灣省外裝機容量 萬千瓦。與 20xx 年當年新增裝機 萬千瓦相比， 20xx 年當年新增裝機增長率 達到了 254%。 20xx 年，我國的新增裝機容量已達到 630 萬千瓦 ,我國總裝機容量翻兩倍達到了 1200 萬千瓦，已達到了上面所說的20xx 年風電裝機 1000 萬千瓦的目標。在 20xx 年，我國的風電 裝機容量 已超過 3000 萬千瓦，而 2020 年則有望突破 1 億千瓦或者 億千瓦的風電裝機容量。 風力發(fā)電機組主要零部件像是輪片、齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、電控系統(tǒng)、塔架等已經(jīng)國產(chǎn)化，并且可以進行批量生產(chǎn)。 我國風電發(fā)展方向有以下幾方面： （ 1） 風力發(fā)電從陸地向海面拓展。 （ 2） 單機容量進一步增大。 常州大學 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 第 3頁 共 46頁 （ 3） 新方案和新技術(shù)的應(yīng)用：例如變速恒頻技術(shù)和 變槳距 調(diào)節(jié)技術(shù)在功率調(diào)節(jié)方法上的應(yīng)用 ， 計算機分布式控制技術(shù)和新的控制理論應(yīng)用。 （ 4） 風力發(fā)電機組更加個性化。 圖 11 我國風能資源分布圖 國外發(fā)展狀況 在 20 世紀 70 年代，以美國為主的西方國家發(fā)生石油危機波及全球范圍后，許多國家開始尋求 代替 化石燃料的新能源，在研究風力發(fā)電這一領(lǐng)域上，投入了相當多的人力和物力 ，結(jié)合空氣動力學理論，運用新型材料，電機， 可編程控制器， 計算機技術(shù)，通信 技術(shù)，自動化控制 等最新開發(fā)成果，研發(fā)新一代的風力發(fā)電機組，充分利用豐富的風能資源，開創(chuàng)了一個綠色風能時代。 在技術(shù)方面，美國，丹麥，德國等科技實力強勁的國家向風電機偏航控制， 變槳距控制，調(diào)整失速控制，自動化調(diào)控等各方面進行開發(fā)，他們建立了各種基于計算機技術(shù)的風能資源的測量，傳感和模擬系統(tǒng)，擴展了空氣動力學方面的理論知識， 研制出了新一代的電機，例如具有變速發(fā)電機、變極發(fā)電機、變速恒頻發(fā)電機、變滑差發(fā)電機、步進低速發(fā)電機等。開發(fā)種由計算機控制多臺或單臺風力發(fā)電機組成的組群的自動控制系統(tǒng)，這些措施都很大地提升了風 力發(fā)電的效率及可靠性 [3]。 海上風電場是最近世界范圍內(nèi)廣泛推廣使用的大型有效利用風能資源的形式，在1980 年初在美國加利福尼亞首先興起。在海陸線附近由于陸地、海洋 吸熱量差異大，表體溫度差異大而產(chǎn)生豐富的風能資源，風力強大，可以大規(guī)模采取進行發(fā)電。不過在海陸線上建設(shè)風力發(fā)電廠還存在技術(shù)的難度，需要投入巨額資金裝備和維護，所以在美國，德國，中國等這樣的大國才進行投產(chǎn)建設(shè)。 20xx年底，全球風力發(fā)電裝機 總?cè)萘?突破 4000萬千瓦，風力發(fā)電占全球電力供應(yīng)的％。 過去 5年全球風電裝機容量年平均增長速度超過 ％， 20xx全球 的新增風電裝機容量已經(jīng) 超過 830萬千瓦 。目前全世界風電工業(yè)規(guī)模約為 120億美元，預(yù)計到 2020年可常州大學 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 第 4頁 共 46頁 望達到 1200億美元。 近年來 美國的風力發(fā)電發(fā)展最高端，新增裝機容量 169萬千瓦，總裝機容量達到 636萬千瓦。美國風電年均平增速達到了 24％，有超過 30個州建成了風電場。 毋庸置疑，全球最重要的風電市場之一是美國，雖然政府政策方面的不確定性和不穩(wěn)定性使得風力發(fā)電的發(fā)展充滿了隨變性，但還存在著有利于風電發(fā)展的積極要素。 全世界風力發(fā)電發(fā)展速度最快 是歐洲。歐洲也是風電設(shè)備裝設(shè)最多的一大洲 。 20世紀 初時 歐洲地區(qū)累計風電裝機容量為 2930萬千瓦，約占全球風電總裝機容量的 73％。盡管 20xx年歐洲風電裝機增長幅度有所放緩，年增幅由 02年的 35％降為 23％，不過隨著一些歐洲國家海上風電項目的發(fā)展，預(yù)計歐洲地區(qū)風電裝機仍將維持快速增長的勢頭。 亞洲地區(qū)風力發(fā)電與 西方國家 相比 發(fā)展相對 比較緩慢， 除了印度中國 ，其它國家風電裝機容量 都 很小。 20xx 年全球風電新增裝機容量超過 41000MW[3]，目前全球風電總裝機容量已經(jīng)超過 238000KW。這表明去年風電市場的年增長率達 6%，總量同比增長超過 21%。另一組統(tǒng)計數(shù)據(jù) 指出，在全球已經(jīng)有風電商業(yè)運營項目的 75 個國家中，超過 22 個國家裝機容量已逾 1GW。 就發(fā)展相對成熟的歐美風電市場來看，歐洲去年新增裝機 ，總裝機容量上升至 94GW，這一數(shù)字支撐著歐洲 %的用電需求。美國風電行業(yè)去年新增裝機 ，形勢有所回落。 過去幾年風電裝機量在美國的新增裝機里占到了三分之一，而且正在努力實現(xiàn)到 2030 年使風電能提供美國 20%的用電量的目標，這也是布什政府之前的政策之一。 索耶爾對 20xx 年拉美、亞洲和非洲的風電市場表示出樂觀的判斷，但他同時指出，“ 如果不對全球傳統(tǒng)發(fā)電方式 的碳排放成本價格化后計入其真實發(fā)電成本，風電產(chǎn)業(yè)將在一直在巨大壓力下前行。 ” 國際風電發(fā)展方向有以下幾方面： （ 1） 變速恒頻機組應(yīng)運而生。 （ 2） 定槳距機組逐步向變槳距機組轉(zhuǎn)換。 （ 3） 葉片、齒輪箱、發(fā)電機等關(guān)鍵部件不斷在可靠性、大型化。 （ 4） 控制與監(jiān)控技術(shù)不斷完善。 （ 5） 海上風能利用技術(shù)及其風電場建設(shè)受到重視。 （ 6） 致力于 風力發(fā)電成本不斷下降。 主要內(nèi)容及 章節(jié)安排 在本 文 中， 設(shè)計 一個風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)，主控制器為可編程控制器西門子S7200。 主要完成的 內(nèi)容 包括風力發(fā)電系統(tǒng)的初始化，發(fā)電 機的啟動，偏航控制 ，變壓器控制和 溫度 控制， 在溫度 過高 時進行溫度的調(diào)控 。 控制機組 應(yīng) 具有 輪片隨 風向 變化而變化的動作且具有恒功率輸出的表現(xiàn) ， 傳感器對風向 標 的 夾角 進行檢測， 風機轉(zhuǎn)動 在相應(yīng) 設(shè)定角度值 區(qū)間內(nèi) ， 根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施，變壓器變送高電壓， 對電力傳輸能夠施以 嚴格的 管理控制。 本 文 中應(yīng)了解相關(guān)風力發(fā)電的知識和 需 解決的一些具體問題：理解相關(guān)空氣動力學常州大學 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 第 5頁 共 46頁 知識，理解風力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備，選擇 合適的 元器件 型號； 如何 假設(shè)建立個風力發(fā)電 硬件模擬設(shè)備組 ， 如何有效合理地分配 I/O 地址，如何正確繪制 各個功能的電路圖 ，如何 編 制 PLC 程序， 如何進行上下位機聯(lián)調(diào)模擬等。 在論文中的第一章 中 講述了設(shè)計課題的背景和選題意義。從風力發(fā)電相比不可再生資源發(fā)電具有的優(yōu)勢和 PLC 控制的好處這兩個方面介紹基于 PLC 風力發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計意義。文中又介紹了風力發(fā)電的歷史，國內(nèi)、國外發(fā)展現(xiàn)狀與研究趨勢。最后列舉了設(shè)計的主要內(nèi)容和各章節(jié)的安排。 第二 章 主要介紹了發(fā)電機組的組成和空氣動力學的相關(guān)知識。文中說道風電機組是由風輪、機艙、塔架以及控制系統(tǒng)這四個部分組成且詳細描述了各部分的結(jié)構(gòu)、功能等。在風能理論中介紹了 風速和風能的意義。 第三 章 和第四 章 是本論 文中的重點部分 。第三 章 主要是設(shè)計方案的確定，從整體到各個模塊分層介紹了各個控制部分的工作原理、工作過程，繪制控制流程圖，最后制作I/O 地址分配表。第四 章 則是控制程序的具體分析，針對各控制功能列出程序進行詳細解說，最后形成控制總程序。 第五 章 中主要說明了對已編好的程序進行調(diào)試和仿真的過程，最后得出仿真結(jié)果。利用 STEP7Micro/WIN32 軟件輸入程序，查錯調(diào)試，連接實驗電路板，進行模擬仿真，根據(jù)觀察結(jié)果判斷程序正確與否。 最后一 章 是對 本文 的分析和總結(jié) ， 列出設(shè)計中的不足之處及改進方案。 附錄中給 出了整個 系 統(tǒng)的硬件電 路圖 。 常州大學 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 第 6頁 共 46頁 2 風電機組組成與風能理論 風能發(fā)電的原理，是風力帶動風電機的輪片旋轉(zhuǎn)，輪片的一端連接發(fā)電機的機械聯(lián)動桿，發(fā)電機內(nèi)導(dǎo)體切割 磁感應(yīng)線 而產(chǎn)生電流，這樣實現(xiàn)了風力發(fā)電的目的。 按照現(xiàn)在的風機技術(shù)， 風速 3m/s 左右 的微風即可以開始發(fā)電。 本章 簡單介紹 風力發(fā)電機組的組成 以及相關(guān)的空氣動力學知識 ，即可清楚了解風力發(fā)電的 原理和過程。 風電機組組成部分介紹