【正文】 、水體污染和溫室效應(yīng)問題。風(fēng)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。在全球能源危機和環(huán)境日益脆弱的嚴(yán)重背景下，風(fēng)能資源的開發(fā)越來越受到普通民眾關(guān)注。人們證明了風(fēng)能可以用來發(fā)電，風(fēng)的許多特點是可以被人們加以利用和控制的。第二階段，20世紀(jì)末。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。兆千級的風(fēng)力發(fā)電機成為主要趨勢，海上風(fēng)電開始大規(guī)模發(fā)展。在風(fēng)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(fēng)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?，偏航變槳距變速式的。在智能化的風(fēng)電領(lǐng)域中，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁力矩和風(fēng)電機輪片槳距角使葉尖速比保持在最佳值，實現(xiàn)風(fēng)力的最大能量獲取。但在隨機性差異大，不確定因素多，非線性嚴(yán)重的風(fēng)電系統(tǒng)中，這種簡單的控制方法也會產(chǎn)生很大的誤差。使風(fēng)電控制相自動化智能化一體化方向發(fā)展?；赑LC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(dá)到有效高速地控制整個系統(tǒng)的目的。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國的風(fēng)能資源分布：我國風(fēng)能資源的地區(qū)區(qū)域差異大。我國風(fēng)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。而北方以及西北內(nèi)陸地區(qū)，冬季風(fēng)勢力強勁，所以這些地區(qū)風(fēng)能資源主要集中在冬季。2005年當(dāng)年新增裝機增長率達(dá)到了254%。在2010年，我國的風(fēng)電裝機容量已超過3000萬千瓦。我國風(fēng)電發(fā)展方向有以下幾方面：（1）風(fēng)力發(fā)電從陸地向海面拓展。（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。圖11 我國風(fēng)能資源分布圖 國外發(fā)展?fàn)顩r在20世紀(jì)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(fēng)力發(fā)電這一領(lǐng)域上，投入了相當(dāng)多的人力和物力，結(jié)合空氣動力學(xué)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(fēng)力發(fā)電機組，充分利用豐富的風(fēng)能資源，開創(chuàng)了一個綠色風(fēng)能時代。開發(fā)種由計算機控制多臺或單臺風(fēng)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(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性[3]。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(fēng)能資源，風(fēng)力強大，可以大規(guī)模采取進行發(fā)電。2003年底，全球風(fēng)力發(fā)電裝機總?cè)萘客黄?000萬千瓦，％。目前全世界風(fēng)電工業(yè)規(guī)模約為120億美元，預(yù)計到2020年可望達(dá)到1200億美元。美國風(fēng)電年均平增速達(dá)到了24％，有超過30個州建成了風(fēng)電場。全世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展速度最快是歐洲。20世紀(jì)初時歐洲地區(qū)累計風(fēng)電裝機容量為2930萬千瓦，約占全球風(fēng)電總裝機容量的73％。亞洲地區(qū)風(fēng)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(fēng)電裝機容量都很小。這表明去年風(fēng)電市場的年增長率達(dá)6%，總量同比增長超過21%。就發(fā)展相對成熟的歐美風(fēng)電市場來看，總裝機容量上升至94GW，%的用電需求。過去幾年風(fēng)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(fēng)電能提供美國20%的用電量的目標(biāo)，這也是布什政府之前的政策之一?！眹H風(fēng)電發(fā)展方向有以下幾方面：（1）變速恒頻機組應(yīng)運而生。（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。（5）海上風(fēng)能利用技術(shù)及其風(fēng)電場建設(shè)受到重視。 主要內(nèi)容及章節(jié)安排在本文中，設(shè)計一個風(fēng)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?？刂茩C組應(yīng)具有輪片隨風(fēng)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(fēng)向標(biāo)的夾角進行檢測，風(fēng)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(yán)格的管理控制。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。文中又介紹了風(fēng)力發(fā)電的歷史，國內(nèi)、國外發(fā)展現(xiàn)狀與研究趨勢。第二章主要介紹了發(fā)電機組的組成和空氣動力學(xué)的相關(guān)知識。在風(fēng)能理論中介紹了風(fēng)速和風(fēng)能的意義。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。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。2 風(fēng)電機組組成與風(fēng)能理論 風(fēng)能發(fā)電的原理，是風(fēng)力帶動風(fēng)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(fēng)力發(fā)電的目的。本章簡單介紹風(fēng)力發(fā)電機組的組成以及相關(guān)的空氣動力學(xué)知識，即可清楚了解風(fēng)力發(fā)電的原理和過程。最早最簡單的風(fēng)力發(fā)電機由葉輪和發(fā)電機兩個部分組成，站立于一定高度的塔上。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)，停機系統(tǒng)等部件更加有效地使用風(fēng)能。圖21表示風(fēng)機各個部分的組成。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機最重要的部件，也是風(fēng)力發(fā)電機區(qū)別于其他發(fā)電機的顯要標(biāo)志，其作用是獲取和吸收風(fēng)能，它將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能。葉片是風(fēng)力發(fā)電機獲取風(fēng)能的部件，風(fēng)能利用率的好壞大都取決于良好的葉片外形，它材料的強度、硬度、密度以及使用壽命。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。它的作用是葉片的力和力矩傳遞到主傳動機構(gòu)中。風(fēng)輪軸也叫主軸、低速軸，它在風(fēng)輪以及齒輪箱之間。風(fēng)輪軸有較高的綜合機械性。 機艙及其組件 風(fēng)力發(fā)電機的機艙承擔(dān)容納所有的機械零部件，起到支撐作用。其中包含齒輪箱、發(fā)電機等主要部件。 風(fēng)力發(fā)電機的傳動機構(gòu)包含增速器、主軸、齒輪箱、發(fā)電機和聯(lián)軸器等[4]，它是用于傳遞機械能，并且將機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。聯(lián)軸器與制動器往往設(shè)計在一起。一般選用直流發(fā)電機、永磁發(fā)電機、同步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機等作為風(fēng)電專用發(fā)電機。葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過齒輪的傳動遞給發(fā)電機。齒輪箱按照傳動的方式可以分為：展開式，分流式，同軸式和混合式。圖22 風(fēng)力發(fā)電齒輪箱 偏航系統(tǒng)也稱作對風(fēng)裝置，被安裝在機艙座內(nèi)。 塔架部件 塔架的功能是支撐位于空中的機艙、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，能夠承受強大的風(fēng)力沖擊以及有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的不同載荷，將這些載荷接地消除，使得整個系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全地運行下去。塔架內(nèi)部空間大，必須配有爬梯與安全導(dǎo)軌，備以工作人員操作、維護。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是整個風(fēng)力發(fā)電機組的核心部分，它關(guān)系到系統(tǒng)中每一個部件的動作和狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)的功能主要有對運行過程的模擬量和數(shù)字量進行采集、傳遞、分析、運算，從而做出命令控制風(fēng)電機組的運行，使得功率輸出穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速在合理的范圍內(nèi)；若出現(xiàn)故障或者遇到異常情況可以快速準(zhǔn)確地檢測到并且分析原因，做出相應(yīng)的保護措施或停機。圖23為風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)示意圖。它只可給出相關(guān)風(fēng)的近似概念，并且因為傳感器的慣性作用，風(fēng)速的瞬時值只能近似地測量。假設(shè)m為氣體質(zhì)量，ρ為空氣密度。mv2 （）單位時間里氣體流過截面S的氣體體積是V，那么V=Sv （） 單位氣體體積的質(zhì)量為m=ρV=ρvS （） 流動氣體具有的動能為E=189。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。P為當(dāng)?shù)卮髿鈮海瑃為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，則氣體密度計算公式：ρ= （） （） 本章小結(jié) 本章主要介紹了風(fēng)力發(fā)電機組的四個主要組成部分：風(fēng)輪及其組件、機艙及其組件、塔架部件和控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了它們的構(gòu)造和功能。3 設(shè)計方案和電氣元件選型 設(shè)計方案風(fēng)力發(fā)電的主要工作原理：機械能轉(zhuǎn)化為電能，這也是發(fā)電機工作的原理。發(fā)電機運作后，在運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進行分析，PLC根據(jù)分析后的結(jié)果，做出相應(yīng)的動作，例如啟動發(fā)電機開始工作，隨風(fēng)向的變化驅(qū)動電機隨之旋轉(zhuǎn)，繞纜時自動停機，運行冷卻機當(dāng)機艙或塔架溫度過高時，變壓器運作控制等。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?？刂祈樞驗?，首先系統(tǒng)初始化啟動后，進行發(fā)電機啟動，接著進行偏航控制，然后控制溫度的變化，最后控制變壓器的啟動與停止。在設(shè)計中四個基本控制要求是：（1）發(fā)電機啟動之前，將外界風(fēng)速模擬量轉(zhuǎn)換后傳送至內(nèi)存單元，與正常發(fā)電的風(fēng)速范圍進行比較，不在范圍內(nèi)則警報進行手動停機，在范圍內(nèi)則啟動發(fā)電機；（2）事先編制好風(fēng)向標(biāo)夾角的角度區(qū)間，啟動發(fā)電機后，將外界風(fēng)向模擬量轉(zhuǎn)換后傳送給控制器，將角度數(shù)據(jù)分析后歸相應(yīng)角度區(qū)間進行控制，運作向左偏航電機或者向右偏航電機，使之偏轉(zhuǎn)到合適風(fēng)向范圍內(nèi)；（3）對機艙和塔架內(nèi)部的溫度進行控制，因為是對模擬量的閉環(huán)控制，所以采用PID控制方法。 系統(tǒng)整體設(shè)計本文中，控制方式將采取順序控制和中斷控制。在正常風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機啟動，接下來進行各類控制，控制的目的是使風(fēng)力得到最大程度的利用。因為是對模擬量的閉環(huán)控制，所以針對溫度的變化采用PID控制方法。圖31表示這個系統(tǒng)流程框圖：Y啟動控制器初始化采集風(fēng)速參數(shù)大于額定參數(shù) 啟動發(fā)電機偏航控制停機溫度控制N變壓器控制圖 31 系統(tǒng)程序流程圖 具體模塊設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)不同方面的功能，將整個系統(tǒng)分為四個主要模塊：發(fā)電機啟動模塊、偏航控制模塊、溫度控制模塊和變壓器控制模塊。（1）發(fā)電機啟動模塊這一模塊的功能是啟動系統(tǒng)總開關(guān)，PLC初始化。N發(fā)電機啟動模塊的順序控制流程圖如下：NY圖 32 初始化啟動控制流程圖（2）偏航控制模塊偏航控制系統(tǒng)包含偏航控制機構(gòu)與偏航驅(qū)動機構(gòu)[5]。偏航驅(qū)動裝置常用伺服電動機和偏航減速齒輪。側(cè)風(fēng)和自動解纜控制。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)自動偏航。這是個典型的位置伺服控制系統(tǒng)。在本文中，設(shè)計一個偏航工作區(qū)間為145176。的控制系統(tǒng)，控制次數(shù)僅為一次。只有風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直于風(fēng)向，即風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪法線與風(fēng)向一致，風(fēng)電機吸收的功率最大。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變，超出允許誤差范圍時，控制器發(fā)出自動偏航指令，風(fēng)向傳感器和偏左、偏右電動機組成的自動對風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動作。偏航電機是電磁制動三相異步電動機。根據(jù)風(fēng)向傳感器信號得到的風(fēng)向標(biāo)夾角信號給出偏航控制指令，當(dāng)角度為180176。189176。當(dāng)角度155176。165176。171176。當(dāng)角度在189176。時，向左偏航電機將連續(xù)工作20秒，當(dāng)角度在195176。之間，向左偏航電機將連續(xù)工作50秒，當(dāng)角度在205176。可以看出，偏轉(zhuǎn)10176。以上所述的角度區(qū)間控制原理可以用圖33進行表示：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，若要求再次進行偏航控制，必須將機艙水平軸撥到與風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直的位置。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，進行A/D轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為與溫度成比例的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，PLC將它與溫度參定值進行比較，按照PID控制算法對誤差進行運算，將運算結(jié)果再送入模擬量輸出模塊，進行D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，將電力設(shè)備運作產(chǎn)生的熱氣排出室外，并且控制冷卻機運作，向室內(nèi)傳送冷氣流進行降溫，這樣實現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。由于氣體壓力波動，各元器件溫度各不相同，溫度不勻等擾動因素影響，會破壞機艙溫度的穩(wěn)定，通過閉環(huán)控制可以有效地抑制各種擾動因素的影響，使控制更加有效。PID控制器因為具有不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)，有很強的靈活性、實用性，使用方便等優(yōu)點，所以將有效地提高PLC設(shè)計效率。比例系數(shù)Kc反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使得系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。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。在這個溫控系統(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，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，并且方法簡單、容易掌握。實驗湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至出現(xiàn)反應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線。在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求時，則需要加入積分控制。然后減小積分時間，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)。經(jīng)過步驟二，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，此時應(yīng)該加入微分控制，構(gòu)成PID控制。(a)積分整定作用 (b)微分整定作用圖 37 偏差階躍變化分別經(jīng)積分、微分整定圖P(k)t=0t()圖 38 偏差階躍變化經(jīng)比例、積分和微分