基于PLC的風(fēng)力發(fā)電機主控系統(tǒng)設(shè)計

基于PLC的風(fēng)力發(fā)電機主控系統(tǒng)設(shè)計

學(xué)校：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)班級：電子09-1班學(xué)號：200910203026姓名：崔學(xué)超指導(dǎo)教師：高和亮校外指導(dǎo)：付強目錄1：風(fēng)力發(fā)電的意義2：我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r1：風(fēng)力發(fā)電主控系統(tǒng)工作原理2：偏航控制原理3：偏航控制機構(gòu)1：偏航控制系統(tǒng)過程分析2：偏航控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3:偏航控制系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)論一：風(fēng)力發(fā)電的意義與發(fā)展?fàn)顩r二：風(fēng)力發(fā)電主控系統(tǒng)三：偏航控制系統(tǒng)設(shè)計及結(jié)果分析風(fēng)力發(fā)電的意義可以提供經(jīng)濟發(fā)展的能源需求可以減少溫室氣體的排放可以提高能源的利用效率可以增加就業(yè)機率，也可以減輕社會的負(fù)擔(dān)由此可見：風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展意義非常重大，既減少了對石油、煤等化石類能源的依賴，也減少了社會的環(huán)境污染；還能增加創(chuàng)造的就業(yè)，提高部分地區(qū)經(jīng)濟的快速增長。風(fēng)力發(fā)電是社會成熟的、效率的最為有用的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)之一，且具有無可比擬的優(yōu)勢。我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r中國地域廣闊，風(fēng)能資源非常豐富。尤其是對于風(fēng)能技術(shù)的可開發(fā)量，據(jù)中國氣象科學(xué)研究院的保守估算，全國陸地可開發(fā)利用風(fēng)能大約2.53億千瓦（依據(jù)陸地面積以上10m高度的風(fēng)力資料來計算），海上的可開發(fā)利用風(fēng)能約7.5億千瓦，總計約10億千瓦。據(jù)國際研究機構(gòu)的初步預(yù)算，其中不包括新疆、西藏等一些西部的地區(qū)，我國風(fēng)能密度在299W/m平方以上的陸地已超過65萬平方公里，這些地方可以安裝風(fēng)力發(fā)電機，安裝風(fēng)力發(fā)電機37億千瓦的發(fā)電設(shè)備;風(fēng)能密度在420W/m平方以上的陸地面積更是超過了28萬平方公里，可以安裝14億千瓦的發(fā)電設(shè)備。假如考慮海上，我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可能將會超過20億千瓦。風(fēng)力發(fā)電機一般是由葉片、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、變槳距裝置、塔架及控制系統(tǒng)等主要部分所組成。

本次設(shè)計主要是針對偏航系統(tǒng)的控制來進行的。偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的重要組成部分。它有兩個功能：首先是使風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，來保證風(fēng)輪處于迎風(fēng)狀態(tài)；其次是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組由于偏航作用，機艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞，可以自動解除纏繞。風(fēng)力發(fā)電主控系統(tǒng)偏航系統(tǒng)控制原理

風(fēng)向標(biāo)是一種感應(yīng)元件，它可以感應(yīng)到風(fēng)向，首先，當(dāng)有風(fēng)時，并且風(fēng)向產(chǎn)生變化時，風(fēng)向的變化就會產(chǎn)生一種信號，而風(fēng)向標(biāo)就會把這種風(fēng)向變化信號轉(zhuǎn)換為電信號并且傳遞到偏航電機控制回路處理器中，而偏航電機控制回路處理器就會比較風(fēng)向標(biāo)傳送過來的電信號，當(dāng)發(fā)現(xiàn)它們不一致時，偏航電機控制回路處理器就給偏航電機發(fā)出正確的偏航指令。當(dāng)對風(fēng)結(jié)束后，風(fēng)向標(biāo)將會失去電信號，電機就會停止轉(zhuǎn)動，偏航過程結(jié)束。

偏航系統(tǒng)是一種高效的控制系統(tǒng)，它在偏航過程中，風(fēng)力機具是有識別功能，它總能找到最短路徑，使機艙轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度，以對準(zhǔn)風(fēng)向，這樣做具有非常重要的意義，因為這樣做就非常簡單的解決了電機的起動和轉(zhuǎn)向問題，使電機可以用最少的能量就完成了偏航任務(wù)，從而提高發(fā)電效率。當(dāng)然為了確定電機的正確轉(zhuǎn)向，從而使風(fēng)力機轉(zhuǎn)過最小路徑就能完成偏航任務(wù)，我們就必須弄清偏航角度與風(fēng)向角度和風(fēng)力機葉輪角度（也就是機艙角度）之間的相對關(guān)系。例如，我們拿水平軸風(fēng)力機來舉例，因為風(fēng)向是不斷變化的，所以它會從正反兩面吹向風(fēng)力機葉輪，我們首先得設(shè)定葉輪的垂直方向為法線方向，是風(fēng)向于法線方向的夾角，又因為風(fēng)可能會從不同的方向吹過來，所以風(fēng)向夾角（風(fēng)向與法線的夾角）可能會有變化。當(dāng)然前提是法線固定，所以我們必須固定迎風(fēng)面法線為固定法線。對于風(fēng)向角的兩種情況，我們分別來討論：偏航控制機構(gòu)風(fēng)向傳感器

需要說明的是風(fēng)力機上安裝的風(fēng)向、風(fēng)速計與氣象和氣候分析所用的測風(fēng)設(shè)備不同有一些區(qū)別。具體有以下兩個方面：

（1）因為只用于控制偏航系統(tǒng)的工作，并不用于風(fēng)向、風(fēng)速的精確計量，因此通常精度較低。

（2）風(fēng)向儀安裝在機艙頂部隨機艙一起轉(zhuǎn)動，因此只能測量出機艙與來風(fēng)方向的大致角度，以判斷從哪個方向偏航對風(fēng)，并不能檢測出風(fēng)的實際方向。因此風(fēng)力機上所使用的風(fēng)向儀和測風(fēng)裝置上的風(fēng)向儀在結(jié)構(gòu)和原理上有很大區(qū)別。主要使用的風(fēng)向儀的結(jié)構(gòu)與原理圖自動偏航

為了使風(fēng)力發(fā)電機吸收的功率最大，發(fā)揮最大效能，機艙必須準(zhǔn)確對風(fēng)；因此必須使葉輪法線方向與風(fēng)向基本一致。當(dāng)風(fēng)向改變，超過允許誤差范圍時，系統(tǒng)計算機發(fā)出自動偏航指令，傳感器和偏航電機組成的對風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動作，使機艙準(zhǔn)確對風(fēng)。在實際的偏航控制中，帶有解纜傳感器的自動偏航控制過程分析：連續(xù)一段時間檢測風(fēng)向情況；根據(jù)自動偏航風(fēng)向標(biāo)傳感器ASS信號給出偏航控制指令。當(dāng)ASS=00時，表明機艙己處于對風(fēng)位置；若ASS=11，則表明進行的是鈍角偏航，為了有效地防止電纜纏繞，讀上次鈍角偏航方向并取其反方向，記錄此次偏航方向；若ASS=01，設(shè)置偏航電機正轉(zhuǎn)，若ASS＝10，設(shè)置偏航電機反轉(zhuǎn)；偏航電機工作后啟動偏航計時器計時，控制偏航電機運轉(zhuǎn)一定時間，再判斷ASS是否為00，若ASS=00，表明機艙已對風(fēng)，否則判斷計時時間是否超過偏轉(zhuǎn)360度所需時間，若計時時間超過偏轉(zhuǎn)360度所需時間偏航電機仍未停止工作，則停止偏航，向中心控制器發(fā)出安全停機信號和風(fēng)向標(biāo)故障信號。若ASS＝11，偏航計時時間不超過偏轉(zhuǎn)360度所需時間時，控制偏航電機繼續(xù)運轉(zhuǎn)，直到ASS=00，向中心控制器發(fā)出自動偏航完成信號并復(fù)位自動偏航標(biāo)志位。自動偏航傳感器ASS狀態(tài)示意圖，如圖3.1所示，參數(shù)說明和電機運行狀態(tài)如表3.2所示。偏航系統(tǒng)控制過程分析圖3.1自動偏航傳感器狀態(tài)示意圖（虛線表示風(fēng)向標(biāo)0度位置）表3.2自動偏航傳感器ASS說明和電機運行狀態(tài)偏航控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

偏航系統(tǒng)的硬件主要有:偏航電機、紐纜開關(guān)、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、PLC。各部分的功能：

偏航電機：可以調(diào)整機艙葉片的角度，使它對準(zhǔn)風(fēng)吹來的方向。紐纜開關(guān)：用于反饋信號。風(fēng)速風(fēng)向傳感器：可以把風(fēng)速、風(fēng)向信號自動處理為電信號，并且將處理后的電信號傳送到PLC中。偏航控制系統(tǒng)設(shè)計各組成器件簡介、選型及原理偏航控制系統(tǒng)設(shè)計的組成器件有五種，分別為：風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)、偏航電機、紐纜開關(guān)、PLC。風(fēng)速儀：INT10；風(fēng)向標(biāo)：INT30；偏航電機：1.5MW機組，偏航電機采用2.85KW380V的三相電機，額定轉(zhuǎn)速1460rpm；

紐纜開關(guān)：德國易福門電子FRB8E1NK，供電電源是：10～25VDC，200mA。PLC：型號是西門子S7-200模擬量擴展模塊為EM235；

偏航控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖偏航控制系統(tǒng)輸出控制結(jié)果

一般情況下，風(fēng)電機會處于自動偏航狀態(tài)，它會自動調(diào)節(jié)風(fēng)向與機艙位置夾角

當(dāng)機艙向相同的方向轉(zhuǎn)動2周時，控制系統(tǒng)會進行自動解纜控制，這樣就避免了器件的損壞和電纜的絞死。結(jié)論

風(fēng)能，它作為一種可再生的“綠色能源”已經(jīng)越來越受到世界上各個國家的重視。對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說，它是一種典型的機電一體化技術(shù)控制系統(tǒng)，它還涉及到到空氣動力學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)科學(xué)和領(lǐng)域，我們開展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究是具有非常深遠(yuǎn)的意義的。伴隨著《可再生能源法》在我國的正式啟動與實施，《可再生能源法》肯定會促進我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的蓬勃發(fā)展。對于在中國能源與環(huán)境形勢相當(dāng)嚴(yán)峻的情況，為了促進可再生能源的穩(wěn)定發(fā)展，使可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，有效減緩礦物燃料帶來的環(huán)境污染問題，促進我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。所以風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟效益是巨大的。目前，研究人員對風(fēng)力發(fā)電的研究主要限于電氣方面的研究，并為風(fēng)力發(fā)電機組主——機械零件很少涉及。本文是對風(fēng)力發(fā)電機組偏航控制系統(tǒng)的機械部分進行了研究。對于風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)，本文主要做了