【正文】 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(fēng)力發(fā)電的發(fā)展充滿了隨變性 ,但還存在著有利于風(fēng)電發(fā)展的積極要素。歐洲也是風(fēng)電設(shè)備裝設(shè)最多的一大洲。盡管 2020 年歐洲風(fēng)電裝機(jī)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(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展 ,預(yù)計(jì)歐洲地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)仍將維持快速增長的勢(shì)頭。 2020 年全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量超過 41000MW[3],目前全球風(fēng)電總裝機(jī)容量已經(jīng)超過 238000KW。另一組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指出 ,在全球已經(jīng)有風(fēng)電商業(yè)運(yùn)營項(xiàng)目的 75 個(gè)國家中 ,超過22 個(gè)國家裝機(jī)容量已 逾 1GW。美國風(fēng)電行業(yè)去年新增裝機(jī) ,形勢(shì)有所回落。 索耶爾對(duì) 2020 年拉美、亞洲和非洲的風(fēng)電市場(chǎng)表示出樂觀的判斷 ,但他同時(shí)指出 ,“如果不對(duì)全球傳統(tǒng)發(fā)電方式的碳排放成本價(jià)格化后計(jì)入其真實(shí)發(fā)電成本 ,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將在一直在巨大壓力下 前行。 (2)定槳距機(jī)組逐步向變槳距機(jī)組轉(zhuǎn)換。 (4)控制與監(jiān)控技術(shù)不斷完善。 (6)致力于風(fēng)力發(fā)電成本不斷下降。主要完成的內(nèi)容包括風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的初始化 ,發(fā)電機(jī)的啟動(dòng) ,偏航控制 ,變壓器控制和 溫度控制 ,在溫度過高時(shí)進(jìn)行溫度的調(diào)控。 本文中應(yīng)了解相關(guān)風(fēng)力發(fā)電的知識(shí)和需解決的一些具體問題 :理解相關(guān)空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí) ,理解風(fēng)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(hào) 。 在論文中的第一章中講述了設(shè)計(jì)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(shì)。 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)。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(jì)方案的確定 ,從整體到各個(gè)模塊分層介紹了各個(gè)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(duì)已編好的程序進(jìn)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(duì)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。 2 風(fēng)電機(jī)組組成與風(fēng)能理論風(fēng)能發(fā)電的原理 ,是風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)電機(jī)的輪片旋轉(zhuǎn) ,輪片的一端連接發(fā)電機(jī)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)桿 ,發(fā)電機(jī)內(nèi)導(dǎo)體切割磁感應(yīng)線而產(chǎn)生電流 ,這樣實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電的目的。本章簡(jiǎn)單介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成以及相關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí) ,即可清楚了解風(fēng)力發(fā)電的原理和過程。按其主軸與地面的相對(duì)位置 ,可以劃分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 (主軸與地面平行 ),垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 (主軸與地面垂直 )。由于外界因素影響風(fēng)很不穩(wěn)定 ,這類風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓、頻率差異很大且效率低下 ,沒有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上大致可以把一個(gè)普通的風(fēng)電機(jī)分為四大部分 :風(fēng)輪組件 ,機(jī)艙組件 ,塔架組件以及控制部分。 圖 21 風(fēng)電機(jī)組的組成 風(fēng)輪及其組件 風(fēng)輪由三部分組成 :葉片、輪轂、風(fēng)輪軸 [4]。而風(fēng)輪軸則將能量給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。一般葉片具有高硬度 ,高強(qiáng)度 ,低密度等特點(diǎn)。 輪轂是將葉片和葉片組固定到主轉(zhuǎn)軸上的裝置。輪轂有固定式和鉸鏈?zhǔn)絻煞N。其前面端子由螺栓與輪轂剛性連接 ,后面端子與齒輪箱低速相連 ,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受力大。 此外風(fēng)輪機(jī)構(gòu)組件還包括變漿機(jī)構(gòu) ,它是根據(jù)風(fēng)速的變化來調(diào)節(jié)槳距角 ,用以風(fēng)電機(jī)保持高效率的輸出功率。它還需要承受所受外力作用 (靜負(fù)載和動(dòng)負(fù)載 ),機(jī)艙罩材 料應(yīng)具高強(qiáng)度高硬度 ,表面光滑 ,均勻厚度 ,無層件剝離等特點(diǎn)。機(jī)艙的左邊是風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子 (葉片與風(fēng)輪軸 )。一般情況下 ,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子所必須的轉(zhuǎn)速 ,增速器要給風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)加速。 發(fā)電機(jī)是將傳動(dòng)軸傳給的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝備。 齒輪箱 也是風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一 ,它的作用是在風(fēng)電機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速 ,而發(fā)電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)作時(shí) ,使兩者實(shí)現(xiàn)工作的匹配。齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,在機(jī)艙內(nèi)安裝空間小 ,由于外界工作環(huán)境惡劣 ,常有強(qiáng)風(fēng)沖擊 ,維修檢查顯得十分困難 ,所以齒輪箱材料和可靠性要求比較高。圖 22展示了齒輪箱的樣式。它的作用是調(diào)控葉片隨著風(fēng)向變化而變化 ,快速平穩(wěn)地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向 ,以便風(fēng)機(jī) 獲得最大的風(fēng)能 。 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。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(hù)。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部分 ,它關(guān)系到系統(tǒng)中每一個(gè)部件的動(dòng)作和狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)的功能主要有對(duì)運(yùn)行過程的模擬量和數(shù)字量進(jìn)行采集、傳遞、分析、運(yùn)算 ,從而做出命令控制風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行 ,使得功率輸出穩(wěn)定 ,轉(zhuǎn)速在合理的范圍內(nèi) ?？刂葡到y(tǒng)通常由各種傳感器 ,微機(jī)處理器 ,編程控制器 ,軟件系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī) 構(gòu)組成。 圖 23 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng) 風(fēng)能理論簡(jiǎn)介 風(fēng)速和風(fēng)能 瞬時(shí)風(fēng)速是指風(fēng)速的瞬時(shí)值 [8]。瞬時(shí)風(fēng)速 V 用平均風(fēng)速 Vm加上風(fēng)的波動(dòng)分 v 來表示 : VVm+v ()風(fēng)速為 v,當(dāng)風(fēng)吹過葉輪時(shí) ,葉輪受力轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)空氣流體力學(xué)可知 ,在一秒中流向風(fēng)輪的空氣具有的動(dòng)能為 : E?mv2 () 單位時(shí)間里氣體流過截面 S 的氣體體積是 V,那么 VSv () 單位氣體體積的質(zhì)量為 mρ Vρ vS()流動(dòng)氣體具有的動(dòng)能為 E?mv2?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?,t 為當(dāng)?shù)卮髿鈮?,則氣體密度計(jì)算公式 : ρ () () 本章小結(jié)本章主要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的四個(gè)主要 組成部分 :風(fēng)輪及其組件、機(jī)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(jì)方案和電氣元件選型 設(shè)計(jì)方案 風(fēng)力發(fā)電的主要工作原理 :機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能 ,這也是發(fā)電機(jī)工作的原理。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(cè)速傳感器將測(cè)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。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?yàn)?,首先系統(tǒng)初始化啟動(dòng)后 ,進(jìn)行發(fā)電機(jī)啟動(dòng) ,接著進(jìn)行偏航控制 ,然后控制溫度的變化 ,最后控制變壓器的啟動(dòng)與停止。 在設(shè)計(jì)中四個(gè)基本控制要求是 :(1)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)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(jìn)行比較 ,不在范圍內(nèi)則警報(bào)進(jìn)行手動(dòng)停機(jī) ,在范圍內(nèi)則啟動(dòng)發(fā)電機(jī) 。(3)對(duì)機(jī)艙和塔架內(nèi)部的溫度進(jìn)行控制 ,因?yàn)槭菍?duì)模擬量的閉環(huán)控制 ,所以采用 PID 控制方法。(4)根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)來控制變壓器的啟動(dòng)與停止。主要流 程如下 :啟動(dòng)后PLC 開始初始化 ,用風(fēng)速傳感器檢測(cè)外界風(fēng)力的大小 ,在發(fā)電允許范圍內(nèi)將控制發(fā)電機(jī)啟動(dòng) ,風(fēng)速檢測(cè)值過大 ,則要報(bào)警并且進(jìn)行手動(dòng)停機(jī)。首先是偏航自動(dòng)控制 ,由于風(fēng)向不同導(dǎo)致風(fēng)能吸收率下降 ,控制航向使風(fēng)輪機(jī)頭部隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng) ,還可以防止繞纜的危險(xiǎn) 。因?yàn)槭菍?duì)模擬量的閉環(huán)控制 ,所以針對(duì)溫度的變化采用 PID 控制方法。 圖 31 表示這個(gè)系統(tǒng)流程框圖 : 圖 31 系統(tǒng)程序流程圖 具體模塊設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)不同方面的功能 ,將整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)主要模塊 :發(fā)電機(jī)啟動(dòng)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(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。假如風(fēng)速在合理的范圍內(nèi) ,系統(tǒng)則啟動(dòng)發(fā)電機(jī) ,發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能 ,并在此時(shí)發(fā)電機(jī)信號(hào)燈顯示發(fā)電機(jī)在工作 ,系統(tǒng)信號(hào)燈顯示表示系統(tǒng)運(yùn)行。偏航控制機(jī)構(gòu)用于控制風(fēng)輪機(jī)葉片跟隨風(fēng)向的變化而變化 。偏航驅(qū)動(dòng)裝置常用伺服電動(dòng)機(jī)和偏航減速齒輪。側(cè)風(fēng)和自動(dòng)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(dòng)偏航。這是個(gè)典型的位置伺服控制系 統(tǒng)。在本文中 ,設(shè)計(jì)一個(gè)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(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。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(duì)風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動(dòng)作。 偏航電機(jī)是電磁制動(dòng)三相異步電 動(dòng)機(jī)。根據(jù)風(fēng)向傳感器信號(hào)得到的風(fēng)向標(biāo)夾角信號(hào)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(shí) ,向左偏 航電機(jī)將連續(xù)工作 20秒 ,當(dāng)