【正文】 快速充放電特性與電池的儲能特性。4) 充電速度快。2) 可靠性高。在控制系統電路中加設了一臺在線UPS后備電源，這樣當電網突然停電時，UPS急時投入，為風機的控制系統提供足夠的動力，使風機制動系統按正常程序完成停機過程。然而，電網故障無須緊急停機；突然停電往往出現在天氣惡劣、風力較強時，緊急停機將會對風機的壽命造成一定影響；風機主控制計算機突然失電就無法將風機停機前的各項狀態(tài)參數及時存儲下來，這樣就不利于迅速對風機發(fā)生的故障做出判斷和處理。大型的機組在極短的時間內完成制動過程，將會對機組的控制系統、齒輪箱、主軸和葉片以及塔架產生強烈的沖擊。 UPS供電系統風力發(fā)電機組離開電網的支持是無法工作的，一旦有突發(fā)故障而停電時，控制計算機由于失電會立即終止運行，并失去對風機的控制，控制葉尖氣動剎車和機械剎車的電磁閥就會立即打開，液壓系統會失去壓力，制動系統動作，執(zhí)行緊急停機。在小型風力機中多采用機械抱閘剎車方式實現制動停車，可以手動也可自動實現停車。根據風力機容量的大小，塔架可以制成實心鐵柱式，也可以制成鋼材塔架結構或柔性塔架。在自動解纜過程中，必須屏蔽自動偏航動作。當達到其規(guī)定的解纜圈數時，系統應自動解纜，此時啟動偏航電機向相反方向轉動纏繞圈數解纜，將機艙返回電纜無纏繞位置。如果風力發(fā)電機多次向同一方向轉動，就會造成電纜纏繞，絞死，甚至絞斷，因此必須設法解纜。自然界中的風是一種不穩(wěn)定的資源，它的速度與風向是不定的。由于風向經常改變，偏航系統是用來調整風力機的風輪葉片旋轉平面與空氣流動方向相對位置的機構，因為當風輪葉片旋轉平面與氣流方向垂直時，風力機從流動的空氣中獲取的能量最大，因而風力機的輸出功率最大。相對于定槳矩風力發(fā)電機組來說，變槳矩風力發(fā)電機組的液壓系統也不再是簡單的執(zhí)行機構，作為變矩系統，它自身是一個閉環(huán)控制系統，采用了電液比例閥或驅動電機，控制系統水平得到了極大的改善和提高，并逐漸發(fā)展成熟。所以，在允許的風速范圍內，該形式的控制系統在運行過程中對由于風速的變化引起輸出量的變化是不作任何控制的。定槳矩風力發(fā)電機組主要解決了風力發(fā)電機組的并網問題和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網技術、空氣動力剎車技術、偏航與自動解纜技術，這些都是并網運行的風力發(fā)電機組需要解決的最基本的問題。 雙反饋異步感應發(fā)電機系統結構圖與一般工業(yè)控制過程不同，風力發(fā)電機組的控制系統是綜合性控制系統。目前我國在直驅式風機中系統的研究相對傳統機型較少，但開發(fā)直驅式風力發(fā)電機組也是我國日后風機制造的趨勢之一。這種直接驅動式風力發(fā)電機組由于沒有齒輪箱，零部件數量相對傳統風電機組要少得多。目前，這種發(fā)電機形式成為各風電制造廠商生產的主流形式。由于繞線式異步發(fā)電機有滑環(huán)電刷，這種摩擦接觸式結構在風力發(fā)電惡劣的運行環(huán)境中較易出現故障。 齒輪箱結構圖現今，風力發(fā)電機的單機容量越來越大。 與傳統的風力發(fā)電機系統相比，直驅永磁風力發(fā)電機取消了沉重的增速齒輪箱，提高了風力發(fā)電機組的可靠性和可利用率，降低了制造和維護成本，減小了機械效率損失，提高了運行效率。近年來國內外風力發(fā)電機組故障率最高的部件當數齒輪箱，而齒輪箱的故障絕大多數是由于軸承的故障造成。國外一般采用24極的發(fā)電機。（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矩，以適應風力發(fā)電的要求。[7]由于風力發(fā)電機槳葉的轉速達不到發(fā)電機所需的同步轉速，這就需要增速齒輪箱。 (2)變槳矩系統就是葉片用可轉動的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個葉片可同步轉動以改變葉片的安裝角，即同步改變葉片的迎角以滿足不同的風速條件下風力發(fā)電機得到最大功率。另外在槳葉尖部安裝葉尖擾流器，在需要制動時打開。二是運行中的風力發(fā)電機組在突然失去電網的情況下，槳葉自身必須具備制動能力，使風力發(fā)電機組能夠在大風情況下安全停機。這一特點，給定槳矩風力發(fā)電機組提出了兩個必須要解決的問題，一是當風速高于風輪額定風速時，槳葉必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，因為風力機上所有材料的物理性能是有限度的。(1)定槳矩系統對于定槳矩系統，其槳葉與輪轂的連接是固定的，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之改變。風能是隨機性能源，當風力變化時，風力機軸上輸出功率也將隨之發(fā)生變化，因此如何調節(jié)風力機的輸出功率對并網運行的風力發(fā)電機而言是十分重要的關鍵技術之一。目前研究最多的也是雙饋感應風力機系統，與傳統的恒速恒頻風力發(fā)電系統相比，采用雙饋電機的變速恒頻風力發(fā)電系統具有風能利用系數高，能吸收由風速突變所產生的能量波動以避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩和應力，以及可以改善系統的功率因數等但無論哪種結構形式，風力發(fā)電機系統基本包括以下幾個組成部分：風力機槳葉系統，齒輪箱系統（永磁直趨式風力發(fā)電機則無齒輪增速箱，）發(fā)電機系統，控制系統，偏航系統，剎車系統等。變槳矩控制是保持功率穩(wěn)定輸出的主要手段，因此本章介紹了風力發(fā)電機組的基本組成，基于風機空氣動力學原理、變槳矩系統原理與結構，以及變槳矩風力機組的運行狀態(tài)，風力發(fā)電機組變槳矩驅動裝置比較和選擇，為本文的變槳矩控制提供了理論基礎。第二章 風力發(fā)電機組的基本組成、基本理論與變槳矩系統隨著風力發(fā)電機組的單機容量的不斷增大，在額定風速下能提高捕獲風能效率，在額定風速以上能保持額定功率穩(wěn)定輸出成為迫切需要解決的問題。4）變槳矩控制系統設備選型，基于S7200 PLC采用PID算法控制設計了控制框圖和硬件電路圖，及其控制程序。2）討論了電動變槳矩系統與液壓變槳矩系統的優(yōu)缺點，對獨立變槳矩和統一變槳矩進行了分析。從發(fā)展趨勢來看，風力機將會向單機容量大、變槳矩、變速恒頻和智能控制等方向發(fā)展。由于我國風力發(fā)電起步慢，技術相對落后，在加快發(fā)展規(guī)模的同時，要引進國外技術，學習歐洲國家的先進技術。主要是工藝技術落后，零部件以及大容量的風力發(fā)電裝置大多數依靠進口，因此，我國風電行業(yè)有很長的路要走。初期研制成功的主要是額定功率為600KW以下的風力發(fā)電機組，近年來開始研制兆瓦級風力發(fā)電機組，并且已經取得成功，其制造技術已基本掌握。其余的廠家多采用電動變槳系統。世界上的風力發(fā)的廠家和發(fā)展情況如下:世界風電廠家Vestas，Aeciona，Enercon，Gamesa，Dewind，GE，三菱重工等。其特點是:變槳矩風力發(fā)電機的整個葉片攻角在一定范圍繞葉片中心軸旋轉，使葉片攻角在一定范圍內(一般為00一900)變化，以調節(jié)輸出功率不超過設計的容許值[4]。所以定槳矩風力發(fā)電機組對風能利用效率不高。國內如新疆金風科技早期主要研發(fā)和制造定槳矩風力發(fā)電機。同時，也對風電并網技術的發(fā)展起到了促進作用，而且風電場的建設和管理水平以及規(guī)模也上升到嶄新的階段。本課題對變槳矩風力發(fā)電機組的變槳矩控制系統進行研究，希望對我國變槳矩控制系統的國產化提供有益參考，具有重要的現實意義。我國幅員遼闊，蘊藏著豐富的風力資源。而變槳矩風力發(fā)電機組核心之一就是變槳矩系統，其中的變槳矩控制器是非常重要的，合理控制槳葉角度，在額定風速以下運行時與變速恒頻技術結合以最大限度的獲取能量，在額定風速以上運行時能夠得到穩(wěn)定的功率輸出。當前，單機容量越來越大，兆瓦級別的機組占據了主要位置，變槳矩技術已經成為了風電的發(fā)展趨勢。到2020年，中國的風電機組總裝機容量有可能達到現在的10倍，屆時風力發(fā)電可解決全球約12%的電力需求量，到2030年可達到22%。截止到2008年12月底，；國內已有25個省、市、自治區(qū)已具有風電裝機，風力發(fā)電機組總的裝機容量達到6500萬千瓦。中國擁有著遼闊的地域、狹長的海岸、風能資源極其豐富。從全球范圍來看，風力發(fā)電已經從試驗研究階段迅速發(fā)展為一項成熟技術。因此，對可再生能源的開發(fā)利用受到世界各國的高度重視。風力發(fā)電機組變槳矩控制系統的研究畢業(yè)論文目錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 論文的研究背景 1 選題的意義 2 風力發(fā)電變槳控制系統國內外的研究現狀 2 本論文主要工作 3第二章 風力發(fā)電機組的基本組成、基本理論與變槳矩系統 4 4 5 6 7 7 8 9 9 UPS供電系統 9 10 10 10 11 14 14 14 15 15 16 16 17 17 19 風力發(fā)電機組變槳矩驅動裝置比較和選擇 21 液壓變槳與電動變槳技術比較 21 液壓變槳與電動變槳供應鏈分析 22 24第三章 變槳系統設備選型與硬件電路設計 25 25 25 26 27 31 32 35第四章 變槳系統軟件設計 36 PLC的介紹和選擇 36 PLC的定義、特點及組成 36 PLC的基本工作原理 38 PLC主要部件的選擇 39 編程條件設計 39 42 43第五章 總結與展望 44參考文獻： 45附錄A 47附錄B 53致 謝 70 71第一章 緒論 論文的研究背景在21世紀的今天，能源、環(huán)境已成為人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題，常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主。它不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。日前風能是具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源之一?，F代風電技術面臨的挑戰(zhàn)主要包括進一步提高可靠性、提高效率和降低成本。根據不完全數字統計，（根據地面以上10m高度的風力資料計算得出），風能資源的總量高達10億千瓦，所以我國開發(fā)和利用風能的潛力非常大[1]。《全球風能展望2010》報告稱，2010年，在每3臺安裝完成的風電機組中，就有1臺安裝在中國。隨著風力發(fā)電產業(yè)技術的不斷成熟和發(fā)展，變槳矩風力發(fā)電機的優(yōu)越性越來越突顯；于是風力機運行的可靠性有了大大的提高；再加上擁有高的風能利用系數和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線；進而由于葉輪的重量有所減輕，因此風力機的受力狀況有了極大的改善，這就使風力機在不同的風速下運行時，始終保持著最佳的轉換效率，從而獲得最大的輸出功率，提高風能利用率。 選題的意義變槳矩風力發(fā)電機組有很多的優(yōu)越性，變槳矩風力發(fā)電機組將會成為大型風力發(fā)電機組發(fā)展的主流[2]?？刂破髟O計的是否合理直接關系到變槳矩風力發(fā)電機組是否能夠正常、可靠、安全的運行。為了開發(fā)利用我國的風力資源，應盡快研制生產具有自主知識產權的風電設備，以減少對進口設備的依賴，降低風電的制造成本對我國的新能源產業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。 風力發(fā)電變槳控制系統國內外的研究現狀 風力發(fā)電發(fā)展到20世紀80年代，風力發(fā)電機裝機還比較少，技術也不夠成熟，發(fā)展到90年代中期，世界風力發(fā)電技術取得了突飛猛進的發(fā)展，設計、制造技術日趨成熟，產品進入商品化階段，功率等級從幾十千瓦到幾百千瓦，逐漸發(fā)展為兆瓦級。國外最早的風力發(fā)電機主要采用定槳矩系統[3]。對于定槳矩風力發(fā)電機組，在低風速段的風能利用系數高，而當風速接近額定點，風能利用系數開始大幅度下降，這時隨著風速的升高，功率上升己趨緩，而過了額定點后，槳葉已開始失速，風速升高，功率反而有所下降。目前世界上風力發(fā)電機上大多采用變槳矩控制系統。變槳系統按照原理有分為電動變槳和液壓變槳兩種，主要是動力不一樣，電動變槳用伺服電機驅動，液壓變槳用液壓缸驅動。Vestas所占份額最大，超過百分之三十，他連同Gamesa都主要采用液壓變槳系統[5]。我國早在上個世紀七八十年代開始研制風力發(fā)電機組，但直到90年代，風力發(fā)電才真正從科研走向市場。雖然我國近幾年風電發(fā)展快，但是相比國外，我國在風力發(fā)電技術上的研究比較落后。 本論文主要工作隨著常規(guī)能源的消耗越來越大，越來越多的國家都在加快風力發(fā)電的步伐，尤其是中國這樣的大國，能源消耗特別大，所以要積極開發(fā)新能源、綠色能源。隨著我國對風電的越來越重視，我國的風電產業(yè)將會快步前進。本文的主要研究工作有以下幾點：1）查閱大量相關風力發(fā)電的國內外相關資料，了解風力發(fā)電技術的發(fā)展趨勢和最新動態(tài)。3）對風力發(fā)電機的空氣動力學特性進行分析，確定不同風速段的不同控制策略。5）對本次設計進行思考和總結。變槳矩調速方式和變速恒頻技術，在捕獲風能效率和穩(wěn)定輸出功率等問題上顯示出優(yōu)勢，逐漸占據了風力發(fā)電技術的主導地位。目前，風力發(fā)電機組系統有常見的幾種結構形式如異步感應風力發(fā)電機系統，同步風力發(fā)電機系統和雙饋風力發(fā)電機系統。[6] 永磁直驅式風力發(fā)電機風輪是吸收風能并將其轉換成機械能的部件，風以一定的速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產生旋轉力矩而轉動，將風能轉變?yōu)闄C械能，進而通過增速器驅動發(fā)電機。對于水平軸風力機，功率調節(jié)方式可分為兩類，即變槳矩功率調節(jié)與定槳矩失速功率調節(jié)。就是根據計算所得的實際安裝角將其固定到輪轂上，不能變動葉片安裝角。稱槳葉的這一特性為自動失速性能。為解決這樣的問題，制造商家通過改善葉輪的制造材料，采用加強玻璃塑料、碳纖維強化塑料、鋼和鋁合成。由于葉尖部分處于矩離軸的最遠點，整個葉片作為一個長的杠桿，擾流器產生的氣動阻力相當高，足以使風力機在幾乎沒有任何磨損的情況下迅速減速，這一過程即是槳葉空氣動力剎車。隨著風力機單機容量的不斷增加，風力機發(fā)電效率和可靠性的不斷改善，大中型風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、質量輕的碳纖維。增速箱的低速軸接槳葉，高速軸連接發(fā)電機（直驅式風力發(fā)電機則沒有齒輪箱機構）齒輪箱系統的特點是：（1）低速軸采用行星架浮