基于PLC的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)—本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、 基于plc的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：近年來隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷改善，在世界范圍內(nèi)石油、煤炭這些不可再生資源的使用量已經(jīng)大大超過環(huán)境所能承受的范圍，燃燒發(fā)電廠產(chǎn)生的污染物也對(duì)地球環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)影響。然而風(fēng)能是一種清潔、可再生的能源，在發(fā)電這一領(lǐng)域具有巨大的開發(fā)潛力和商業(yè)活力。隨著科技的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)和可編程控制的科研水平在提升，這對(duì)于風(fēng)電控制的研究又提供了新的途徑。針對(duì)風(fēng)能具有隨機(jī)性、不確定性的特點(diǎn)，本文用西門子可編程控制器s7-200來對(duì)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行控制。主要內(nèi)容包括電氣原理圖和設(shè)計(jì)流程圖的繪制，plc、電氣元件的選型，發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)控制、偏航控制、溫度控制和變壓器控制等

2、。在論文中給出詳細(xì)的控制原理解釋和各模塊的功能介紹，并配有每一模塊的控制程序。最后進(jìn)行相關(guān)調(diào)試和仿真，利用step7-micro/win32編程軟件對(duì)plc程序進(jìn)行調(diào)試、仿真運(yùn)行和在線診斷等，使仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；可編程控制器；偏航；溫度控制the control system of wind power based on plcabstract：in recent years, with the continuous development of the economy and peoples living standards continue to improve, i

3、n the scope of world petroleum, oil and coal these non-renewable resource consumption was significantly more than the environment can stand. combustion power generation of pollutants generated also produced negative effect to the environment of the earth. however, the wind energy is a clean, renewab

4、le energy power generation, it has tremendous development potential and business activity in this area. with the progress of science and technology, computer and programmable control of the level of scientific research in ascension, for wind power control research provides a new way. in this paper,

5、aiming at these characteristics of uncertainty and randomness wind energy, we can use siemens programmable controller s7-200 to wind power control. the main contents include drawing the corresponding electrical schematic diagram and the flow chart, selecting the plc and electrical components, turbin

6、e start-up control, yaw control, temperature control, transformer control and so on. in this paper, it gives detailed explanation of the control principle and the function of each module and control program. finally, it needs testing and simulation, using of step7-micro/win32 programming software fo

7、r the plc program debugging, simulation and online diagnosis and so on, so that the simulation results meet the design requirements.key words：wind power generation; programmable controller; yaw; temperature control目 錄1 引言1.1 選題背景與意義自然界的風(fēng)，是由于大氣運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的自然形式。大氣運(yùn)動(dòng)則是因?yàn)榇髿馐艿教?yáng)的輻射，能量來源于大氣吸收的部分太陽(yáng)能，太陽(yáng)到達(dá)地球輻射的20%

8、會(huì)轉(zhuǎn)變成風(fēng)能。人類對(duì)于風(fēng)能利用的歷史久遠(yuǎn)，可以追溯到公元10世紀(jì)，波斯就出現(xiàn)了種水平轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)磨，即為以風(fēng)車為動(dòng)力的磨坊。公元12世紀(jì)時(shí)，歐洲開始使用風(fēng)車來抽水，碾磨谷物，海航中利用風(fēng)帆來推進(jìn)船只前進(jìn)等。此后，風(fēng)車和風(fēng)帆一直是人們主要的動(dòng)力機(jī)械。到19世紀(jì)中葉蒸汽機(jī)出現(xiàn)之后，以風(fēng)能為主能源的應(yīng)用才逐漸減少。中國(guó)開始利用風(fēng)車作為動(dòng)力大約在13世紀(jì)中葉。現(xiàn)在人們所說的風(fēng)能利用主要是指風(fēng)力發(fā)電。最早的風(fēng)車是由一位名叫阿布羅拉的古波斯奴隸發(fā)明的1，它就是一種簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在此后的時(shí)代中，這種風(fēng)能的技術(shù)從中東傳入歐洲，荷蘭人利用風(fēng)車進(jìn)行排水，與海爭(zhēng)地，在低洼的海灘上建設(shè)強(qiáng)大的國(guó)家。19世紀(jì)丹麥人首先研

9、制出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在1891年丹麥建成世界上第一座風(fēng)力發(fā)電站。此后在20世紀(jì)，風(fēng)力發(fā)電蓬勃發(fā)展。21世紀(jì)開始，風(fēng)能成為世界能源供應(yīng)的支柱之一。風(fēng)能是種取之不盡、用之不竭的可再生能源之一。它的特點(diǎn)是生產(chǎn)運(yùn)用過程安全清潔，成本花費(fèi)較低，來源不受限制。風(fēng)能也是種最具商業(yè)潛力，最具發(fā)展活力的綠色能源，運(yùn)用于發(fā)電這一領(lǐng)域有很大的運(yùn)用空間。風(fēng)力發(fā)電具有裝機(jī)容量增長(zhǎng)快，成本下降快，安全環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。風(fēng)力發(fā)電在為社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)的同時(shí)，可以有效地緩解空氣污染、水體污染和溫室效應(yīng)問題。在各類新能源開發(fā)利用中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對(duì)于其他能源開發(fā)是比較成熟的，并且具有大規(guī)模場(chǎng)地開發(fā)和商業(yè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)的

10、條件。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。大規(guī)模推廣風(fēng)力發(fā)電不僅在節(jié)能減排工作上做出了積極的貢獻(xiàn)，而且這種能源開發(fā)方式的理念在社會(huì)和人群中得到廣泛的支持。在全球能源危機(jī)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。近代風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展可以分為三個(gè)階段2：第一階段，在20世紀(jì)70至80年代。人們證明了風(fēng)能可以用來發(fā)電，風(fēng)的許多特點(diǎn)是可以被人們加以利用和控制的。丹麥和美國(guó)的研究水平提升最快，風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量也從幾十瓦發(fā)展到百千瓦。第二階段，20世紀(jì)末。風(fēng)電技術(shù)逐步成熟，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)成規(guī)模發(fā)展，并建立了穩(wěn)定的商業(yè)模式。技術(shù)較為成熟的專業(yè)制造企業(yè)

11、大量出現(xiàn)，單機(jī)容量從百千瓦提高到幾百千瓦，變漿機(jī)組技術(shù)成熟并進(jìn)入市場(chǎng)，與失速機(jī)組在競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)展。第三階段，21世紀(jì)初。兆千級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為主要趨勢(shì)，海上風(fēng)電開始大規(guī)模發(fā)展。隨著單機(jī)容量提高，為應(yīng)對(duì)極限載荷和疲勞載荷的挑戰(zhàn)，新的直驅(qū)變速變漿和雙饋?zhàn)兯僮儩{逐步成為兆千級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流技術(shù)。在風(fēng)電領(lǐng)域中引入新技術(shù)，例如計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)的控制技術(shù)，這一舉措使得風(fēng)電機(jī)組的控制方式從單一的定漿距失速式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑模阶儤嘧兯偈降?。主要的控制方式有人工手?dòng)調(diào)控，計(jì)算機(jī)模擬，上下通信，預(yù)測(cè)調(diào)控，微控制器自動(dòng)檢測(cè)調(diào)控等。在智能化的風(fēng)電領(lǐng)域中，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁力矩和風(fēng)電機(jī)輪片槳距角使葉尖速比保持在最佳值

12、，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力的最大能量獲取。利用風(fēng)速風(fēng)向、風(fēng)力測(cè)量?jī)x檢測(cè)實(shí)際模擬量和數(shù)字量或是電功率，傳遞給主控制器進(jìn)行運(yùn)算處理，控制器做出相應(yīng)的控制措施，調(diào)整輪片轉(zhuǎn)速，偏航角度等。但在隨機(jī)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(jiǎn)單的控制方法也會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。所以在國(guó)際國(guó)內(nèi)范圍內(nèi)，研究人員都致力于最合適的控制方式，例如模糊邏輯控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制，魯棒控制等。使風(fēng)電控制相自動(dòng)化智能化一體化方向發(fā)展?；诂F(xiàn)在風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的幾個(gè)主要趨勢(shì)，本文主要研究風(fēng)電機(jī)的控制策略和控制方法，由于外界因素影響大，導(dǎo)致風(fēng)不穩(wěn)定，而且風(fēng)電機(jī)組的容量逐步增大不適宜適應(yīng)多變的外界環(huán)境，風(fēng)電系統(tǒng)和電網(wǎng)之間聯(lián)系也越來越復(fù)雜，

13、所以對(duì)控制方法要求很高?；趐lc為主控制器的系統(tǒng)，邏輯功能強(qiáng)大，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程方便，便于擴(kuò)展，通用性強(qiáng)，使用安全便捷，能夠直接反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的變化狀態(tài)，達(dá)到有效高速地控制整個(gè)系統(tǒng)的目的。本文運(yùn)用可編程控制器西門子s7-200作為主控制器，通過啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，偏航控制，變壓器控制和溫度控制等幾個(gè)模塊設(shè)計(jì)，對(duì)不穩(wěn)定的風(fēng)做出相應(yīng)的控制，使得風(fēng)能得到最大程度的利用。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)的風(fēng)能資源分布：我國(guó)風(fēng)能資源的地區(qū)區(qū)域差異大。沿海、內(nèi)蒙古和甘肅北部、黑龍江南部和吉林東部三個(gè)區(qū)域風(fēng)能最多；青藏高原中部和北部、西北、華北、東北三區(qū)域的北部，東南沿海的風(fēng)能資源豐富；山區(qū)

14、，例如南嶺、武夷山地區(qū)，遼河、華北、長(zhǎng)江中下游平原、西北高原地區(qū)，風(fēng)能可待開發(fā)利用；云貴川陜西、豫西、鄂北、湘西、福建廣東，盆地地形區(qū)等風(fēng)能貧乏。我國(guó)風(fēng)能資源的分布除了具有空間上的差異以外，在時(shí)間上也有很大的差異。東部沿海地區(qū)，夏季風(fēng)勢(shì)力強(qiáng)勁，風(fēng)能資源主要集中在夏季。而北方以及西北內(nèi)陸地區(qū)，冬季風(fēng)勢(shì)力強(qiáng)勁，所以這些地區(qū)風(fēng)能資源主要集中在冬季。我國(guó)政府在2007年制定了可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃，力求達(dá)到2010年和2020年風(fēng)電裝機(jī)容量要到達(dá)1000萬(wàn)千瓦和3000萬(wàn)千瓦的目標(biāo)，并且制定了風(fēng)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的政策3。2005年中國(guó)除臺(tái)灣省外裝機(jī)容量50.3萬(wàn)千瓦。與2004年當(dāng)年新增裝機(jī)19.8萬(wàn)千

15、瓦相比，2005年當(dāng)年新增裝機(jī)增長(zhǎng)率達(dá)到了254%。2008年，我國(guó)的新增裝機(jī)容量已達(dá)到630萬(wàn)千瓦,我國(guó)總裝機(jī)容量翻兩倍達(dá)到了1200萬(wàn)千瓦，已達(dá)到了上面所說的2010年風(fēng)電裝機(jī)1000萬(wàn)千瓦的目標(biāo)。在2010年，我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量已超過3000萬(wàn)千瓦，而2020年則有望突破1億千瓦或者1.2億千瓦的風(fēng)電裝機(jī)容量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要零部件像是輪片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、電控系統(tǒng)、塔架等已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，并且可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。我國(guó)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。（2）單機(jī)容量進(jìn)一步增大。（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(jì)

16、算機(jī)分布式控制技術(shù)和新的控制理論應(yīng)用。（4）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更加個(gè)性化。圖1-1 我國(guó)風(fēng)能資源分布圖1.2.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r在20世紀(jì)70年代，以美國(guó)為主的西方國(guó)家發(fā)生石油危機(jī)波及全球范圍后，許多國(guó)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(dòng)力學(xué)理論，運(yùn)用新型材料，電機(jī)，可編程控制器，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)，自動(dòng)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(jī)組，充分利用豐富的風(fēng)能資源，開創(chuàng)了一個(gè)綠色風(fēng)能時(shí)代。在技術(shù)方面，美國(guó)，丹麥，德國(guó)等科技實(shí)力強(qiáng)勁的國(guó)家向風(fēng)電機(jī)偏航控制，變槳距控制，調(diào)整失速控制，自動(dòng)化調(diào)控等各方面進(jìn)行開發(fā)，他們建立了各種基于計(jì)算機(jī)技

17、術(shù)的風(fēng)能資源的測(cè)量，傳感和模擬系統(tǒng)，擴(kuò)展了空氣動(dòng)力學(xué)方面的理論知識(shí)，研制出了新一代的電機(jī)，例如具有變速發(fā)電機(jī)、變極發(fā)電機(jī)、變速恒頻發(fā)電機(jī)、變滑差發(fā)電機(jī)、步進(jìn)低速發(fā)電機(jī)等。開發(fā)種由計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)或單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的組群的自動(dòng)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。海上風(fēng)電場(chǎng)是最近世界范圍內(nèi)廣泛推廣使用的大型有效利用風(fēng)能資源的形式，在1980年初在美國(guó)加利福尼亞首先興起。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(qiáng)大，可以大規(guī)模采取進(jìn)行發(fā)電。不過在海陸線上建設(shè)風(fēng)力發(fā)電廠還存在技術(shù)的難度，需要投入巨額資金裝備和維護(hù)，所以在美國(guó)，德國(guó)，中國(guó)等這

18、樣的大國(guó)才進(jìn)行投產(chǎn)建設(shè)。2003年底，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘客黄?000萬(wàn)千瓦，風(fēng)力發(fā)電占全球電力供應(yīng)的0.5。過去5年全球風(fēng)電裝機(jī)容量年平均增長(zhǎng)速度超過26.3，2003全球的新增風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過830萬(wàn)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(jì)到2020年可望達(dá)到1200億美元。近年來美國(guó)的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展最高端，新增裝機(jī)容量169萬(wàn)千瓦，總裝機(jī)容量達(dá)到636萬(wàn)千瓦。美國(guó)風(fēng)電年均平增速達(dá)到了24，有超過30個(gè)州建成了風(fēng)電場(chǎng)。毋庸置疑，全球最重要的風(fēng)電市場(chǎng)之一是美國(guó)，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。全世界風(fēng)力發(fā)電

19、發(fā)展速度最快是歐洲。歐洲也是風(fēng)電設(shè)備裝設(shè)最多的一大洲。20世紀(jì)初時(shí)歐洲地區(qū)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量為2930萬(wàn)千瓦，約占全球風(fēng)電總裝機(jī)容量的73。盡管2003年歐洲風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)的勢(shì)頭。亞洲地區(qū)風(fēng)力發(fā)電與西方國(guó)家相比發(fā)展相對(duì)比較緩慢，除了印度中國(guó)，其它國(guó)家風(fēng)電裝機(jī)容量都很小。2011年全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量超過41000mw3，目前全球風(fēng)電總裝機(jī)容量已經(jīng)超過238000kw。這表明去年風(fēng)電市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率達(dá)6%，總量同比增長(zhǎng)超過21%。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(yíng)項(xiàng)目的75

20、個(gè)國(guó)家中，超過22個(gè)國(guó)家裝機(jī)容量已逾1gw。就發(fā)展相對(duì)成熟的歐美風(fēng)電市場(chǎng)來看，歐洲去年新增裝機(jī)9.6gw，總裝機(jī)容量上升至94gw，這一數(shù)字支撐著歐洲6.3%的用電需求。美國(guó)風(fēng)電行業(yè)去年新增裝機(jī)6.8gw，形勢(shì)有所回落。過去幾年風(fēng)電裝機(jī)量在美國(guó)的新增裝機(jī)里占到了三分之一，而且正在努力實(shí)現(xiàn)到2030年使風(fēng)電能提供美國(guó)20%的用電量的目標(biāo)，這也是布什政府之前的政策之一。索耶爾對(duì)2012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?！眹?guó)際風(fēng)電發(fā)展方向有以下幾方面：（1）變速恒頻機(jī)組應(yīng)運(yùn)而

21、生。（2）定槳距機(jī)組逐步向變槳距機(jī)組轉(zhuǎn)換。（3）葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部件不斷在可靠性、大型化。（4）控制與監(jiān)控技術(shù)不斷完善。（5）海上風(fēng)能利用技術(shù)及其風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)受到重視。（6）致力于風(fēng)力發(fā)電成本不斷下降。1.3 主要內(nèi)容及章節(jié)安排在本文中，設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)，主控制器為可編程控制器西門子s7-200。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?？刂茩C(jī)組應(yīng)具有輪片隨風(fēng)向變化而變化的動(dòng)作且具有恒功率輸出的表現(xiàn)，傳感器對(duì)風(fēng)向標(biāo)的夾角進(jìn)行檢測(cè)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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

22、，對(duì)電力傳輸能夠施以嚴(yán)格的管理控制。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)；如何假設(shè)建立個(gè)風(fēng)力發(fā)電硬件模擬設(shè)備組，如何有效合理地分配i/o地址，如何正確繪制各個(gè)功能的電路圖，如何編制plc程序，如何進(jìn)行上下位機(jī)聯(lián)調(diào)模擬等。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。從風(fēng)力發(fā)電相比不可再生資源發(fā)電具有的優(yōu)勢(shì)和plc控制的好處這兩個(gè)方面介紹基于plc風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意義。文中又介紹了風(fēng)力發(fā)電的歷史，國(guó)內(nèi)、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀與研究趨勢(shì)。最后列舉了設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和各章節(jié)的安排。第二章主要介紹了發(fā)電機(jī)組的組

23、成和空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。文中說道風(fēng)電機(jī)組是由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架以及控制系統(tǒng)這四個(gè)部分組成且詳細(xì)描述了各部分的結(jié)構(gòu)、功能等。在風(fēng)能理論中介紹了風(fēng)速和風(fēng)能的意義。第三章和第四章是本論文中的重點(diǎn)部分。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。第四章則是控制程序的具體分析，針對(duì)各控制功能列出程序進(jìn)行詳細(xì)解說，最后形成控制總程序。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。利用step7-micro/win32軟件輸入程序，查錯(cuò)調(diào)試，連接實(shí)驗(yàn)電路板，進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)觀察結(jié)果判斷程序正確與

24、否。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。附錄中給出了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路圖。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。 按照現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)技術(shù)，風(fēng)速3m/s左右的微風(fēng)即可以開始發(fā)電。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。2.1 風(fēng)電機(jī)組組成部分介紹 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，按其容量可大小以劃分為小型風(fēng)電機(jī)組（10kw以下），中型風(fēng)電機(jī)組（10100kw），大型風(fēng)電機(jī)組（100kw以上）

25、；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）。最早最簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由葉輪和發(fā)電機(jī)兩個(gè)部分組成，站立于一定高度的塔上。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。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(jī)系統(tǒng)等部件更加有效地使用風(fēng)能。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2-1表示風(fēng)機(jī)各個(gè)部分的組成。圖2-1 風(fēng)電機(jī)組的組成2.1.1 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。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)

26、最重要的部件，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)區(qū)別于其他發(fā)電機(jī)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(jī)械能。而風(fēng)輪軸則將能量給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qiáng)度、硬度、密度以及使用壽命。一般葉片具有高硬度，高強(qiáng)度，低密度等特點(diǎn)。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。輪轂是將葉片和葉片組固定到主轉(zhuǎn)軸上的裝置。它的作用是葉片的力和力矩傳遞到主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中。輪轂有固定式和鉸鏈?zhǔn)絻煞N。風(fēng)輪軸也叫主軸、低速軸，它在風(fēng)輪以及齒輪箱之間。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。風(fēng)輪軸有較高的綜合機(jī)械性

27、。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。2.1.2 機(jī)艙及其組件 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙承擔(dān)容納所有的機(jī)械零部件，起到支撐作用。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(wú)層件剝離等特點(diǎn)。其中包含齒輪箱、發(fā)電機(jī)等主要部件。機(jī)艙的左邊是風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子（葉片與風(fēng)輪軸）。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包含增速器、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)和聯(lián)軸器等4，它是用于傳遞機(jī)械能，并且將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。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。聯(lián)軸器與制動(dòng)器往往設(shè)計(jì)在一起。 發(fā)電機(jī)是將

28、傳動(dòng)軸傳給的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝備。一般選用直流發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)等作為風(fēng)電專用發(fā)電機(jī)。 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。葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過齒輪的傳動(dòng)遞給發(fā)電機(jī)。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。齒輪箱按照傳動(dòng)的方式可以分為：展開式，分流式，同軸式和混合式。圖2-2展示了齒輪箱的樣式。圖2-2 風(fēng)力發(fā)電齒輪箱 偏航系統(tǒng)也稱作對(duì)風(fēng)裝置，被安裝在機(jī)艙座內(nèi)。它的作用是調(diào)控葉片隨著風(fēng)向變化而變

29、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；當(dāng)機(jī)艙內(nèi)引出電纜發(fā)生纏繞時(shí)，它會(huì)自動(dòng)解纜。2.1.3 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)部配置線纜還必須將發(fā)電機(jī)運(yùn)作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網(wǎng)。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)。塔架的幾種基本形式：?jiǎn)喂芾€式，衍架拉線式，衍架式和錐筒式。2.1.4 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

30、，它關(guān)系到系統(tǒng)中每一個(gè)部件的動(dòng)作和狀態(tài)。通常使用plc，或者dsp微機(jī)處理器作為控制器件，它們功能強(qiáng)大，能夠應(yīng)付惡劣的工作環(huán)境，所以受到廣泛應(yīng)用?？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)；若出現(xiàn)故障或者遇到異常情況可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)到并且分析原因，做出相應(yīng)的保護(hù)措施或停機(jī)?？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2-3為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)示意圖。圖2-3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)2.2 風(fēng)能理論簡(jiǎn)介2.2.1 風(fēng)速和風(fēng)能瞬時(shí)風(fēng)速是指風(fēng)速的瞬時(shí)值8。它只可給出相

31、關(guān)風(fēng)的近似概念，并且因?yàn)閭鞲衅鞯膽T性作用，風(fēng)速的瞬時(shí)值只能近似地測(cè)量。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：v=vm+v （2.1） 風(fēng)速為v，當(dāng)風(fēng)吹過葉輪時(shí)，葉輪受力轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)m為氣體質(zhì)量，為空氣密度。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 （2.2）單位時(shí)間里氣體流過截面s的氣體體積是v，那么v=sv （2.3） 單位氣體體積的質(zhì)量為m=v=vs （2.4） 流動(dòng)氣體具有的動(dòng)能為e=mv2=v3s （2.5） 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。氣體密度和速度都隨著海拔高度的變化而變化。p為

32、當(dāng)?shù)卮髿鈮?，t為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，則氣體密度計(jì)算公式：= （2.6） （2.6） 2.3 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。最后還介紹了相關(guān)的風(fēng)能理論知識(shí)。3 設(shè)計(jì)方案和電氣元件選型3.1 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?？刂品矫娴墓ぷ髟砑斑^程為：當(dāng)系統(tǒng)的總開關(guān)合上后，可編程控制器初始化，測(cè)速傳感器感知到風(fēng)速模擬信號(hào)a/d轉(zhuǎn)換后并且傳輸給plc，處理中心則將模擬量與額定參數(shù)進(jìn)行比較，若在參數(shù)范圍內(nèi)則啟動(dòng)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)，不在參數(shù)范圍內(nèi)則報(bào)警手動(dòng)停機(jī)。發(fā)電機(jī)運(yùn)作后

33、，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。一般設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備如果遇到突發(fā)情況，沙塵暴或是暴風(fēng)，風(fēng)速突然加大，測(cè)速傳感器要及時(shí)傳送模擬量，經(jīng)plc分析后立即做出停機(jī)措施。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。據(jù)系統(tǒng)功能的要求，本文將對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)控制，偏航控制、溫度模糊控制以及變壓器控制著重進(jìn)

34、行研究?？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。了解該設(shè)計(jì)所需用到的電器元件，對(duì)各種元件進(jìn)行選型。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)；（2）事先編制好風(fēng)向標(biāo)夾角的角度區(qū)間，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jìn)行控制，運(yùn)作向左偏航電機(jī)或者向右偏航電機(jī)，使之偏轉(zhuǎn)到合適風(fēng)向范圍內(nèi)；（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

35、采用pid控制方法。系統(tǒng)內(nèi)分為機(jī)艙控制單元與塔架控制單元，打開進(jìn)氣閥排放冷氣流，間隔一定時(shí)間檢測(cè)室溫，溫度太高則使得進(jìn)氣閥繼續(xù)進(jìn)氣，溫度低于設(shè)定值停止進(jìn)氣，使得溫度恒定在安全范圍內(nèi)；（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。3.1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本文中，控制方式將采取順序控制和中斷控制。主要流程如下：?jiǎn)?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)。在正常風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，接下來進(jìn)行各類控制，控制的目的是使風(fēng)力得到最大程度的利用。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)

36、頭部隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)，還可以防止繞纜的危險(xiǎn)；然后是溫度模糊控制，控制對(duì)象是機(jī)艙和塔架內(nèi)部這兩部分使溫度保持在恒定數(shù)值。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。最后是變壓器的控制。圖3-1表示這個(gè)系統(tǒng)流程框圖：y啟動(dòng)控制器初始化采集風(fēng)速參數(shù)大于額定參數(shù) 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)偏航控制停機(jī)溫度控制n變壓器控制圖 3-1 系統(tǒng)程序流程圖3.1.2 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。下來具體說明每個(gè)模塊的主要功能、控制過程以及控制流程圖。（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。風(fēng)速

37、傳感器采集了外界風(fēng)速模擬值，將風(fēng)速反饋給plc，假如風(fēng)速過大，不符合發(fā)電的風(fēng)速要求，若風(fēng)速太大或者太小，不穩(wěn)定狀況時(shí)，plc則可以向工作人員報(bào)警，工作人員可以選擇手動(dòng)停機(jī)；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。n發(fā)電機(jī)啟動(dòng)模塊的順序控制流程圖如下：ny圖 3-2 初始化啟動(dòng)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(jī)構(gòu)與偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5。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)機(jī)構(gòu)是用于驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)運(yùn)作，停止的，它包含有偏航驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置以及偏航軸承。偏航驅(qū)動(dòng)裝置常用伺

38、服電動(dòng)機(jī)和偏航減速齒輪。通常風(fēng)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)有三種控制方式：風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動(dòng)偏航、風(fēng)向標(biāo)控制90側(cè)風(fēng)和自動(dòng)解纜控制。其中風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動(dòng)偏航是偏航控制最主要的內(nèi)容。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。偏航控制系統(tǒng)的工作原理是通過風(fēng)向傳感器檢測(cè)外界風(fēng)向，將風(fēng)向模擬信號(hào)a/d轉(zhuǎn)換后傳遞給plc，plc內(nèi)部計(jì)算風(fēng)向的夾角，與參定值進(jìn)行比較是否達(dá)到要求，不符要求的話調(diào)整航向，plc需要發(fā)出信號(hào)給偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)艙轉(zhuǎn)變角度使之達(dá)到最佳的角度，從而使風(fēng)能的吸收率最大化6。這是個(gè)典型的位置伺服控制系統(tǒng)。偏航控制系統(tǒng)模塊主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)功能。在本文中，設(shè)

39、計(jì)一個(gè)偏航工作區(qū)間為145-215的控制系統(tǒng)，控制次數(shù)僅為一次。為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能達(dá)到最佳的效能，機(jī)艙必須對(duì)準(zhǔn)實(shí)時(shí)風(fēng)向。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。因此確定對(duì)風(fēng)目標(biāo)為風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面與風(fēng)向垂直。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。使得機(jī)艙能夠準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)7。偏航電機(jī)是電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。電機(jī)接電源后，制動(dòng)裝置的整流器也隨之接通電源，線圈通電產(chǎn)生磁力吸引銜鐵進(jìn)行制動(dòng)，經(jīng)過摩擦力矩的阻礙，電動(dòng)機(jī)即會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。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

40、制指令，當(dāng)角度為180時(shí)，表明機(jī)艙位置已對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，在171-189之間屬于測(cè)量傳感器誤差范圍內(nèi)，偏航系統(tǒng)將不做任何控制動(dòng)作。當(dāng)角度205之間，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作90秒。可以看出，偏轉(zhuǎn)10大約需要30秒，這是由電動(dòng)機(jī)的工作頻率與齒輪的齒數(shù)決定的8。以上所述的角度區(qū)間控制原理可以用圖3-3進(jìn)行表示：圖 3-3 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3-4，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(jìn)行偏航控制，必須將機(jī)艙水平軸撥到與風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直的位置。其中偏航電機(jī)的工作是根據(jù)不同的風(fēng)向夾角度，控制電機(jī)向左或向右持續(xù)偏轉(zhuǎn)一定時(shí)間，使風(fēng)向夾角度保持在一定的角度范圍內(nèi)。

41、圖 3-4 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(cè)溫度，送入plc的模擬量的輸入模塊，進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為與溫度成比例的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，plc將它與溫度參定值進(jìn)行比較，按照pid控制算法對(duì)誤差進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果再送入模擬量輸出模塊，進(jìn)行d/a轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，將電力設(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生的熱氣排出室外，并且控制冷卻機(jī)運(yùn)作，向室內(nèi)傳送冷氣流進(jìn)行降溫，這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。這一過程中，被控對(duì)象為機(jī)艙的溫度8。由于氣體壓力波動(dòng)，各元器件溫度各不相同，溫度不勻等擾動(dòng)因素影響，會(huì)破壞機(jī)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(dòng)因素的影響，使控制更加有效。

42、本文中，溫度控制模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)將采用pid控制。pid控制器因?yàn)榫哂胁恍枰豢貙?duì)象的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，有很強(qiáng)的靈活性、實(shí)用性，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以將有效地提高plc設(shè)計(jì)效率。c(t)- p(t)m(t)sp(t)e (t)機(jī)艙溫度控制plca/d圖3-5為機(jī)艙和塔架內(nèi)部溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)：d/a溫度傳感器圖 3-5溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)圖圖中sp(t)是給定值，p(t)是反饋量，c(t)是系統(tǒng)的輸出量，pid控制的輸入輸出關(guān)系式如下：m(t)=kce(t)+(1/ti)+(de(t)/)/dt+mo(t) (3.1)其中kc為比例系數(shù)，ti為積分時(shí)間常數(shù)，td為微分時(shí)間常數(shù)9。比例系數(shù)k

43、c反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，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(shì)變化。積分系數(shù)ti使得系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無(wú)靜差跟蹤。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(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。在這個(gè)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(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，并且方法簡(jiǎn)單、容易掌握。實(shí)驗(yàn)湊試法是通過閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)曲線，從而確定pid控制參數(shù)。

44、實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。第一進(jìn)行整定比例控制。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。e(k)et=0t(0.1s)p(k)kc*et=0t(0.1s)(a)偏差階躍變化 (b)比例整定作用圖 3-6 偏差階躍變化經(jīng)比例整定圖第二進(jìn)行整定積分環(huán)節(jié)。在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求時(shí)，則需要加入積分控制。將第一個(gè)步驟中選擇的比例系數(shù)減少到原來的50%-80%，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)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)。p(k)kc*et=0t(0.1

45、s)積分時(shí)間p(k)td*et=0t(0.1s)微分時(shí)間第三進(jìn)行是微分環(huán)節(jié)。經(jīng)過步驟二，pi控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，此時(shí)應(yīng)該加入微分控制，構(gòu)成pid控制。首先置微分時(shí)間td=0，逐漸加大td，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)湊試直至獲得滿意的控制效果。(a)積分整定作用 (b)微分整定作用圖 3-7 偏差階躍變化分別經(jīng)積分、微分整定圖p(k)t=0t(0.1s)圖 3-8 偏差階躍變化經(jīng)比例、積分和微分綜合整定圖根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)湊試法，對(duì)這個(gè)溫控系統(tǒng)進(jìn)行分析，分別反復(fù)湊試各個(gè)參數(shù)，得到最滿意的響應(yīng)曲線，圖3-9為系統(tǒng)經(jīng)pid各系數(shù)整定后的階躍響應(yīng)曲線。在測(cè)試比例系數(shù)kc

46、時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)系數(shù)越小，響應(yīng)曲線反應(yīng)越快，超調(diào)量越小，過渡過程越平穩(wěn)，但余差變大。系數(shù)越大，偏差也隨之變大，過渡過程容易震蕩。反復(fù)湊試確認(rèn)系統(tǒng)的比例系數(shù)為0.01，但余差比較大。測(cè)試積分系數(shù)ti時(shí)，將比例系數(shù)0.01減小到原來的一半，首先置積分系數(shù)為10.0，發(fā)現(xiàn)不能很好地消除由比例系數(shù)整定后產(chǎn)生的余差。逐步減小積分時(shí)間，積分作用由弱變強(qiáng)，消除余差的能力由弱變強(qiáng)。在湊試積分系數(shù)為3.0時(shí)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠較好地將余差消除，。消除了偏差，輸出停止變化。因?yàn)樵摐乜叵到y(tǒng)的特點(diǎn)具有大慣性、大滯后性，所以使用微分系數(shù)調(diào)節(jié)沒有效果。通常使用pi控制方式。因此，設(shè)定微分系數(shù)為0.0。設(shè)定系統(tǒng)采樣時(shí)間為0.1s。圖

47、3-9 溫控pid參數(shù)整定階躍響應(yīng)圖 在這個(gè)溫度控制系統(tǒng)中，機(jī)艙和塔架內(nèi)部的溫度設(shè)定值、增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間和微分時(shí)間都已在程序中設(shè)定，溫度設(shè)定值為0.616，增益為0.01，采樣時(shí)間為0.1，積分時(shí)間為3.0，微分時(shí)間為0.0。溫度pid機(jī)艙pid設(shè)定參數(shù)和塔架內(nèi)部pid設(shè)定參數(shù)一樣。溫度設(shè)定值0.616表示實(shí)際溫度為25。計(jì)算25由公式3.1帶入各系數(shù)具體值得到的。只要啟動(dòng)溫控系統(tǒng)，進(jìn)氣閥就會(huì)放冷氣流進(jìn)入降溫，檢測(cè)室溫，過程變量高于溫度設(shè)定值，繼續(xù)進(jìn)氣，若過程變量低于溫度設(shè)定值，立即停止進(jìn)氣。機(jī)艙和塔架溫度閉環(huán)控制流程圖如下：圖 3-10 機(jī)艙溫度閉環(huán)控制流程圖溫度控制模塊的設(shè)計(jì)思想主

48、要是假設(shè)溫升過快超過額定值時(shí)，控制器啟動(dòng)冷卻機(jī)進(jìn)行降溫，使溫度降至穩(wěn)定范圍。機(jī)艙是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中很重要的組成部分，假若溫度過高將會(huì)影響發(fā)電機(jī)、主軸、齒輪箱等重要元器件的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重的甚至燒壞電纜，毀壞電機(jī)。所以將機(jī)艙溫度控制在一定范圍內(nèi)是很重要的。塔架內(nèi)部配置控制器，還必須放置變壓器和線纜將發(fā)電機(jī)運(yùn)作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網(wǎng)。塔架內(nèi)部空間大，常有人員在其內(nèi)部操作、維護(hù)。因?yàn)榇嬖诳刂破鳌⒂?jì)算機(jī)系統(tǒng)、變壓器等各類重要的電力設(shè)備，所以控制塔架內(nèi)溫度是十分必要的。圖 3-11 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖整個(gè)系統(tǒng)具有機(jī)艙和塔架內(nèi)兩個(gè)溫度控制單元，要對(duì)兩個(gè)棚內(nèi)溫度進(jìn)行控制。具體流程是：?jiǎn)?dòng)送風(fēng)電動(dòng)

49、機(jī)循環(huán)冷氣流，開啟進(jìn)氣閥給室內(nèi)降溫，經(jīng)過一段時(shí)間關(guān)閉閘門；控制室內(nèi)溫度時(shí)滿1小時(shí)后進(jìn)行排氣；按下停止按鈕后，關(guān)閉送分電動(dòng)機(jī)和排氣閘門。這樣連鎖的控制，使室內(nèi)溫度保持恒定11。在這個(gè)溫控系統(tǒng)中，我們需要兩個(gè)測(cè)溫模擬量輸入點(diǎn)，兩個(gè)需要冷卻機(jī)工作輸送冷氣流的模擬量輸入點(diǎn)，兩個(gè)需要排氣閥排出氣流的模擬量輸出點(diǎn)。兩個(gè)開關(guān)量進(jìn)行啟動(dòng)和開啟送風(fēng)電動(dòng)機(jī)。進(jìn)氣閥有三個(gè)按鈕，分別為啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和急停按鈕。需要用到模擬量輸入模塊em231和模擬量輸出模塊em232。（4）變壓器控制模塊在變壓器控制系統(tǒng)中，將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的高壓（此電壓為傳輸?shù)礁邏狠旊娋€路的高電壓）。這有利于電壓的傳輸與利用，電壓過低

50、或過高會(huì)引起線路的負(fù)載過大，損耗過大。變壓器運(yùn)作的條件是在變壓器啟動(dòng)按鈕按下時(shí)此時(shí)發(fā)電機(jī)正在運(yùn)作狀態(tài)，若無(wú)第二個(gè)條件存在，發(fā)電機(jī)無(wú)電壓進(jìn)行耦合，所以在發(fā)電機(jī)運(yùn)行的條件下按下啟動(dòng)按鈕，變壓器則會(huì)工作。變壓器停止運(yùn)行則需要在發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下按下停止按鈕才能實(shí)現(xiàn)。所以在這一模塊中，變壓器的運(yùn)行和停止分別需要兩個(gè)開關(guān)條件的實(shí)現(xiàn)。變壓器控制流程圖如下：圖 3-12 變壓器控制流程圖在這個(gè)變壓器控制系統(tǒng)中，我們需要2個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，2個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)。3.2 i/o地址分配與電氣元件選型3.2.1 i/0地址分配根據(jù)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和控制流程圖的要求，可以設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)為1

51、1個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)為11個(gè)，擴(kuò)展模擬量輸入模塊em231模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，擴(kuò)展模擬量輸出模塊em232模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為2個(gè)。表3-1是基于plc的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的i/o地址分配。表3-2是與風(fēng)力發(fā)電控制程序相關(guān)的存儲(chǔ)器注釋內(nèi)容。3.2.2 plc的選型西門子s7-200是一種小型可編程邏輯控制器，它不僅可以單機(jī)控制，還可以有功能模塊與i/o口的擴(kuò)展。整體式plc將cpu、輸入/輸出口與電源裝備在一個(gè)箱型機(jī)殼內(nèi)。s7-200具有很多優(yōu)點(diǎn)，指令集豐富，編輯語(yǔ)言簡(jiǎn)單，集成功能極高，性價(jià)比很高，使用便捷安全等。根據(jù)控制規(guī)模的大小，即輸入/輸出點(diǎn)的多少，選擇相應(yīng)的cpu型號(hào)。在本文中，系統(tǒng)所需開

52、關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)為11個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)為11個(gè)，模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為2個(gè)。選擇西門子s7-200cpu226型號(hào)，有24點(diǎn)開關(guān)量輸入，16點(diǎn)開關(guān)量輸出，6個(gè)計(jì)數(shù)器，擴(kuò)展輸入/輸出模板數(shù)量為7個(gè)。提供給擴(kuò)展單元5vdc10。西門子s7-200提供外接擴(kuò)展模擬量輸入輸出模塊。在本文中使用模擬量擴(kuò)展模塊em231cn和em232cn。模擬量輸入模塊em231cn具有4路模擬量輸入通道，為24v dc狀態(tài)。模擬量輸出模塊em232cn具有2路模擬量輸出通道，也為24v dc狀態(tài)11。3.2.3 其他器件的選型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中所需用到了一些電氣元件有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、傳感器、表3

53、-1 i/o地址分配表分類名稱數(shù)據(jù)類型i/o口地址輸入系統(tǒng)總啟動(dòng)booli0.0變壓器啟動(dòng)booli0.1變壓器停止booli0.2機(jī)艙溫控系統(tǒng)啟動(dòng)booli1.0機(jī)艙溫控系統(tǒng)停止booli1.1機(jī)艙溫控系統(tǒng)急停booli1.2塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)啟動(dòng)booli1.3塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)停止booli1.4塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)急停booli1.5溫度控制系統(tǒng)總啟動(dòng)booli1.6溫度控制系統(tǒng)總停止booli1.7輸出系統(tǒng)啟動(dòng)顯示燈boolq0.0發(fā)電機(jī)啟動(dòng)boolq0.1向左偏航boolq0.2向右偏航boolq0.3合適風(fēng)向顯示燈boolq0.4風(fēng)速過大警報(bào)顯示燈boolq0.5機(jī)艙電動(dòng)機(jī)boolq1.

54、0塔架內(nèi)部電動(dòng)機(jī)boolq1.1溫控進(jìn)氣閥進(jìn)氣boolq1.2變壓器運(yùn)行boolq2.0變壓器停運(yùn)boolq2.1em231風(fēng)速wordaiw0風(fēng)向wordaiw2機(jī)艙溫度wordaiw4塔架內(nèi)部溫度wordaiw6em232機(jī)艙進(jìn)氣閥進(jìn)氣wordaqw0塔架內(nèi)部進(jìn)氣閥進(jìn)氣wordaqw2繼電器、接觸器和熔斷器等。（1）電機(jī)的選擇：風(fēng)力發(fā)電機(jī)選用雙饋異步發(fā)電機(jī)。型號(hào)：yrkf500-4（空-空冷式雙饋異步發(fā)電機(jī)）。偏航控制電機(jī)選用帶電磁制動(dòng)的三相異步電動(dòng)機(jī)。型號(hào)：mqaej系列電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。溫度控制送風(fēng)電動(dòng)機(jī)選用三相異步電動(dòng)機(jī)。型號(hào)：yljw系列力矩三相異步電動(dòng)機(jī)。（2）變壓器的選擇： 變壓器選用干式自冷變壓器scb10-m-630/10，低壓側(cè)為380v，高壓側(cè)則在3000v以上。（3）傳感器、繼電器的選擇：風(fēng)速風(fēng)向傳感器使用ph100sx型號(hào)12。溫度傳感器選用pt100風(fēng)管式溫度傳感器。表3-2 存儲(chǔ)器注釋表存儲(chǔ)器名稱注