【正文】 例來看，丹麥仍居世界榜首，約占本國發(fā)電量的 22%， 西班牙以占據(jù)本國發(fā)電量 13 的比例位居第二，位居前五位的國家還有葡萄牙、愛爾蘭和德國，占本國發(fā)電量的比例分別是 12%， 10%和 8%。我國風(fēng)電裝機(jī)容量雖然居世界第二，但是發(fā)電量占全國發(fā)電量的比例還很低，大約為 %,位居世界 22 位，比美國落后十個(gè)位次。 2021 年，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)超過 300 萬千瓦的國家已經(jīng)達(dá)到10 個(gè)， 2021 年還只有 5 個(gè)。 面對 2021 年世界風(fēng)電逆勢飛揚(yáng)的新形勢，世界風(fēng)電普遍調(diào)高了 2020 年風(fēng)電發(fā)展預(yù)期。 我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展情況 我國地域幅員遼闊，風(fēng)能資源豐富。而根據(jù)國際研究機(jī)構(gòu)的初步測算，不包括新疆、西藏等西部地區(qū)，我國風(fēng)能密度 在 300W/㎡以上的陸地面積超過 65 萬平方公里，可以安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī) 37 億千瓦；風(fēng)能密度在 400W/㎡以上的陸地面積超過 28 萬平方公里可以安裝 14 億千瓦的風(fēng)力發(fā)電裝備。 我國在 20 世紀(jì) 60 年代就開始研制有實(shí)用價(jià)值的新型風(fēng)力機(jī)。離網(wǎng)式小風(fēng)電機(jī)組對解決邊遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)、牧、漁民基本生活用電發(fā)揮了重大作用。我國西部地區(qū)已有 20 多萬戶農(nóng)牧民安裝了小風(fēng)電機(jī)組，為接近 100 萬農(nóng)牧民提供了電力，成為我國風(fēng)力發(fā)電的一大特色。從長遠(yuǎn)看，我國常規(guī)能源資源人均擁有量相對較少，為保持經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，按目前估計(jì)的技術(shù)可開發(fā)儲量計(jì)算，風(fēng)電年發(fā)電量可達(dá)幾萬億千瓦時(shí)。龐大的裝機(jī)和發(fā)電量需求，給風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展提供了廣闊的空間。 2020 年之后的風(fēng)電超過核電成為第三大主力發(fā)電電源，在 2050 年前后達(dá)到或超過 4 億千瓦，超過水電，成為第二大主力發(fā)電電源。風(fēng)電界整體上對機(jī)組技術(shù)的認(rèn) 識不再有大的分歧，開始集中力量向大型化、高質(zhì)量和高效率方面發(fā)展，新的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的失速功率調(diào)節(jié)方式和變槳距調(diào)節(jié)方式是目前大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能的收集和轉(zhuǎn)換的主要功率調(diào)節(jié)方式。這種方式有結(jié)構(gòu)簡單、故障概率底的優(yōu)點(diǎn)，一度在風(fēng)電機(jī)組中很受歡迎得到普遍采用 [9]。另一個(gè)缺點(diǎn)是葉片形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，在研制大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)更為突出。采用變速恒頻技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組允許其風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速是可變的，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可根據(jù)風(fēng)電機(jī)組受風(fēng)的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，以最大限度地吸收風(fēng) 的能量，提高了風(fēng)輪（特別是在低風(fēng)速區(qū)）的轉(zhuǎn)換效率。 單機(jī)容量大型化發(fā)展趨勢。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化、單機(jī)裝機(jī)功率 的提高，是所有風(fēng)電機(jī)組研究、設(shè)計(jì)和制造商不斷最求的目標(biāo)。 8MW、10MW 的風(fēng)電機(jī)組也已研制成功，即將投入商業(yè)應(yīng)用 [10]。其原因在于，海上風(fēng)電場的優(yōu)勢明顯：具有較高的風(fēng)速；對環(huán)境的負(fù)面影響較少；風(fēng)電機(jī)組距離海岸較遠(yuǎn)，視覺干擾很?。辉试S機(jī)組制造更為大型化，從而可以增加單位面積的總裝機(jī)量；機(jī)組噪聲排放的控制問題也不那樣突出。 研究設(shè)想及方法 本次設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)，主控制器為 PLC，主要完成的功能有風(fēng)車具有適應(yīng)風(fēng)向的功能、在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超出設(shè)定角度值時(shí)，具有自動(dòng)解纜功能、能對風(fēng)力的大小進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施。 本設(shè) 計(jì)從工業(yè)實(shí)用角度出發(fā)，研究基于 PLC 的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。此外，還必須涉及硬件電路的設(shè)計(jì)，才能將 PLC 控制和風(fēng)力發(fā)電電路成功連接。深入研究風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性和規(guī)律對于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)具有十分重要的指導(dǎo)意義?？刂葡到y(tǒng)對提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功 率輸出的穩(wěn)定性有很大的作用，所以有必要對控制系統(tǒng)和控制過程進(jìn)行分析。 控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是自動(dòng)控制風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行，依據(jù)其特性自動(dòng) 檢測故障并根據(jù)情況采取相應(yīng)措施。控制部分設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)或電信系統(tǒng)送到風(fēng)電場中央控制室的電腦系統(tǒng)，還能傳輸?shù)綐I(yè)主所在的城市的總部辦公室。 第 2章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作原理 本設(shè)計(jì)針對的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 葉片：風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，它由氣動(dòng)性能優(yōu)異的葉片 (目前大型商用風(fēng)電機(jī)組一般為 2～ 3 個(gè) )裝在輪轂上組成。上述這些部件都安裝在機(jī)艙平面上，整個(gè)機(jī)艙由高大的搭架舉起，由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須要有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向標(biāo)測得的風(fēng)向信號，由控制器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動(dòng)與塔架上大齒輪嚙合的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)艙始終對風(fēng)。 增速齒輪箱：齒輪箱連接低速軸和高速軸的變速裝置，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的 100 倍。風(fēng)電機(jī)上的發(fā)電機(jī)與普通電網(wǎng)上的發(fā)電設(shè)備相比，有所不同：風(fēng) 電機(jī)發(fā)電機(jī)需要在波動(dòng)的機(jī)械能條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。 偏航裝置：借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整風(fēng)向的最佳切入角度。通常，在風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)電機(jī)一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。在運(yùn)行過程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，槳距角保持在 0176。此時(shí)控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制。通常高的塔具有優(yōu)勢，因?yàn)殡x地面越高，風(fēng)速越大。根據(jù)底座的不同，支撐塔可以為管狀，也可以是格子狀。格狀的塔的優(yōu)點(diǎn)在于它重量輕，技術(shù)相對成熟（與海上石油鉆井臺原理相同）?？刂葡到y(tǒng)的性能優(yōu)劣對風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率和使用壽命有至關(guān)重要的影響 [13]。 系統(tǒng)工藝流程 控制模式介紹 風(fēng)力機(jī)控制模式主要有：初始化、待機(jī)、啟動(dòng)、運(yùn)行、發(fā)電、停機(jī)、維護(hù)、幾種模式間的轉(zhuǎn)換、停機(jī)條件、維護(hù)條件。變化范圍 85176。 待機(jī)：風(fēng)機(jī)經(jīng)過初始化完成，延時(shí) 20s 后；或停機(jī)步驟完成后，轉(zhuǎn)速 2 rpm 與最小葉片角度 83176。；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活；允許進(jìn)行偏航解纜； 允許進(jìn)行故障復(fù)位。否則槳距角設(shè)定值為 50176。 運(yùn)行：當(dāng)轉(zhuǎn)速大于 延時(shí) 45s 且風(fēng)與機(jī)艙的位置偏差小于 45176。 進(jìn)入運(yùn)行模式時(shí)，控制程序?qū)ο铝袇?shù)進(jìn)行設(shè)定：槳距角設(shè)定值為 0176。 發(fā) 電：當(dāng)轉(zhuǎn)速大于 ，風(fēng)機(jī)由運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到發(fā)電模式。；轉(zhuǎn)矩控制器激 活；變槳控制器激活；逆槳速度限值為 2deg/s，順槳速度限值為 5deg/s；轉(zhuǎn)速限定值為 rpm；變頻器啟動(dòng)；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活。 進(jìn) 入停機(jī)模式時(shí)，控制程序?qū)σ韵聟?shù)進(jìn)行設(shè)定：槳距角設(shè)定值為 89176。 順槳速度限值根據(jù)觸發(fā)停機(jī)的故障級別不同，分為三種情況限制： 當(dāng)系統(tǒng)存在一級 故障時(shí)，風(fēng)機(jī)正常停機(jī)。 /s； 當(dāng)系統(tǒng)存在二級故障時(shí)，風(fēng)機(jī)快速停機(jī)。 /s； 當(dāng) 系統(tǒng)存在三級故障（即安全鏈故障）時(shí)，風(fēng)機(jī)緊急停機(jī)。 /s。 緊急停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速 5rpm 后轉(zhuǎn)子剎車機(jī)構(gòu)激活。96176。 /s：變頻器停止運(yùn)行：允許手動(dòng)偏航；允許手動(dòng)變槳。 停機(jī)條件：進(jìn)入停機(jī)模式觸發(fā)條件：全局故障；柜門停機(jī)或緊急停機(jī)按鍵、維護(hù)模式；偏航位置值大于 690 度；發(fā)電模式下轉(zhuǎn)速低于 10rpm 維持 15min，或低于 6rpm維持 5min，或低于 4rpm；運(yùn)行模式下維持 15min[14]。 各部分控制介紹 齒輪箱及冷卻系統(tǒng)基本控制原理 油溫 5℃ ,加熱器啟動(dòng)， 5℃時(shí) 3 分鐘之后，加熱器停止； 低速軸轉(zhuǎn)速 或風(fēng)機(jī)進(jìn)入運(yùn)行、發(fā)電、停機(jī)狀態(tài)且油溫 5℃ 低速； 低速軸轉(zhuǎn)速 或油溫 40℃ 高速； 油溫 50℃，水泵啟動(dòng)，直到 45℃，水泵停止； 油溫 60℃，水空風(fēng)扇啟動(dòng) ,直到 55℃，水空風(fēng)扇停止； 油溫 60℃或軸溫 70℃，空冷風(fēng)扇（高速）啟動(dòng)，直到油溫 50℃或 軸溫 65℃，空冷風(fēng)扇停止； 油溫 80℃，風(fēng)機(jī)進(jìn)入正常停機(jī)模式； 高速軸溫 (葉輪、發(fā)電機(jī)側(cè) )90℃，風(fēng)機(jī)為正常停機(jī)模式。 偏航和解纜狀態(tài)： 偏航解纜和迎風(fēng)分別對應(yīng)的 閥置位，系統(tǒng)壓力 P4 為 150bar 左右，偏航壓力 P1維持在 25bar 左右。 系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)模式并且為緊急停機(jī)模式（故障等級三安全鏈動(dòng)作），保證葉輪速度降為小于 5rpm，抱閘動(dòng)作； 油位油溫開關(guān)。 油溫開關(guān)：常閉觸點(diǎn)，未達(dá)到警戒溫度 70 度時(shí)， 402DI48 輸入高電平（四通道亮）。 偏航系統(tǒng) 在不同的風(fēng)速條件下，偏航的動(dòng)作方式不同，分為高風(fēng)速偏航和低風(fēng)速偏航。延時(shí) 210s，風(fēng)機(jī)偏航。延時(shí) 20s，風(fēng)機(jī)偏航。延時(shí) 250s，風(fēng)機(jī)偏航。延時(shí) 25s，風(fēng)機(jī)偏航 。 解纜停止條件： 情況 1：偏航位置回到小于 360 度，對風(fēng)角度 (風(fēng)向標(biāo)數(shù)值與 180 度差值 ) 小于 30度； 情況 2：偏航位置小于 40 度。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本 次設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)，主控制器為 PLC，主要完成的功能有風(fēng)車具有適應(yīng)風(fēng)向的功能、在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超出設(shè)定 角度值時(shí)，具有自動(dòng)解纜功能、能對風(fēng)力的大小進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施。 本設(shè)計(jì)從工業(yè)實(shí)用角度出發(fā)，研究基于 PLC 的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。此外，還必須涉及硬件電路的設(shè)計(jì)，才能將 PLC 控制和風(fēng)力發(fā)電電路成功連接。 數(shù)據(jù)采集：利用傳感器，風(fēng)向標(biāo)等檢測裝置對溫度、壓力、液位、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。 齒輪箱控制：主要對齒輪箱溫度，油位，油泵等進(jìn)行控制。液壓系統(tǒng)主要為高速軸剎車和偏航剎車提供壓力。 其他控制：照明、液壓、溫度、故障處理等控制 [15]。 系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。包括工作原理圖、工藝流程圖和系統(tǒng)示意圖。 第 3章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PLC 概述 PLC 的發(fā)展歷程 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。 PLC 技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，由最初的一位機(jī)發(fā)展為 8位機(jī)。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以 16 位和 32 位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化 PLC 得到了驚人得發(fā)展，事 PLC 在概念、設(shè)計(jì)、性能價(jià)格比以及應(yīng)用等方面都有了新的突破?，F(xiàn)在 PLC 不僅能得心應(yīng)手的應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化，而且還可以應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)的過程控制系統(tǒng)，所有這些已經(jīng)使之成為自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的三大支柱之一，即使在現(xiàn)場總線技術(shù)成為自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用熱點(diǎn)的今天， PLC 仍然是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中不可缺少的控制器。 CPU 是以分時(shí)操作方式來處理各項(xiàng)任務(wù)的，計(jì)算機(jī)在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動(dòng)作，所以它屬于串行工作方式。機(jī)器上電后對 PLC 系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化，包括硬件初始化， I/O 模塊配置檢查，停電保持范圍設(shè)定，系統(tǒng)通信參數(shù)配置及其他初始化處理等。 PLC 上電處理階段完成以后進(jìn)入 掃描工作過程。 PLC 每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定 PLC 自身的動(dòng)作是否正常， 如檢查出異常時(shí)， CPU 面板上的 LED 及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯(cuò)代碼；當(dāng)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)， CPU 被強(qiáng)制為 STOP 方式，所有的掃描便停止。每一次掃描所用的時(shí)間稱作掃描周期或工作周期。當(dāng) PLC上電 后，處于正常運(yùn)行時(shí)，它將不斷重復(fù)掃描過程，并不斷循環(huán)重復(fù)下去。這三個(gè)階段是 PLC 工作過程的中心內(nèi)容，也是 PLC 工作原理的實(shí)質(zhì)所在。接著系統(tǒng)進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與 外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的內(nèi)容。 (2) 程序執(zhí)行階段 進(jìn)入 程序執(zhí)行階段 后，一般來說（因?yàn)檫€有子程序和中斷程序的情況）， PLC 按從左到右、從上到下的步驟順序執(zhí)行程序。然后進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，最新 的運(yùn)算結(jié)果馬上再存入到相應(yīng)的元件映像寄存器中。 (3) 輸出刷新階段 在用戶程序執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通∕斷開）在輸出刷新階段一起轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式集中輸出，最后經(jīng)過輸出端子驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 控制系統(tǒng)的 I/O 通道地址分配 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求， I/O 通道地址分配如表 所 示。 表 模擬量輸入輸出信號代碼和地址編號表 序號 功能信號 序號 功能信號 AIW0 溫度 傳感器 1 輸入 AIW16 壓力傳感器 2 輸入 AIW2 溫度 傳感器 2 輸入 AIW18 液位傳感器 2 輸入 AIW4 溫度 傳感器 3 輸入 AIW20 位置傳感器輸入 AIW6 溫度 傳感器 4 輸入 AIW24 風(fēng)向傳感器 1 輸入 AIW8 速度傳感器 輸入 AIW26 風(fēng)向傳感器 2 輸入 AIW10 壓力傳感器 1 輸入 AIW28 風(fēng)速傳感器 1 輸入 AIW12 液位傳感器 1 輸入 AIW30 風(fēng)速傳感器 2 輸入 PLC 系統(tǒng)選型 從結(jié)構(gòu)上分， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。其模塊化