基于PLC的風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

1、論文題目：基于 plc 的風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 工程領(lǐng)域：電氣工程 碩 士 生：蔡 博 (簽名) 指導(dǎo)教師：蔡文皓 （校內(nèi)） (簽名) 指導(dǎo)教師：雷紅衛(wèi) （校外） (簽名) 摘 要 工業(yè)的跳躍式進(jìn)步，使得煤炭、石油等不可再生能源被過(guò)度開(kāi)采，不僅在使用過(guò)程 中造成了對(duì)環(huán)境的污染，而且這些化石礦物分布的不均，也使世界各國(guó)為此頻起爭(zhēng)端。 面對(duì)這樣的窘境，開(kāi)發(fā)清潔的、可再生能源代替，對(duì)解決這些問(wèn)題有著重要的意義。而 風(fēng)能就是一種新型的、無(wú)污染能源，利用風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)被全世界廣泛提倡和推廣。隨著 相關(guān)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步， 變槳風(fēng)電機(jī)組這種通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角保持機(jī)組輸出功率穩(wěn)定的 發(fā)電方式逐漸成為了

2、大型風(fēng)電機(jī)組的主流，其相關(guān)的變槳控制技術(shù)也在不斷地完善、進(jìn) 步。 通過(guò)閱讀大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料， 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原 理，對(duì)變槳控制系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、功能和工作流程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn) 工藝要求，對(duì)市場(chǎng)上的主流變槳驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行了比較和選型，最終采用三槳葉獨(dú)立電動(dòng) 變槳方式。 由于 plc 在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，擁有很多優(yōu)勢(shì)，且價(jià)格合理，綜合各方面因 素，本文選擇西門(mén)子 s7-300 作為控制器。 調(diào)節(jié)槳距角以保持機(jī)組輸出功率最優(yōu)是本文研究和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容。 通過(guò) 分析風(fēng)電機(jī)組的空氣動(dòng)力學(xué)特性， 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了變槳控制系統(tǒng)在不同風(fēng)速段時(shí)的控 制策略，

3、 鑒于 pid 控制穩(wěn)定性好、 控制算法簡(jiǎn)單、 響應(yīng)速度快且能實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)等特點(diǎn)， 本文利用西門(mén)子 step 7 下位軟件，通過(guò)功率偏差及 pid 算法調(diào)節(jié)等相關(guān)程序塊進(jìn)行了 控制程序編寫(xiě)。利用力控組態(tài)軟件良好的兼容性，在上位機(jī)創(chuàng)建了變槳控制系統(tǒng)的操作 監(jiān)控畫(huà)面，并完成了與下位機(jī)的通訊組態(tài)。 通過(guò)調(diào)試，本文所設(shè)計(jì)的變槳控制系統(tǒng)能夠在各種風(fēng)速條件下，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)槳距 角的大小，始終維持機(jī)組輸出功率穩(wěn)定。軟、硬件都能夠滿(mǎn)足機(jī)組的控制要求，運(yùn)行良 好。調(diào)試過(guò)程中對(duì) dtu 裝置的嘗試，也成功的擺脫了電纜的束縛，即使監(jiān)控上位機(jī)遠(yuǎn) 在異地，也可實(shí)時(shí)的監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行。 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 關(guān) 鍵 詞：風(fēng)能發(fā)電 變槳控

4、制系統(tǒng) plc 功率偏差調(diào)節(jié) pid 控制 研究類(lèi)型：應(yīng)用研究 萬(wàn)方數(shù)據(jù) subject : the design and research of wind turbine pitch control system based on plc specialty : electrical engineering name : cai bo (singature)_ _ instructor : cai wenhao (singature)_ _ _ instructor : lei hongwei (singature)_ _ _ abstract as a result of highly d

5、eveloped industry-coal, oil and other non-renewable energy are overexploited, which not only pollutes the environment, but also causes frequent conflicts in worldwide because of uneven distribution of these fossils. based on this issue how to find and explore other renewable energy to be back up res

6、ource is quite significant. wind is a new, non-polluting energy sources, the use of wind power has been widely advocated and promoted worldwide. with the continuous progress of science and technology, wind turbine pitch control system which maintains a stable output power by adjusting the pitch angl

7、e has gradually become the mainstream way of large scale wind turbine; with its related pitch control technology is constantly improved. in this article the basic structure and operating principle of the wind turbine and control system is introduced. it focus on an important part of current mainstre

8、am wind turbine - the principle, structure, functions and workflows of pitch control system and provides a detailed analysis of the production process, and in accordance with the requirements designs the hardware structure of the pitch control system, and plc-based control system architecture. this

9、paper analyzed every section of the pitch control system, and lists the main parameters of the selection, and configure the systems hardware by using siemens s7-300 series plc control system. main content of the paper is on how to adjust the pitch angle to maintain optimal output power unit as well

10、as on design of control systems. to fulfill requirements for plant operation under different wind conditions, we use the siemens step 7 lower position machine software, per power deviation and pid algorithm adjustments and other relevant program modules to realize edition of ladder diagram. by force

11、 control software, this created in the pc monitor screen operation of pitch control system for the operation and maintenance personnel to 萬(wàn)方數(shù)據(jù) provide a good human-computer interaction interface. by testing, all pitch control system designed hardware and software in the article are able to meet requ

12、irements of the control unit and run smoothly. the test of dtu device in the process also successfully got rid of the shackles of cable, even if the pc monitors located remotely, real-time monitoring of plant operation may get to. key words: wind power, pitch control system, plc, power bias adjustme

13、nt, pid control thesis : application research 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 目 錄 i 目 錄 1 前言.1 1.1 風(fēng)力發(fā)電研究的背景和意義.1 1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì).2 1.2.1 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì).2 1.2.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì).5 1.2.3 國(guó)內(nèi)外在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)上的比較.6 1.3 未來(lái)的發(fā)展方向和策略.7 1.4 研究課題來(lái)源及內(nèi)容.7 2 風(fēng)力發(fā)電及控制系統(tǒng)概述.9 2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組.9 2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類(lèi)型.9 2.1.2 變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu).9 2.1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理.13 2.

14、1.4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu).15 2.1.5 控制系統(tǒng)功能.16 2.1.6 變槳控制系統(tǒng)的概述.19 2.2 變槳控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).21 2.2.1 變槳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求.21 2.2.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成.22 2.2.3 變槳控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).23 2.2.4 程序控制中 pid 調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì) .23 2.3 本章小結(jié).26 3 基于 s7-300plc 的風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).27 3.1 變槳系統(tǒng)設(shè)備選型.27 3.1.1 伺服電機(jī)及伺服系統(tǒng)的選型.28 3.1.2 編碼器的選型.29 3.1.3 ups 的選擇.30 3.2 plc 控制單元的組成和選型.30 3.1.1 cpu

15、模塊.31 3.1.2 開(kāi)關(guān)量模塊.32 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 西安科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 ii 3.1.3 模擬量模塊.32 3.1.4 定位模塊.33 3.1.5 通訊模塊.33 3.2 變槳控制系統(tǒng)的主要任務(wù).34 3.3 本章小結(jié).34 4 變槳控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).35 4.1 變槳控制功能分析.35 4.1.1 控制參數(shù).35 4.1.2 控制過(guò)程.36 4.2 控制程序.41 4.3 通訊協(xié)議.46 4.4 上位機(jī)軟件界面開(kāi)發(fā).48 4.4.1 力控簡(jiǎn)介.48 4.4.2 界面設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).49 4.5 本章小結(jié).54 5 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果.55 5.1 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試.55 5.2 運(yùn)行結(jié)果分析

16、.57 5.3 本章小結(jié).58 6 結(jié)論.59 6.1 結(jié)論.59 6.2 展望.59 致 謝.60 參考文獻(xiàn).61 附 錄.64 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 1 前言 1 1 前言 1.1 風(fēng)力發(fā)電研究的背景和意義 陽(yáng)光照射會(huì)使地表溫度上升，因?yàn)檎丈涿娴牟痪鶆颍煌瑓^(qū)域溫度的也會(huì)不一樣， 從而引起了對(duì)流空氣的形成，產(chǎn)生了風(fēng)。風(fēng)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生了能量。調(diào)用這種能量使風(fēng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作的方法就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)能是自然界提供 的可再生資源。通過(guò)風(fēng)力發(fā)電對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染和危害，而且不論在科技應(yīng)用方面還 是經(jīng)濟(jì)效益方面，風(fēng)能都是現(xiàn)今相較于光能、地?zé)岬饶茉?，更具有發(fā)展前景并適合大規(guī) 模開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的

17、新型能源。 煤炭、石油和天然氣等化石燃料在地球上的蘊(yùn)藏量是非常有限的，這些能源的產(chǎn)生 需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，過(guò)度的開(kāi)發(fā)總有一天要枯竭，能源消耗的快速增長(zhǎng)帶來(lái)的的環(huán)境 污染和安全問(wèn)題已經(jīng)成為世界能源使用的主要矛盾。 為避免不久的將來(lái)可能要面臨的能 源危機(jī)，及工業(yè)急速發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，研究和開(kāi)發(fā)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)都是有著很重 要的意義。風(fēng)力資源作為可再生能源，具有非常廣闊的開(kāi)發(fā)前景。開(kāi)發(fā)、利用風(fēng)力資源， 其中最關(guān)鍵的技術(shù)是電力電子技術(shù)和控制技術(shù)。將最先進(jìn)的電力電子技術(shù)、控制技術(shù)應(yīng) 用在風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程中， 對(duì)于降低風(fēng)力發(fā)電的成本、 提高發(fā)電的效率和電能變換質(zhì)量、 使清潔的、可再生的能源逐步替代傳統(tǒng)的

18、化石燃料，減少對(duì)大自然的危害，對(duì)促進(jìn)人與 自然的和諧發(fā)展有重大意義。 能源是經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)的基本物質(zhì)保障, 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開(kāi)能源,但僅靠常規(guī)能 源是不行的。 煤炭占據(jù)電力供應(yīng)燃料的70 %,已探明的剩余儲(chǔ)量可開(kāi)采部分為1390億噸， 按一年開(kāi)采速度 16.67 億噸算， 也僅能維持 83 年， 而且還得面對(duì)開(kāi)采所帶來(lái)得環(huán)境污染 問(wèn)題。我國(guó)地大物薄，石油資源本就不足，天然氣資源也并豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)可利用 的水力發(fā)電量為 4.02 億千瓦，按照年發(fā)電量 1.7 萬(wàn)億千瓦時(shí)來(lái)算，經(jīng)過(guò) 20 到 30 年的開(kāi) 發(fā)，大部分的水能也面臨被利用枯竭的局面，而且過(guò)多的開(kāi)發(fā)也會(huì)影響當(dāng)?shù)厮Y源的平 衡，因此單

19、純的依靠水力發(fā)電無(wú)法解決我國(guó)的能源困境。 相反，鑒于我國(guó)地勢(shì)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，風(fēng)力資源相對(duì)卻很豐富。據(jù)估計(jì)，我國(guó)海拔 10 米以?xún)?nèi)可開(kāi)發(fā)利用的地表風(fēng)電能源約為 12 億千瓦，再上升到 50 米以上高度后，可利用 的風(fēng)能甚至可以達(dá)到約 30 億千瓦。如此豐富的風(fēng)力資源加以利用，可以為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和 風(fēng)電技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)保障。 風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)核心是機(jī)組，它決定了風(fēng)力發(fā)電的投資成本。因此，反映國(guó)家風(fēng)力 發(fā)電技術(shù)水平的依據(jù)，就是風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)工藝。 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 西安科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 2 1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) （1）

20、世界能源應(yīng)用現(xiàn)狀 經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和人口激增導(dǎo)致能源消費(fèi)幾何增長(zhǎng) 隨著世界經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷增大，世界能源消費(fèi)量持續(xù)增長(zhǎng)。近 20 年來(lái)，全球生產(chǎn) 總值年均增長(zhǎng) 3%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，二十一世紀(jì)初的一次能源消耗總量相比二十世紀(jì)七十年代 時(shí)期提高了將近一倍之多，世界能源消耗量每年都比上年增長(zhǎng)將近 2%左右。 能源消費(fèi)區(qū)域差別大，但結(jié)構(gòu)正在優(yōu)化 1873 年產(chǎn)業(yè)革命帶來(lái)了急劇增長(zhǎng)的燃料消費(fèi)量問(wèn)題。 從最開(kāi)始的以煤炭為主要能源 供應(yīng)，到 20 世紀(jì)以后，隨著生產(chǎn)工藝的先進(jìn)，石油逐漸取代了煤炭，成為能源供應(yīng)的 主導(dǎo)。經(jīng)歷過(guò)兩次石油危機(jī)后，煤炭、石油消費(fèi)量才有所下降，天然氣逐漸進(jìn)入了人們 的視野。與此同時(shí)，世界進(jìn)入了能

21、源多元化發(fā)展時(shí)期，日益增長(zhǎng)的能源需求，迫使人類(lèi) 開(kāi)始積極開(kāi)發(fā)新能源。核能、風(fēng)能、水力、地?zé)岬雀鞣N形式的新能源的研究和應(yīng)用，形 成了世界能源消費(fèi)新格局-以化石燃料為主，多種新能源和可再生能源并存。二十一世 紀(jì)初，化石能源仍然在世界能源消費(fèi)中占很大的比重。盡管可再生的新型清潔能源比重 在逐漸呈上升趨勢(shì)，但像石油、天然氣這些能源所占比重仍在上升，僅煤炭的消費(fèi)有所 減緩。 各國(guó)增長(zhǎng)速度不同，發(fā)達(dá)國(guó)家趨于飽和 過(guò)去 40 年來(lái)，北美和歐洲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)相較于亞洲、非洲等發(fā)展中地區(qū)在經(jīng)濟(jì)、科 技上發(fā)展更迅猛，隨著對(duì)能源的危機(jī)意識(shí)，消費(fèi)量有所減緩，經(jīng)濟(jì)發(fā)展觀念發(fā)生改變： 在保證高產(chǎn)能的情況下，逐漸降低能耗；重視

22、節(jié)能環(huán)保；提高能源開(kāi)發(fā)和使用效率；高 能耗的生產(chǎn)、制造企業(yè)逐漸向發(fā)展中國(guó)家遷移。 而油氣資源最為豐富的中東地區(qū)，由于開(kāi)采成本極低，能源消費(fèi)穩(wěn)居世界之首。中 國(guó)、印度等國(guó)家的石油和天然氣在亞太地區(qū)占比偏低，但煤炭資源相對(duì)豐富，中國(guó)的煤 炭?jī)?chǔ)量在整個(gè)亞太地區(qū)的比重達(dá)到一半以上。因此，這些地區(qū)的煤炭消費(fèi)仍然占據(jù)很大 的比重。石油、天然氣仍然是歐美地區(qū)消費(fèi)的主要能源。 能源的地區(qū)分布不均，導(dǎo)致進(jìn)出口壓力增大 中東地區(qū)占有世界上可開(kāi)采石油總儲(chǔ)量的一半以上，其他地區(qū)均在 10%左右，亞太 地區(qū)低于 5%。世界石油產(chǎn)量每年仍在以 4%左右的幅度增長(zhǎng)，一半以上的石油年消費(fèi)量 由中東地區(qū)源源不斷的向外輸出，非洲

23、和南美洲也有著豐富的石油儲(chǔ)量，而北美和歐洲 仍然存在 4 億噸左右的能源缺口，由于亞太處在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)期，因此石油缺口達(dá)到 8 億噸 左右。按這樣的能源消耗水平計(jì)算，石油也會(huì)在未來(lái)幾百年內(nèi)面臨枯竭。 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 1 前言 3 煤炭資源盡管已被其它能源種類(lèi)取代，但仍然在一些地區(qū)占有能源主導(dǎo)地位。而煤 炭的地區(qū)分布也很不均衡， 二十一世紀(jì)初的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表明， 全球可開(kāi)采的煤炭剩余儲(chǔ)量， 還是主要集中在歐美、亞太地區(qū)，這些地區(qū)的可開(kāi)采儲(chǔ)量達(dá)到世界總儲(chǔ)量的 90%。天然 氣剩余可采儲(chǔ)量為 175.78 萬(wàn)億立方米， 儲(chǔ)采比達(dá)到 67。 作為占有世界天然氣總儲(chǔ)量 75% 的中東和歐洲地區(qū)， 對(duì)一些過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致能

24、源資源枯竭的發(fā)展中地區(qū)的貿(mào)易增長(zhǎng)會(huì)隨著 經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸加快，對(duì)進(jìn)出口的響應(yīng)速度要求逐漸提高，貿(mào)易中各個(gè)環(huán)節(jié)的安全問(wèn)題也 成為各國(guó)熱切關(guān)注并丞待解決的問(wèn)題。 （2）世界能源發(fā)展趨勢(shì) 據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，過(guò)去 10 年和未來(lái) 30 年，世界能源需求和消耗仍然以平均 1.5% 的年增長(zhǎng)率繼續(xù)增加。 盡管歐洲和北美洲這些發(fā)達(dá)地區(qū)的消耗比例在逐年下降， 但亞洲、 南美洲等發(fā)展中國(guó)家仍然在能源消耗中占據(jù)重要角色。日益增長(zhǎng)的能源需求，加上能源 分布過(guò)于集中，各地區(qū)對(duì)能源的爭(zhēng)奪也將愈演愈烈，甚至演變?yōu)闆_突乃至戰(zhàn)爭(zhēng)也不無(wú)可 能。而且伴隨著世界能源消耗量的增大，二氧化碳等有毒有害氣體也在逐年增多，對(duì)人 類(lèi)的生存構(gòu)成了威

25、脅，對(duì)全球氣候的影響也日漸嚴(yán)重，全球溫室效應(yīng)加劇，氣候惡劣， 沿海和內(nèi)陸地區(qū)也多發(fā)海嘯、龍卷風(fēng)等自然災(zāi)害。據(jù) eia 統(tǒng)計(jì)，二十世紀(jì)九十年代到二 十一世紀(jì)初這 10 年，世界二氧化碳的排放量比之前增長(zhǎng)了大約 25 億噸，到 2010 年增 長(zhǎng)了將近 40 億噸，預(yù)計(jì)今后的 20 年間，污染排放也將以每年 2%的速度增長(zhǎng)。面對(duì)以 上驚人的數(shù)字，多元化、高效化、清潔化、市場(chǎng)化和全球化是未來(lái)世界能源供應(yīng)和消費(fèi) 的必然發(fā)展趨勢(shì)。 多元化 人類(lèi)的發(fā)展經(jīng)歷了從伐木取火，到以煤、石油為主燃料，再到天然氣，同時(shí)發(fā)展風(fēng) 能等清潔型或可再生能源。出于對(duì)投資成本和利用效率及環(huán)境保護(hù)的考慮，世界能源的 消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在向

26、既保證可持續(xù)發(fā)展，又利于人類(lèi)和自然和諧發(fā)展的方向改變，能源多樣 化是世界能源發(fā)展利用的必經(jīng)之路。如何在解決急劇增加的能源需求的同時(shí)，保護(hù)好生 態(tài)環(huán)境正日漸受到各國(guó)的高度重視。 高效化 近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，逐漸提高了能源的利用效率，多次利用使能源消 耗逐漸降低。例如，2001 年世界能源消耗強(qiáng)度為 0.3121 噸油當(dāng)量/千美元，2010 年下降 了 11%，預(yù)計(jì)到 2025 年這個(gè)數(shù)字可降到 0.2375 噸油當(dāng)量/千美元。 但是， 由于加工手段的差異， 導(dǎo)致使用效率區(qū)別很大。 發(fā)展中國(guó)家由于技術(shù)的限制， 能源消耗的強(qiáng)度在未來(lái) 20 年內(nèi)仍然會(huì)是歐美地區(qū)等發(fā)達(dá)國(guó)家的 2-3 倍。因此

27、，全球能 源利用的高效化是非常有潛力且必須的發(fā)展趨勢(shì)。 清潔化 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 西安科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 4 在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭所占的比例逐漸降低，而天然氣的比例逐漸升高，石 油的比例基本維持不變。過(guò)去煤炭、秸稈等這些被認(rèn)為是“臟”的能源都在向清潔化方向 發(fā)展，清潔煤的脫硫脫塵等先進(jìn)技術(shù)、沼氣技術(shù)、能源制造后的副產(chǎn)品再利用等高新科 技都得到完善和廣泛的應(yīng)用。 隨著世界能源技術(shù)的提高及保護(hù)環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)， 對(duì)生產(chǎn)技術(shù)水平也有了更高的要 求，零污染的生產(chǎn)過(guò)程及高效的產(chǎn)能，預(yù)示著未來(lái)能源利用將走上清潔化、高效能的道 路。 這其中， 核能的利用使人們把它從戰(zhàn)爭(zhēng)工具轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)工具， 回歸了創(chuàng)造者的

28、本意， 并大大的節(jié)約了世界能源， 從一定程度上避免了無(wú)節(jié)制開(kāi)采后將面臨能源短缺的尷尬后 果。 市場(chǎng)化 國(guó)家將逐漸減少參與和干涉能源利用的行為，加大為能源市場(chǎng)服務(wù)的力度，完善法 律法規(guī)來(lái)作為良好能源市場(chǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)， 使世界能源利用的市場(chǎng)化程度越來(lái)越高。 現(xiàn)在， 一些能源儲(chǔ)量相對(duì)豐富的國(guó)家，都在進(jìn)行市場(chǎng)化運(yùn)作的摸索，試圖制定一個(gè)完善的政策 導(dǎo)向和管理機(jī)制，為投資者提供良好的貿(mào)易環(huán)境。 全球化 由于石油等能源的消耗逐年增長(zhǎng)，貿(mào)易量也急劇增加，增長(zhǎng)率超過(guò)同時(shí)期石油消費(fèi) 的年均增長(zhǎng)率。由于能源儲(chǔ)量的不均勻分布，致使那些能源相對(duì)匱乏，而經(jīng)濟(jì)又處在發(fā) 展階段的國(guó)家對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，從而依靠進(jìn)口外國(guó)能源

29、來(lái)保證本國(guó)發(fā)展。隨著 全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，能源貿(mào)易也在全球范圍展開(kāi)。貿(mào)易額的逐年遞增，使能源 供應(yīng)國(guó)和需求國(guó)都積極地促進(jìn)能源貿(mào)易的全球化發(fā)展。 （3）風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì) 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組于1985年開(kāi)始進(jìn)入能源供應(yīng)市場(chǎng)，采用軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力 剎車(chē)技術(shù)、偏航與自動(dòng)解纜等技術(shù)，解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問(wèn)題，提高了機(jī)組運(yùn)行 的安全性與可靠性。 20世紀(jì)90年代以后，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性已不成問(wèn)題時(shí)，轉(zhuǎn)速可控和并網(wǎng)后功 率可控技術(shù)的變距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入了風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)。 此種機(jī)組對(duì)風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能和 功率輸出特性都有明顯改善。 經(jīng)過(guò)不斷的運(yùn)行實(shí)踐，在積累了大量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)后，針對(duì)變距風(fēng)力發(fā)電機(jī)

30、組在額定風(fēng) 速以下運(yùn)行時(shí)效果不太理想的問(wèn)題， 各種基于變距技術(shù)的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入風(fēng)電市 場(chǎng)。不同于定速發(fā)電機(jī)組，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是把風(fēng)速作為控制系統(tǒng)的輸入變量來(lái)達(dá)到 控制轉(zhuǎn)速和功率目的的。 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是：低于額定風(fēng)速時(shí)，能達(dá)到最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率， 保持機(jī)組輸出最佳功率；高于額定風(fēng)速時(shí)，削弱了系統(tǒng)的高頻振蕩，使輸出功率更加穩(wěn) 定，使系統(tǒng)高效、高質(zhì)地向電網(wǎng)提供電力。 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 1 前言 5 本世紀(jì)初開(kāi)始至今，全球的風(fēng)電機(jī)組容量年均增長(zhǎng)超過(guò) 20%，年均新增機(jī)組容量超 過(guò) 30%，保持著世界增長(zhǎng)最快能源的地位。2010 年全球裝機(jī)容量達(dá) 196630mw，新裝 機(jī)容量 37642

31、mw，比去年同期增長(zhǎng) 23.6%。 近年來(lái)，除了歐洲一些擁有先進(jìn)風(fēng)電技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的老牌國(guó)家之外，中、美、日等國(guó)也 逐漸提高了對(duì)風(fēng)電的重視，制定相關(guān)政策，加快了風(fēng)電建設(shè)的步伐。在大規(guī)模的建設(shè)和 發(fā)展進(jìn)程中， 德國(guó)、 西班牙和意大利擁有的風(fēng)電機(jī)組總?cè)萘恳呀?jīng)是歐洲總量的一半以上， 隨著風(fēng)力發(fā)電的全球化應(yīng)用，世界上相繼已有 80 多個(gè)國(guó)家在積極開(kāi)發(fā)和建設(shè)風(fēng)力發(fā)電 廠。 海上風(fēng)力資源分布比陸地更廣闊的， 歐洲部分國(guó)家已經(jīng)將風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)擴(kuò)展到近海發(fā) 展，甚至在未來(lái)技術(shù)條件具備的情況下，有著向遠(yuǎn)海發(fā)展的趨勢(shì)。風(fēng)電未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 已經(jīng)逐漸從內(nèi)陸轉(zhuǎn)向近海，為了更多地利用風(fēng)力資源，未來(lái)可能還會(huì)向遠(yuǎn)海繼續(xù)擴(kuò)張。 近些年，

32、北美國(guó)家的風(fēng)電發(fā)展呈逐年下降趨勢(shì)，中國(guó)的年裝機(jī)容量甚至一度超越了 美國(guó)。東歐國(guó)家成為風(fēng)電發(fā)展的集中地和風(fēng)電技術(shù)的核心力量。西歐國(guó)家的風(fēng)電逐漸飽 和。北非是非洲地區(qū)風(fēng)電發(fā)展的前沿地區(qū)。 近些年風(fēng)電的發(fā)展，一些風(fēng)電制造企業(yè)成為了風(fēng)電市場(chǎng)的主力軍，占據(jù)了國(guó)際風(fēng)電 市場(chǎng)一半的份額。這些企業(yè)包括丹麥 vestas、美國(guó) ge wind、德國(guó) enercon。中 國(guó)的金風(fēng)和華銳，也躋身進(jìn)入世界的前五強(qiáng)之列。 丹麥 vestas 在 2010 年之前共安裝 4 萬(wàn)多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，總?cè)萘砍^(guò) 4 萬(wàn)兆瓦，產(chǎn) 品遍布 60 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，在中國(guó)也擁有五分之一的市場(chǎng)份額。 單機(jī)容量 3-6 兆瓦的風(fēng)電機(jī)組隨著海上

33、風(fēng)電的迅速發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng) 階段。美國(guó)和英國(guó)已經(jīng)研制成功了 7 兆瓦風(fēng)電機(jī)組，10 兆瓦機(jī)組也在攻堅(jiān)階段；而挪威 已經(jīng)開(kāi)始研制 14 兆瓦的風(fēng)電機(jī)組， 歐盟對(duì) 20 兆瓦的風(fēng)電機(jī)組構(gòu)想也已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性設(shè) 計(jì)工作， 全球各個(gè)風(fēng)電機(jī)組制造廠商也都在為未來(lái)建設(shè)更大規(guī)模的海上風(fēng)力發(fā)電廠做前 期的研究設(shè)計(jì)工作。 1.2.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) “七五”至“九五”期間國(guó)家制定優(yōu)惠、補(bǔ)貼政策，鼓勵(lì)風(fēng)電廠的有序、規(guī)模建設(shè)，并 把風(fēng)電機(jī)組列為了重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。 山東 1983 年引進(jìn)的 3 臺(tái)丹麥 vestas55kw 風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組，開(kāi)啟了我國(guó)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的先河。1986 年到 1

34、993 年，全國(guó)共建設(shè)風(fēng)電廠 12 個(gè)，總裝機(jī)容量達(dá)到 13300kw，平均每年裝機(jī) 1662.5kw；1994 年到 1999 年，全國(guó) 風(fēng)電共裝機(jī) 249050kw，平均年裝機(jī) 41508 kw。 上世紀(jì)九十年代，我國(guó)風(fēng)電機(jī)組主力機(jī)型集中在 300kw 以下，到了本世紀(jì)初，主力 機(jī)型已發(fā)展為 600kw 機(jī)組。 由此可見(jiàn)， 我國(guó)風(fēng)電單機(jī)容量在過(guò)去二十年經(jīng)歷了跳躍式發(fā) 展。 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 西安科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 6 在上世紀(jì)九十年代末到本世紀(jì)初，單機(jī)容量在 310.1-749.9kw 的機(jī)組已經(jīng)成為我國(guó) 風(fēng)力發(fā)電廠的主力機(jī)型。 截止 1999 年底，國(guó)產(chǎn)機(jī)組已投入運(yùn)行 29 臺(tái)，占全國(guó)機(jī)組

35、比重 4.9%；裝機(jī)容量 8350kw，占全國(guó)總?cè)萘康?3.2%。國(guó)產(chǎn)機(jī)組主要來(lái)自自行研發(fā)設(shè)計(jì)和參考進(jìn)口機(jī)組后生 產(chǎn)的樣機(jī)，但存在未解決的技術(shù)和質(zhì)量問(wèn)題；和通過(guò)與國(guó)外廠商合作，部分國(guó)產(chǎn)化，單 核心部件仍然采用進(jìn)口的方式，這類(lèi)機(jī)組基本都能夠正常運(yùn)行?；蛘咄ㄟ^(guò)支付高額技術(shù) 轉(zhuǎn)讓費(fèi)并引進(jìn)全套制造技術(shù)的方式，但通過(guò)完全照搬外國(guó)的技術(shù)，我們無(wú)法完成相關(guān)的 創(chuàng)新設(shè)計(jì)，且購(gòu)買(mǎi)的技術(shù)相對(duì)國(guó)外的現(xiàn)行技術(shù)水平還是很落后。我國(guó)自 1984 年研制 200kw 機(jī)組至今，在這 30 多年中，國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組尚且在國(guó)內(nèi)都未能占據(jù)一席之地。 二十一世紀(jì)初開(kāi)始， 我國(guó)的風(fēng)電廠投入和建設(shè)逐年遞增， 到 2010 年這 10 年時(shí)

36、間里， 風(fēng)電機(jī)組總?cè)萘窟_(dá)到 2300 萬(wàn)千瓦，并網(wǎng)發(fā)電的機(jī)組超過(guò) 80%。僅 2010 年一年時(shí)間，裝 機(jī)容量新增 2 千萬(wàn)千瓦，比過(guò)去十年翻了一倍還多，取代了美國(guó)世界風(fēng)電裝機(jī)容量第一 的地位。 2010 年是中國(guó)風(fēng)電建設(shè)發(fā)展實(shí)現(xiàn)了跳躍性增長(zhǎng)的標(biāo)志年， 不僅在內(nèi)陸實(shí)現(xiàn)了大范圍 的建設(shè)和并網(wǎng)發(fā)電，還有計(jì)劃的逐漸向海上風(fēng)電建設(shè)發(fā)展。隨著技術(shù)的革新，大容量機(jī) 組也逐漸被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。其中，東海大橋風(fēng)電廠已開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電并投入使用。 我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造行業(yè)因技術(shù)差別，也分成了三個(gè)梯隊(duì)：華銳風(fēng)電、金風(fēng)科技和東 方電氣屬于第一梯隊(duì)，他們擁有雄厚的技術(shù)團(tuán)隊(duì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，且都在全球風(fēng)機(jī)制造商十 強(qiáng)之列；明陽(yáng)風(fēng)電、國(guó)電

37、聯(lián)合動(dòng)力和湘電集團(tuán)在設(shè)備檢修過(guò)程中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)為風(fēng)電 機(jī)組制造提供了良好的基礎(chǔ)，屬于第二梯隊(duì)；其他較小的風(fēng)機(jī)制造商屬于第三梯隊(duì)。 華銳風(fēng)電、金風(fēng)科技等國(guó)內(nèi)先進(jìn)風(fēng)電制造企業(yè)緊隨國(guó)際潮流，把握大型風(fēng)電設(shè)備開(kāi) 發(fā)趨勢(shì)，積極研發(fā) 5mw 甚至更大功率的風(fēng)電機(jī)組。2010 年末，中國(guó)企業(yè)已自主研發(fā)出 擁有全球知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大容量風(fēng)電機(jī)組，并投入使用。第二年，更大容量的風(fēng)電機(jī)組也已 順利投產(chǎn)。 這標(biāo)志著中國(guó)擁有了適合自己的風(fēng)電技術(shù)， 并在世界風(fēng)電市場(chǎng)擁有了話(huà)語(yǔ)權(quán)。 風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，使中國(guó)的老牌制造商紛紛將目光放在了風(fēng)電未來(lái)的發(fā)展上， 風(fēng)電制造業(yè)得以迅猛發(fā)展。不僅國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組市場(chǎng)份額的絕大多數(shù)被國(guó)內(nèi)制造商

38、占據(jù)， 還漸漸地在攻占海外市場(chǎng)。盡管中國(guó)的風(fēng)機(jī)制造產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)逐漸完善，但基于技術(shù)的相 對(duì)落后，核心部件的制造仍然采取進(jìn)口的模式，在技術(shù)研發(fā)和認(rèn)證的缺口上，導(dǎo)致我國(guó) 的風(fēng)電制造業(yè)不能完全獨(dú)立自主。 1.2.3 國(guó)內(nèi)外在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)上的比較 丹麥(風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)量占世界市場(chǎng)一半份額)、德國(guó)和美國(guó)是世界上先進(jìn)風(fēng)電設(shè)備制造 商的集中所在地。德國(guó)不僅在風(fēng)電技術(shù)上遙遙領(lǐng)先，還是擁有世界上風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)及容 量最多的國(guó)家，其風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展方向，也為世界風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展提供了科學(xué)的依據(jù)。 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 1 前言 7 在增大單機(jī)容量的同時(shí)， 提高轉(zhuǎn)換效率， 并降低投資成本， 是風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 通過(guò)提升風(fēng)機(jī)軸心高度

39、和加大葉輪直徑，發(fā)電容量也隨之成倍增長(zhǎng)。 風(fēng)能的核心技術(shù)就是控制、調(diào)整能量輸出的穩(wěn)定性。以前的定槳距調(diào)節(jié)技術(shù)簡(jiǎn)單可 靠，簡(jiǎn)化了控制，導(dǎo)致調(diào)節(jié)的作用很小，使槳葉、輪轂、塔架等部件受力增大。時(shí)下流 行的變槳距控制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角應(yīng)對(duì)不同的風(fēng)速狀況，來(lái)達(dá)到控制功率輸出穩(wěn)定 的目的。 但由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜， 這其中的控制技術(shù)需要全面的考慮各個(gè)環(huán)境和設(shè)備因素。 不過(guò)從風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，變槳風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正是因?yàn)槠淙娴目刂撇呗?，終將成 為世界上先進(jìn)的主流技術(shù)。 二十一世紀(jì)開(kāi)始，風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級(jí)別，海上風(fēng)電機(jī)組的容量也達(dá)到 5 兆 瓦。與德國(guó)先進(jìn)的風(fēng)電機(jī)組調(diào)節(jié)技術(shù)相比，我國(guó)技術(shù)水平仍然較低。但

40、隨著近年來(lái)我國(guó) 風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用的廣泛及制造工藝的提升， 有望在短時(shí)間內(nèi)縮小技術(shù)差距并趕超世界先進(jìn) 水平。 國(guó)外在雙饋?zhàn)兯俸泐l型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的控制技術(shù)比較成熟。 國(guó)內(nèi)大部分整機(jī)制造 商目前使用的控制基本上是基于這些國(guó)外技術(shù)。 風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)從定槳恒速向變槳變速逐漸發(fā)展，研發(fā)力量的不斷壯大和技 術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從最初的正常運(yùn)行的最低要求，到現(xiàn)今能夠保證輸出最優(yōu)功率并網(wǎng)發(fā) 電的理想目標(biāo)。 1.3 未來(lái)的發(fā)展方向和策略 （1）提高科技水平，加大政策引導(dǎo)力度，提高生產(chǎn)和利用效率，走清潔化的能源 道路。我國(guó)煤炭的能源主體暫時(shí)無(wú)法徹底改變，能源消費(fèi)差異仍會(huì)繼續(xù)存在，結(jié)合中國(guó) 能源資源儲(chǔ)量結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及中

41、國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的特色，在政策上加以扶持、引導(dǎo)，特別是風(fēng) 電等清潔能源的基礎(chǔ)建設(shè)、 生產(chǎn)利用、 環(huán)境控制等方面制定一些利于市場(chǎng)化發(fā)展的政策， 鼓勵(lì)相關(guān)研發(fā)，加大投入力度，強(qiáng)調(diào)提高能源利用效率的重要性，倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展。 （2）通過(guò)借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，完善能源相關(guān)法律法規(guī)，建立能源安全預(yù)警機(jī) 制、能源儲(chǔ)備機(jī)制和能源危機(jī)應(yīng)急機(jī)制，積極倡導(dǎo)能源多元化發(fā)展。 1.4 研究課題來(lái)源及內(nèi)容 近年來(lái)，由于油價(jià)一路攀升，發(fā)展風(fēng)能等清潔再生能源越來(lái)越受到國(guó)家的重視和大 力扶持。國(guó)家的十五規(guī)劃明確了國(guó)內(nèi)風(fēng)電設(shè)備要在市場(chǎng)份額中占據(jù)主力地位的目標(biāo)。盡 管我國(guó)的風(fēng)電制造在國(guó)際上取得了一定的地位， 但由于技術(shù)方面的限制， 不僅

42、產(chǎn)量較低， 而且主要部件仍然需要高價(jià)在國(guó)外采購(gòu)，盡管滿(mǎn)足了市場(chǎng)需求，但卻限制了風(fēng)電技術(shù)的 獨(dú)立自主發(fā)展。這其中，變槳系統(tǒng)就是需要攻克的一大難題，變槳伺服電機(jī)和控制系統(tǒng) 都依賴(lài)于從國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)仍未在這方面投入研發(fā)力量，高額的采購(gòu)價(jià)格，加上過(guò)長(zhǎng)的 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 西安科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 8 采購(gòu)周期， 也導(dǎo)致我國(guó)的風(fēng)電建設(shè)投資成本高昂， 從某種程度上限制了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 鑒于此，國(guó)家發(fā)改委規(guī)定，風(fēng)電設(shè)備未達(dá)到70%的國(guó)產(chǎn)化，不能投入建設(shè)。因此，國(guó)產(chǎn) 化風(fēng)電機(jī)組是中國(guó)發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的必要條件，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的全面化進(jìn)程，不論是風(fēng) 電制造商，還是投資企業(yè)，都應(yīng)該把建設(shè)擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電設(shè)備作為首要目標(biāo)和 責(zé)任。 本課題就是在這樣的背景下，我們利用plc，結(jié)合生產(chǎn)工藝，為1.5mw風(fēng)電機(jī)組設(shè) 計(jì)了一套變槳控制系統(tǒng)。 本文主要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究： （1）對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 （2）針對(duì)變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了變槳控制系統(tǒng)。 （3）提出了以plc為控制方案，并進(jìn)行了相應(yīng)的硬件組態(tài)。 （4）對(duì)plc進(jìn)行了下位機(jī)的控