風力供電系統(tǒng)裝置分析

1、南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析 南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析 姜偉 班班 級級 10 電氣一 專專 業(yè)業(yè) 電氣自動化 教教 學學 系系 機電系 學校導師學校導師 李金喜 完成時間 2012 年 10 月 08 日至 年 月 日南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析 摘要摘要 能源是整個世界發(fā)展和經濟增長最基本的驅動力，是人類賴以生存的基礎。伴隨著人類社會對能源需求的增加，能源安全逐漸與政治、經濟安全緊密聯(lián)系在一起。在各類新能源中，風能作為一種清潔的可再生能源越來越受到人們的重視，風

2、力發(fā)電也逐漸成為了時下的朝陽產業(yè)。本論文詳細的對風力供電系統(tǒng)實訓裝置進行了分析，對風力發(fā)電機進行了簡單的介紹和對風力供電裝置進行了深入的研究。本文的主要內容包括：首先對風力發(fā)電機的組成、模擬風場的組裝進行研究，通過西門子 S7-200PLC 進行接線，然后對風力發(fā)電機裝置進行控制程序設計，最后分析風力供電系統(tǒng)得出結論。關鍵詞關鍵詞：發(fā)電機 、西門子 S7-200PLC、風力發(fā)電南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析1目錄目錄摘要摘要 .I I目錄目錄 .1 11 1 緒論緒論 .5 51.1 課題的目的和意義.51.1.1 風力發(fā)電的優(yōu)點.51.1.2 課題的目的和意義

3、.61.2 風力發(fā)電概述.61.2.1 國外風力發(fā)展.61.2.2 國內風力發(fā)電的基本情況 .71.2.3 風力發(fā)電的特點 .71.3 本文的主要研究內容 .82 2 風力供電裝置分析風力供電裝置分析.9 92.1 風力發(fā)電系統(tǒng)的組成.92.1.1 小型風力發(fā)電機的分類.92.1.2 整流器.112.1.3 逆變器.112.1.4 蓄電池.122.2 風力供電裝置的組成 .142.2.1 風力供電裝置基本組成介紹.142.2.2 風力供電裝置部分設備（器件）主要參數(shù).173 3 風力供電系統(tǒng)分析風力供電系統(tǒng)分析 .18183.1 風力供電系統(tǒng)的組成.183.1.1 風電電源控制單元.183.1

4、.2 風電輸出顯示單元.19南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析23.1.3 風力供電控制單元 .204 4 風力發(fā)電風力發(fā)電 PLCPLC 控制系統(tǒng)分析控制系統(tǒng)分析 .24244.1 西門子 S7-200CPU224 .244.1.1S7-200 CPU224PLC 輸入輸出端口.244.2 風力 PLC 程序 .255 5 收獲和體會收獲和體會.3030致致 謝謝 .3333參參 考考 文文 獻獻 .3434南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析31 1 緒論緒論風能是一種清潔的、儲量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質燃料能源，

5、如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉化和利用而減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質燃料儲量有限，正在日趨減少，況且其帶來的嚴重的污染問題和溫室效應正越來越困擾著人們。因此風力發(fā)電正越來越引起人們的關注。1.11.1 課題的目的和意義課題的目的和意義1.1.11.1.1 風力發(fā)電的優(yōu)點風力發(fā)電的優(yōu)點風是人類最熟悉的一種自然現(xiàn)象，風無處不在。太陽輻射造成地球表面大氣層受熱不均，引起大氣壓力分布不均。在不均壓力作用下，空氣沿水平方向運動就形成風。風能是一種最具活力的可再生能源，它實質上是太陽能的轉化形式，因此是取之不盡的。風能中的風向和風速在時空分布上較為復雜，如有海陸

6、差異對氣流運動的影響而形成的季風和海陸風，在山區(qū)由于熱力原因引起的谷風和山風，風力的隨機性和風速的變化多端使得它的利用效率較低，在風能的實際利用上仍存在很多技術困難。盡管如此，風能資源具有如下優(yōu)越性：（1）風力發(fā)電是可再生的清潔能源風力發(fā)電是一種可再生的清潔能源，不消耗資源，不污染環(huán)境，這是其他常規(guī)能源（煤電、油電）所無法比擬的優(yōu)點。就地可取，不需運輸?shù)V物能源煤炭和石油地理分布不均勻和工業(yè)布局的不均衡，造成了煤炭和石油運輸?shù)牟痪?。這些能源必須經過開采后長途運送到目的地，給交通運輸帶來壓力。即使能夠靠電網(wǎng)供電，但一些高山、孤島、草原和高原等電網(wǎng)不易到達的地方，充分利用清潔能源這一優(yōu)點，則會帶來

7、方便。（3）建設周期短風力發(fā)電場建設工期短，單臺風力發(fā)電機組安裝僅需幾周，從土建、安裝到投產，一萬千瓦級的風電場建設期只需半年到一年時間。南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析4（4）運行維護簡單風力發(fā)電自動化水平很高，完全可以無人值守，只需定期進行必要的維護，不存在火力發(fā)電大修問題。（5）經濟性高風力發(fā)電的經濟性日益提高，不存在建廠房、筑壩、淹地、移民等問題，風力發(fā)電機分散安裝，占地面積少。發(fā)電后除折舊費和維護費外，不消耗燃料，無三廢處理問題，其成本接近火電，低于油電、核電和光伏發(fā)電，從綜合經濟效益看，具有較強的競爭力。（6）可靠性高風力發(fā)電在新能源發(fā)電中技術最為成熟

8、。是一種安全、可靠的能源。綜上所述，風力發(fā)電對于改善能源結構、推動生態(tài)環(huán)境建設，特別是對邊遠地區(qū)的生產、生活用電等諸多領域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，具有廣闊的市場前景。1.1.21.1.2 課題的目的和意義課題的目的和意義風能利用的能量密度低且具有隨機性、不穩(wěn)定性和分布的不均勻性，這些給風能的利用帶來了許多問題。本文研究的目的是在分析現(xiàn)有的小型風力發(fā)電系統(tǒng)的基礎鞏固所學容，并自己獨立掌握安裝水平軸永磁同步發(fā)電機的技術，最后對實訓內容作出必要的總結。1.21.2 風力發(fā)電概述風力發(fā)電概述1.2.11.2.1 國外風力發(fā)展國外風力發(fā)展國際能源研究報告表明, 如果各國采取有力措施, 風力發(fā)電到 2010

9、 年可提供世界電力需求的 10%, 創(chuàng)造 170 萬個就業(yè)機會,并在全球范圍內減少 100 多億噸二氧化碳廢氣。風能將成為發(fā)展最快的能源, 到 2010 年風電總裝機容量達到 40.00GW, 2020 年達到 0.1TW, 到 2010 年德國新增 500 萬千瓦, 西班牙新增 520 萬千瓦, 年生產能力將達到 800 萬千瓦,可滿足全國電力需求的 10%。美國和加拿大是北美利用風能最好的國家。在美國的 50 個州中, 大約有 30 個州已經開始利用風能資源。在 1998- 2004 年期間, 美國風力發(fā)電的總裝機容量已經超過 6740MW, 可以滿足 160 萬個中等家庭的日常南通紡織職

10、業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析5用電需求。隨著技術的進步和規(guī)模的擴大, 風電發(fā)電成本繼續(xù)下降, 估計 10 年后它完全可以和清潔的燃煤電廠競爭。由于風力發(fā)電是可再生潔凈能源, 其環(huán)境效益也十分明顯, 隨著風力發(fā)電技術的日益成熟, 發(fā)電成本的進一步降低, 風力發(fā)電會越來越被更多的人認識和接受。這也是全世界很多國家都熱衷風力發(fā)電的主要原因。風力發(fā)電的迅猛發(fā)展也使那些本地能源短缺的發(fā)展中國家收益, 如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯達黎加等國是發(fā)展中國家風力發(fā)電的佼佼者。中國、印度也在積極發(fā)展風電。1.2.21.2.2 國內風力發(fā)電的基本情況國內風力發(fā)電的基本情況我國幅員遼闊,

11、 陸疆總長2萬多千米, 海岸線1.8萬多千米, 是一個風力資源豐富的國家, 全國約有2/3的地帶為多風帶。風能總儲量為32.26億千瓦, 實際可開發(fā)的風能儲量為2.53億千瓦, 為可再生能源和新能源利用技術提供了強大的資源條件。兩大風能地帶西北、華北、東北和東南沿海為風能資源豐富區(qū), 跨全國21個省、市、自治區(qū)。到1999年底已開發(fā)微小戶用型風力發(fā)電機16萬臺, 并網(wǎng)型風電場24座, 總裝機容量26萬千瓦, 其中絕大多數(shù)機組是從丹麥、德國、美國、比利時、瑞典引進的, 最大單機容量為600kW。據(jù)相關資料報道, 到2020年, 預計我國將新增發(fā)電能力500GW, 其中121GW為可再生能源。20

12、10年以前, 我國計劃新建20座風力發(fā)電場, 每座風場的發(fā)電能力達到100MW以上, 且達到4000MW的風力發(fā)電總目標, 并要求風力發(fā)電設備本土化。1.2.31.2.3 風力發(fā)電的特點風力發(fā)電的特點風電的突出優(yōu)點是環(huán)境效益好，不排放任何有害氣體和廢棄物。風電場雖然占據(jù)了大片土地，但是風電機組基礎使用面積很小，不影響農田和牧場的正常生產。多風的地方往往是荒灘或山地，建設風電場的同時也開發(fā)了旅游資源。 （1）可再生，且清潔無污染。 （2）風速隨時變化，風電機組承受著十分惡劣的交變載荷。 （3）風電的不穩(wěn)定性會給電網(wǎng)或負載帶來一定的沖擊影響。風力發(fā)電的運行方式主要有兩種：一類是獨立運行的供電系統(tǒng)，

13、即在電網(wǎng)未通達的地區(qū)，用小型發(fā)電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運行。本論文討論的是前者，即對獨立運南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析6行的供電系統(tǒng)進行有效的分析。1.31.3 本文的主要研究內容本文的主要研究內容本文以小型風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象對風力發(fā)電原理、系統(tǒng)結構以及小型風力發(fā)電系統(tǒng)的控制程序設計等方面做了較為深入的理論分析和研究，對實現(xiàn)運行及可靠運行具有一定的參考價值。本文的主要研究內容和章節(jié)安排如下。第 1 章 介紹課題提出的背景、目的和意義，論述國內外風力發(fā)電發(fā)展概況，概括總結風力發(fā)電相關技

14、術的發(fā)展概況。第 2 章 紹了小型風力發(fā)電原理及系統(tǒng)的基本組成，并詳細介紹各個部分的組成以及原理。第 3 章 述了小型風力供電系統(tǒng)電路的設計，并對供電系統(tǒng)進行簡要的分析。南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析72 2 風力供電裝置分析風力供電裝置分析2.12.1 風力發(fā)電系統(tǒng)的組成風力發(fā)電系統(tǒng)的組成 本文的水平軸風力發(fā)電機系統(tǒng)，如圖2-1所示，它主要包括風力發(fā)電機、整流器、逆變器、蓄電池以及控制系統(tǒng)幾個部分。圖2.1風力發(fā)電機系統(tǒng)2.1.12.1.1 小型風力發(fā)電機的分類小型風力發(fā)電機的分類1.按照風力發(fā)電機的風輪軸位置分類 按照風力發(fā)電機風輪軸的位置分，可分為水平軸風

15、力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機。 南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析8圖2.2 水平軸風力發(fā)電機（1）水平軸風力發(fā)電機：水平軸風力發(fā)電機的風輪圍繞一個水平軸旋轉，風輪軸與風向平行，風輪上的葉片式徑向安裝的，與旋轉軸垂直，并與風輪的旋轉平面成一角度（稱為安裝角）。風輪葉片數(shù)目為14片（大多為2片和3片），他在高速運行時有較高的風能利用率，但啟動時需要較高的風速。 （2）垂直軸風力發(fā)電機：垂直軸風力發(fā)電機的風輪圍繞一個垂直軸旋轉 圖 2.3 垂直軸風力發(fā)電機風輪軸與風向垂直。其優(yōu)點是可以接受來自任何方向的風，因而當風向改變時，無需對風。 2.按照風力發(fā)電機的功率分 按風力發(fā)

16、電機的功率可分為大、中、小型風力發(fā)電機。功率在10千瓦以下的稱為小型風力發(fā)電機，功率在10千瓦至100千瓦的稱為中型風力發(fā)電機，功率在100千瓦以上的稱為大型風力發(fā)電機。 3.風力發(fā)電機又分直流發(fā)電機和交流發(fā)電機兩種。（1）直流發(fā)電機機電勵磁式直流發(fā)電機。主要有他勵、自勵和復勵幾種形式，小型直流發(fā)電系統(tǒng)大都用于1KW以下的微、小型風力發(fā)電裝置，與蓄電池儲能配合使用。這種直流發(fā)電系統(tǒng)在風速變化時，一般通過調節(jié)勵磁來保持輸出電壓的恒定。南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析9永磁式直流發(fā)電機。這種發(fā)電機主要是勵磁不可調節(jié)，結構較電勵磁式直流發(fā)電機簡單。系統(tǒng)采用輸出電壓隨風速

17、變化的系統(tǒng)，在發(fā)電機和負載間設置儲能設備(如蓄電池)和整流、逆變設備來變換，以滿足用戶對輸出電壓的要求。（2）交流發(fā)電機交流發(fā)電機主要有兩種，一種是同步發(fā)電機，一種是異步發(fā)電機。前者運行于電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉速，后者則以稍高于同步速成的轉速運行。主要有感應發(fā)電機發(fā)電模式、硅整流自勵交流發(fā)電機發(fā)電模式、無刷爪極自勵發(fā)電機發(fā)電模式、永磁發(fā)電機發(fā)電模式。2.1.22.1.2 整流器整流器整流電路按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結構可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。整流器的主要功能是對風力發(fā)電機輸出的三相交流電進行整流，整流后的直流電經過控制器再對

18、蓄電池進行充電。根據(jù)風力發(fā)電系統(tǒng)的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種，可控整流器主要應用在功率較大的系統(tǒng)中，可以減小電感過大帶來的體積大、損耗大等缺點；不可控整流器主要應用于小功率系統(tǒng)中。目前在我國小型型風力發(fā)電系統(tǒng)中大量使用的是橋式不可控整流方式，如圖 2-4所示。因為它由二極管組成，具有功耗低、電路簡單等特點。圖2.4 三相不可控整流三相整流器除了把輸入的三相交流電能整流為可對蓄電池充電的直流電能之外，另外一個重要的功能是在外界風速過小或者基本沒風的時候，風力發(fā)電機的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導通方向只能是由風力發(fā)電機的輸出端到蓄電池，南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風

19、力供電系統(tǒng)實訓裝置分析10所以防止了蓄電池對風力發(fā)電機的反向供電。2.1.32.1.3 逆變器逆變器逆變器是將低壓直流電源變換成高壓交流電源的裝置，逆變器的種類很多,各自的具體工作原理、工作過程不盡相同。本實訓裝置使用的逆變器由 DC-DC 升壓 PWM 控制芯片單元、驅動+升壓功率 MOS 管單元、升壓變壓器、SPWM 芯片單元、高壓驅動芯片單元、全橋逆變功率 MOS 管單元、LC 濾波器組成。2.1.42.1.4 蓄電池蓄電池（1）蓄電池的工作原理在小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池起著儲存和調節(jié)電能的作用。其它器件或技術也有被利用來進行能量存儲的，比如微型水泵、壓縮空氣或飛輪等，但是在小規(guī)模風力

20、發(fā)電應用中，這些儲能方式都不是很經濟。近年來，隨著燃料電池和電解槽技術的發(fā)展，氫氣作為一種能量存儲介質進入人們的視野，這是一種比較有前途的技術方向。但是要大范圍的應用，還有很多技術難題待解決。在本系統(tǒng)中，當風力很大致使產生的電能過剩時，蓄電池將多余的電能儲存起來;反之，當系統(tǒng)發(fā)電量不足或負載用電量大的時候，蓄電池向負載補充電能，并保持供電電壓的穩(wěn)定。鉛酸蓄電池由于具有容量大，成本低，循環(huán)壽命長等優(yōu)點，一直是小型電力系統(tǒng)的首選儲能設備。蓄電池正負極板上的活性物質分別是二氧化鉛（）和海綿狀鉛（） ，它們2pbopb與電解液中的硫酸接觸，負極板上鉛不斷解離為正二價的鉛離子（）和電子，鉛2pb離子融入

21、電解液中，電子留在負極板上。隨著化學反應不斷的進行，負極板上的負電荷逐漸增加，對電解液中的鉛離子的吸引力也不斷的加大，使得部分的鉛離子獲得電子沉積到負極板的表面。當離開和沉積到負極板表面的鉛離子相等，即氧化和還原的速度趨于平衡時，負極板與電解液間形成穩(wěn)定的電位差(大約-0.358V)。正極板上的二氧化鉛（）在電解液的作用下解離為鉛離子（） ，既（）從極板獲得電2pbo2pb2pbo子還原為（）進入電解液，同時電解液中的部分失去電子氧化為，當氧化和2pb4pb南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析11還原的速度平衡時，正極板與電解液之間形成 +l.685V 的電位差。正、

22、負極板與電解液之間的都存在著電位差，從整體看正極與負極的電位差有 2.04V 也就是蓄電池的單體電壓。蓄電池與負載相接時，是它的放電過程，其化學反應方程式為:+ 2 + pb42SOH2pbo4pbsoOH2放電過程中，負極板上的海綿狀鉛()，正極板上二氧化鉛（)與電解液中pb2pbo的硫酸()反應，生成硫酸鉛()。電解液中消耗了硫酸()分子，增42SOH4pbso42SOH加了水()分子，電解液中的硫酸濃度降低，蓄電池內阻逐漸增大，電動勢逐漸降OH2低。蓄電池的充電過程是放電過程的逆過程，是在外電源作用下的電化學反應，其化學反應方程式為:+ + 4pbso4pbsoOH2pb42SOH2pb

23、o充電過程中，在外電源的作用下，正極板上的硫酸鉛（）逐漸恢復成二氧化4pbso鉛（);負極板上的硫酸鉛（)逐漸恢復成海綿狀鉛（） ，電解液中的硫酸2pbo4pbsopb濃度增大，蓄電池內阻逐漸減小，電動勢逐漸增大。傳統(tǒng)的開口式鉛酸蓄電池，由于水的蒸發(fā)以及電解液的分解，需要經常對電解液的濃度進行檢測，以確定是否對其添加蒸餾水。另外，在電池充電過程中，由于化學反應劇烈，會產生大量有害氣體形成酸霧，污染室內空氣，對工作人員會產生職業(yè)危害。而采用閥控式鉛酸蓄電池就會避免這些缺點。閥控式鉛酸蓄電池是相對于傳統(tǒng)的開口式的鉛酸蓄電池來講的。它是一種密封的電池，內外氣壓的平衡通過閥門來控制。它具有一系列優(yōu)點。

24、首先是安全，電池的閥門密封可阻止空氣中的氧氣流入。當電池過充時，內部壓力過大，這時候閥門會自動打開，排出氣體，防止電池內部氣壓過大而產生膨脹或爆炸。其次是使用方便，傳統(tǒng)的開口電池不能傾斜安裝使用，而閥控式鉛酸蓄電池就不存在這個問題，它既可立放也可橫放，但是不能倒置。第三是少維護，由于閥控式鉛酸蓄電池密封性能好，水分不易蒸發(fā)，這樣在進行電化學反應的時候將放電時產生的水蒸汽完全吸收，所以不需要進行補水作業(yè)，但是閥控式鉛酸蓄電池并不是完全不需要維護，尤其是對電池的充放電維護是必不可少的。由于閥控式鉛酸蓄南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析12電池具有顯著的優(yōu)點，所以在小型電

25、力系統(tǒng)中，它漸漸成為主流的儲能器件。（2）影響鉛酸蓄電池壽命的因素a 環(huán)境溫度鉛酸蓄電池的的電能是通過化學反應產生的，不同溫度下的化學反應速率是不一樣的。溫度高時，蓄電池內部電解液與極板的化學反應加速，電解液濃度下降，減小了電池內阻，增加了電池的容量，充放電過程中容易出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象。溫度低時，電解液和極板間的反應速度變慢，電解液的濃度升高，加大了電池的內阻，減少了電池的容量，縮短了蓄電池的壽命。生產廠家一般要求蓄電池的運行環(huán)境溫度為 15 一25，當環(huán)境溫度超過 25后，每升高 8，電池壽命就要縮短一半。b 過度放電蓄電池被過度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。蓄電池為負載供電期間，

26、若控制器突發(fā)故障或者過放控制點設置過低時，均會可能導致過放現(xiàn)象的發(fā)生。過放現(xiàn)象會減少蓄電池的容量，并且難以恢復，嚴重時將會導致電池失效。蓄電池被過度放電到輸出電壓為 OV 時，會導致電池內部有大量的硫酸鉛被吸附到電池的陰極表面，形成電池陰極的“硫酸鹽化” 。由于硫酸鉛本身是一種絕緣體，將會阻礙蓄電池內部化學反應的，陰極板上的硫酸鉛越多，電池的內阻越大，電池的充放電性能就越差，電池的壽命就越短。c 過度充電蓄電池的充電電壓也是影響其壽命的重要因素。在開路狀態(tài)下，鉛合金和二氧化鉛在硫酸溶液中，各自與電解液建立不同的平衡電極電位。蓄電池的充電電壓過高時，將會出現(xiàn)過充現(xiàn)象，此時正極柵板由于析氧反應，水

27、不斷的被消耗，H增加，從而導致正極附近的酸度增高，柵板與電解液反應加速，析出的氣體由于一部分排出，不可能全部還原為水，蓄電池內部的電解液濃度增加，這樣也會促使柵板的腐蝕加速，活性物質減少，導致蓄電池的容量和壽命減少。當失水 5.5%時，容量降低 75%，失水達到 25%時，容量基本消失。d 長期浮充電蓄電池長期工作在浮沖狀態(tài)下，只充電不放電，這種工作狀態(tài)會造成蓄電池陽極的鈍化，使電池的內阻急劇增大，實際容量遠遠低于其標準容量，從而導致電池所能提供的后備時間大大縮短，減少了其使用壽命。南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析132.22.2 風力供電裝置的組成風力供電裝置的

28、組成2.2.12.2.1 風力供電裝置基本組成介紹風力供電裝置基本組成介紹本文所分析的風力供電裝置主要由葉片、輪轂、發(fā)電機、機艙、尾舵、側風偏航機械傳動機構、直流電動機、塔架和基礎、測速儀、測速儀支架、軸流風機、軸流風機支架、軸流風機框罩、單相交流電動機、電容器、風場運動機構箱、護欄、連桿、滾輪、萬向輪、微動開關和接近開關等設備與器件組成，如圖 2.5 所示。圖 2.5 風力供電裝置葉片、輪轂、發(fā)電機、機艙、尾舵和側風偏航機械傳動機構組裝成水平軸永磁同步風力發(fā)電機，安裝在塔架上。風場由軸流風機、軸流風機支架、軸流風機框罩、測速儀、測速儀支架、風場運動機構箱體、傳動齒輪鏈機構、單相交流電動機、滾

29、輪和萬向輪等組成。軸流風機和軸流風機框罩安裝在風場運動機構箱體上部，傳動齒輪鏈機構、單相交流電動機、滾輪和萬向輪組成風場運動機構。當風場運動機構中的單相交流電動機旋轉時，傳動齒輪鏈機構帶動滾輪轉動，風場運動機構箱體圍繞風力發(fā)電機的塔架作圓周旋轉運動，當軸流風機輸送可變風量風時，在風力發(fā)電機周圍形成風向和風速可變的風場。在可變風場中，風力發(fā)電機利用尾舵實現(xiàn)被動偏航迎風，使風南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析14力發(fā)電機輸出最大電能。測速儀檢測風場的風量，當風場的風量超過安全值時，側風偏航機械傳動機構動作，使尾舵?zhèn)蕊L 45，風力發(fā)電機葉片轉速變慢。當風場的風量過大時，尾

30、舵?zhèn)蕊L 90，風力發(fā)電機處于制動狀態(tài)。（1）風輪風輪一般有 23 個葉片和輪轂組成。葉片多為玻璃纖維增強復合材料。輪轂是葉片根部與主軸的連接件，從葉片傳來的力通過輪轂傳到驅動的對象。輪轂有剛性輪轂和鉸鏈式輪轂。剛性輪轂制造成本低、維護少、沒有磨損。三葉片風輪一般采用剛性輪轂，是使用最廣泛的一種形式。（2）發(fā)電機發(fā)電機是風力發(fā)電機重要的部件。葉片接受風能而轉動，帶動發(fā)電機將風能轉變成電能。小型風力發(fā)電機的風輪和發(fā)電機之間多采用直接連接。小型風力發(fā)電機的發(fā)電機主要采用交流永磁發(fā)電機、感應式發(fā)電機和直流發(fā)電機。永磁發(fā)電機無勵磁損耗，效率高。永磁發(fā)電機轉子結構按磁路結構的磁化方向可分為徑向式、切向式和

31、軸向式三種類型，國內批量生產的永磁發(fā)電機多采用切向式結構，這種結構制造工藝簡單，可以做成較多的磁極，便于和風輪直連。（3）尾舵尾舵的作用是保持風輪和風向垂直。小型風力發(fā)電機多采用尾舵達到對風的目的，尾舵調向結構簡單，調向可靠。尾舵有尾舵梁固定，尾舵梁另一端固定在機艙上。（4）機艙機艙是發(fā)電機、風輪和發(fā)電機之間傳動機構的防護裝置。（5）塔架塔架是用于支撐風力發(fā)電機的質量，承受吹向風流發(fā)電機和塔架的風壓以及風力發(fā)電機運行中的動負載。表 2.6 是風力供電裝置的主要設備序號設備（器件）名稱數(shù)量序號設備（器件）名稱數(shù)量1水平軸永磁同步風力發(fā)電機111電容器12塔架和基礎112傳動齒輪鏈機構13測速儀1

32、13風場運動機構箱體1南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析154測速儀支架114連桿15側風偏航機械傳動機構115滾輪16直流電動機116萬向輪27軸流風機117護欄網(wǎng)18軸流風機支架118微動開關49軸流風機框罩119接近開關110單相交流電動機12.2.22.2.2 風力供電裝置部分設備（器件）主要參數(shù)風力供電裝置部分設備（器件）主要參數(shù)（1）水平軸永磁同步風力發(fā)電機主要參數(shù)輸出功率：300W葉片直徑：120mm、數(shù)量：3啟動風速：1.5m/s輸出（整流）電壓： +12V（2）測速儀主要參數(shù)輸出：05V（3）軸流風機主要參數(shù)電源：3AC220V額定功率：370W（

33、4）單相交流電動機主要參數(shù)額定功率：90W南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析163 3 風力供電系統(tǒng)分析風力供電系統(tǒng)分析3.13.1 風力供電系統(tǒng)的組成風力供電系統(tǒng)的組成風力供電系統(tǒng)主要由風電電源控制單元、風電輸出顯示單元、觸摸屏、風力供電控制單元、DSP 控制單元、接口單元、西門子 S7-200PLC、變頻器、繼電器組、接線排、可調電阻、斷路器、網(wǎng)孔架等組成。如圖 3.1 所示。圖 3.1 風力供電系統(tǒng)3.1.13.1.1 風電電源控制單元風電電源控制單元風電電源控制單元面板如圖 3.2 所示，風電電源控制單元主要由斷路器、+24V 開關電源、AC220V 電源插

34、座、指示燈、接線端 DT8 和 DT9 等組成。接線端子 DT8.1、DT8.2南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析17和 DT8.3、DT8.4 分別接入 AC220V 的 L 和 N。接線端子 DT9.1、DT9.2 和 DT9.3、DT9.4分別輸出+24V 和 0V。圖 3.2 風電電源控制面板3.1.23.1.2 風電輸出顯示單元風電輸出顯示單元風電輸出顯示單元面板如圖 3.3 所示，風電輸出顯示單元主要由直流電流表、直流電壓表、接線端 DT3 和 DT4 等組成。接線端子 DT10.3、DT10.4 和 DT11.3、DT11.4分別接入 AC220V 的

35、 L 和 N。接線端子 DT10.5、DT10.6 和 DT11.5、DT11.6 分別是RS485 通信端口。接線端子 DT10.1、DT10.2 和 DT11.1、DT11.2 分別用于測量和顯示風力發(fā)電機輸出經過整流的直流電流和直流電壓。圖 3.3 風電輸出單元顯示面板南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析183.1.33.1.3 風力供電控制單元風力供電控制單元風力供電控制單元主要由選擇開關、急停按鈕、帶燈按鈕、接線端 DT12 和 DT13等組成。風力供電控制單元面板如圖 3.4 所示。選擇開關自動擋、啟動按鈕、順時按鈕、逆時按鈕、側風偏航按鈕、恢復按鈕、停止

36、按鈕均使用常開觸點，分別接在接線端子的 DT12.2、DT12.3、DT12.5、DT12.6、DT12.7、DT12.8、DT12.9。急停按鈕使用常閉觸點，接在接線端子的 DT12.4。接線端子 DT12.1、DT12.10 接入+24V 和 0V。接線端 DT13 有 6 個端口，分別接入相應按鈕的指示燈。圖 3-4 風力供電控制單元面板3.1.43.1.4 觸摸屏、可調電阻和接插座觸摸屏、可調電阻和接插座1.觸摸屏 觸摸屏用于顯示風力發(fā)電機輸出信息、風場的風量信息和蓄電池信息。2.可調電阻可調電阻作為風力發(fā)電機的負載，檢測風力發(fā)電機的輸出特性。可調電阻的阻值為 1000，功率為 100

37、W。風力發(fā)電機的輸出特性檢測電氣原理圖如圖 3.5所示。南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析19圖 3.5 風力供電控制單元電氣原理圖3.23.2 風力供電主電路風力供電主電路風力供電由風力供電裝置和風力供電系統(tǒng)完成，風力供電主電路電氣原理如圖3.6 所示。繼電器 KA9 和繼電器 KA10 將單相 AC220V 通過接插座 CON9 提供給風場運動機構的單相交流電動機，單相交流電動機正、反轉由繼電器 KA9 和繼電器 KA10 分別完成。圖3.6 風力供電主電路電氣原理圖風力發(fā)電機的側風偏航是由直流電動機控制，直流電動機的工作電壓為+24V。繼南通紡織職業(yè)技術學院畢

38、業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析20電器 KA11 和繼電器 KA12 通過接插座 CON10 向直流電動機提供不同極性的直流電源，實現(xiàn)直流電動機的正、反轉。AC220V 電源通過開關 QF03 作為變頻器的輸入電源，接插座 CON12 將變頻器輸出的 3AC220V 電源供給風場的軸流風機。3.33.3 風力供電系統(tǒng)控制電路風力供電系統(tǒng)控制電路3.3.13.3.1 偏航及限位輸入信號偏航及限位輸入信號風力供電裝置和風力供電系統(tǒng)之間的電氣連接是由接插座完成。 接插座 CON10 CON10 除了在風力供電主電路使用外，其主要功能是作為側風偏航控制的電氣連接。CON10 有 9 個接線端

39、口，如圖 3.7 所示。CON10 的 2、3 接線端口是與風力供電系統(tǒng)接線排 XT2.7 和 XT2.8 相連接，CON10 的 4、5、6 接線端口分別與風力供電系統(tǒng)接線排 XT2.9、XT2.10、XT2.11 相連接，側風偏航初始位信號、側風偏航45位置信號、側風偏航 90位置信號分別被 PLC 的輸入端口 I1.1、I1.2、I1.3 接收。圖 3.7 側風偏航控制接插座接插座 CON11 CON11 有 5 個接線端口，如圖 3.8 所示，其主要功能是作為風場運動限位和風速儀信號檢測的電氣連接。CON11 的 3、4 接線端口分別與風力供電系統(tǒng)接線排 XT2.14、XT2.15 相

40、連接，分別被 PLC 的輸入端口 I1.4、I1.5 接收。南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析21圖 3.8 CON11 風場運動限位和風速儀信號檢測接插座南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析224 4 風力發(fā)電風力發(fā)電 PLC 控制系統(tǒng)分析控制系統(tǒng)分析4.14.1 西門子西門子 S7-200CPU224S7-200CPU2244.1.1S7-2004.1.1S7-200 CPU224PLCCPU224PLC 輸入輸出端口輸入輸出端口（1）IO 分配表該風力發(fā)電實訓裝置通過 PLC 實現(xiàn)對各部分的控制，PLC 的 IO 分配表如表 4.1

41、所示。表 4.1 IO 分配表序號輸入輸出配置序號輸入輸出配置1I0.0旋轉開關自動擋15Q0.0啟動按鈕指示燈2I0.1啟動按鈕16Q0.1順時按鈕指示燈3I0.2急停按鈕17Q0.2逆時按鈕指示燈4I0.3順時按鈕18Q0.3側風偏航按鈕指示燈5I0.4逆時按鈕19Q0.4恢復按鈕指示燈6I0.5側風偏航按鈕20Q0.5停止按鈕指示燈7I0.6恢復按鈕21Q0.6繼電器 KA9 線圈8I0.7停止按鈕22Q0.7繼電器 KA10 線圈9I1.0風速檢測信號23Q1.0繼電器 KA11 線圈10I1.1側風偏航初始位開關24Q1.1繼電器 KA12 線圈11I1.2側風偏航 45到位開關25

42、1M0V12I1.3側風偏航 90到位開關262M0V13I1.4風場機構順時到位開關271L+24V14I1.5風場機構逆時到位開關282L+24V（2）PLC 的 IO 接線圖南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析23圖 4.2 S7-200CPU224 輸入輸出接口圖4.24.2 風力風力 PLCPLC 程序程序南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析24南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析25南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析26南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析27南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置分析28南通紡織職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 風力供電系統(tǒng)實訓裝置