風力發(fā)電機組變槳矩控制系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文(已修改)

　

【正文】 風力發(fā)電機組變槳矩控制系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文目錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 論文的研究背景 1 選題的意義 2 風力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)國內外的研究現(xiàn)狀 2 本論文主要工作 3第二章 風力發(fā)電機組的基本組成、基本理論與變槳矩系統(tǒng) 4 4 5 6 7 7 8 9 9 UPS供電系統(tǒng) 9 10 10 10 11 14 14 14 15 15 16 16 17 17 19 風力發(fā)電機組變槳矩驅動裝置比較和選擇 21 液壓變槳與電動變槳技術比較 21 液壓變槳與電動變槳供應鏈分析 22 24第三章 變槳系統(tǒng)設備選型與硬件電路設計 25 25 25 26 27 31 32 35第四章 變槳系統(tǒng)軟件設計 36 PLC的介紹和選擇 36 PLC的定義、特點及組成 36 PLC的基本工作原理 38 PLC主要部件的選擇 39 編程條件設計 39 42 43第五章 總結與展望 44參考文獻： 45附錄A 47附錄B 53致 謝 70 71第一章 緒論 論文的研究背景在21世紀的今天，能源、環(huán)境已成為人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題，常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主。它不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。因此，對可再生能源的開發(fā)利用受到世界各國的高度重視。日前風能是具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源之一。從全球范圍來看，風力發(fā)電已經(jīng)從試驗研究階段迅速發(fā)展為一項成熟技術。現(xiàn)代風電技術面臨的挑戰(zhàn)主要包括進一步提高可靠性、提高效率和降低成本。中國擁有著遼闊的地域、狹長的海岸、風能資源極其豐富。根據(jù)不完全數(shù)字統(tǒng)計，（根據(jù)地面以上10m高度的風力資料計算得出），風能資源的總量高達10億千瓦，所以我國開發(fā)和利用風能的潛力非常大[1]。截止到2008年12月底，；國內已有25個省、市、自治區(qū)已具有風電裝機，風力發(fā)電機組總的裝機容量達到6500萬千瓦。《全球風能展望2010》報告稱，2010年，在每3臺安裝完成的風電機組中，就有1臺安裝在中國。到2020年，中國的風電機組總裝機容量有可能達到現(xiàn)在的10倍，屆時風力發(fā)電可解決全球約12%的電力需求量，到2030年可達到22%。隨著風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術的不斷成熟和發(fā)展，變槳矩風力發(fā)電機的優(yōu)越性越來越突顯；于是風力機運行的可靠性有了大大的提高；再加上擁有高的風能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線；進而由于葉輪的重量有所減輕，因此風力機的受力狀況有了極大的改善，這就使風力機在不同的風速下運行時，始終保持著最佳的轉換效率，從而獲得最大的輸出功率，提高風能利用率。當前，單機容量越來越大，兆瓦級別的機組占據(jù)了主要位置，變槳矩技術已經(jīng)成為了風電的發(fā)展趨勢。 選題的意義變槳矩風力發(fā)電機組有很多的優(yōu)越性，變槳矩風力發(fā)電機組將會成為大型風力發(fā)電機組發(fā)展的主流[2]。而變槳矩風力發(fā)電機組核心之一就是變槳矩系統(tǒng)，其中的變槳矩控制器是非常重要的，合理控制槳葉角度，在額定風速以下運行時與變速恒頻技術結合以最大限度的獲取能量，在額定風速以上運行時能夠得到穩(wěn)定的功率輸出。控制器設計的是否合理直接關系到變槳矩風力發(fā)電機組是否能夠正常、可靠、安全的運行。我國幅員遼闊，蘊藏著豐富的風力資源。為了開發(fā)利用我國的風力資源，應盡快研制生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權的風電設備，以減少對進口設備的依賴，降低風電的制造成本對我國的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。本課題對變槳矩風力發(fā)電機組的變槳矩控制系統(tǒng)進行研究，希望對我國變槳矩控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化提供有益參考，具有重要的現(xiàn)實意義。 風力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)國內外的研究現(xiàn)狀 風力發(fā)電發(fā)展到20世紀80年代，風力發(fā)電機裝機還比較少，技術也不夠成熟，發(fā)展到90年代中期，世界風力發(fā)電技術取得了突飛猛進的發(fā)展，設計、制造技術日趨成熟，產(chǎn)品進入商品化階段，功率等級從幾十千瓦到幾百千瓦，逐漸發(fā)展為兆瓦級。同時，也對風電并網(wǎng)技術的發(fā)展起到了促進作用，而且風電場的建設和管理水平以及規(guī)模也上升到嶄新的階段。國外最早的風力發(fā)電機主要采用定槳矩系統(tǒng)[3]。國內如新疆金風科技早期主要研發(fā)和制造定槳矩風力發(fā)電機。對于定槳矩風力發(fā)電機組，在低風速段的風能利用系數(shù)高，而當風速接近額定點，風能利用系數(shù)開始大幅度下降，這時隨著風速的升高，功率上升己趨緩，而過了額定點后，槳葉已開始失速，風速升高，功率反而有所下降。所以定槳矩風力發(fā)電機組對風能利用效率不高。目前世界上風力發(fā)電機上大多采用變槳矩控制系統(tǒng)。其特點是:變槳矩風力發(fā)電機的整個葉片攻角在一定范圍繞葉片中心軸旋轉，使葉片攻角在一定范圍內(一般為00一900)變化，以調節(jié)輸出功率不超過設計的容許值[4]。變槳系統(tǒng)按照原理有分為電動變槳和液壓變槳兩種，主要是動力不一樣，電動變槳用伺服電機驅動，液壓變槳用液壓缸驅動。世界上的風力發(fā)的廠家和發(fā)展情況如下:世界風電廠家Vestas，Aeciona，Enercon，Gamesa，Dewind，GE，三菱重工等。Vestas所占份額最大，超過百分之三十，他連同Gamesa都主要采用液壓變槳系統(tǒng)[5]。其余的廠家多采用電動變槳系統(tǒng)。我國早在上個世紀七八十年代開始研制風力發(fā)電機組，但直到90年代，風力發(fā)電才真正從科研走向市場。初期研制成功的主要是額定功率為600KW以下的風力發(fā)電機組，近年來開始研制兆瓦級風力發(fā)電機組，并且已經(jīng)取得成功，其制造技術已基本掌握。雖然我國近幾年風電發(fā)展快，但是相比國外，我國在風力發(fā)電技術上的研究比較落后。主要是工藝技術落后，零部件以及大容量的風力發(fā)電裝置大多數(shù)依靠進口，因此，我國風電行業(yè)有很長的路要走。 本論文主要工作隨著常規(guī)能源的消耗越來越大，越來越多的國家都在加快風力發(fā)電的步伐，尤其是中國這樣的大國，能源消耗特別大，所以要積極開發(fā)新能源、綠色能源。由于我國風力發(fā)電起步慢，技術相對落后，在加快發(fā)展規(guī)模的同時，要引進國外技術，學習歐洲國家的先進技術。隨著我國對風電的越來越重視，我國的風電產(chǎn)業(yè)將會快步前進。從發(fā)展趨勢來看，風力機將會向單機容量大、變槳矩、變速恒頻和智能控制等方向發(fā)展。本文的主要研究工作有以下幾點：1）查閱大量相關風力發(fā)電的國內外相關資料，了解風力發(fā)電技術的發(fā)展趨勢和最新動態(tài)。2）討論了電動變槳矩系統(tǒng)與液壓變槳矩系統(tǒng)的優(yōu)缺點，對獨立變槳矩和統(tǒng)一變槳矩進行了分析。3）對風力發(fā)電機的空氣動力學特性進行分析，確定不同風速段的不同控制策略。4）變槳矩控制系統(tǒng)設備選型，基于S7200 PLC采用PID算法控制設計了控制框圖和硬件電路圖，及其控制程序。5）對本次設計進行思考和總結。第二章 風力發(fā)電機組的基本組成、基本理論與變槳矩系統(tǒng)隨著風力發(fā)電機組的單機容量的不斷增大，在額定風速下能提高捕獲風能效率，在額定風速以上能保持額定功率穩(wěn)定輸出成為迫切需要解決的問題。變槳矩調速方式和變速恒頻技術，在捕獲風能效率和穩(wěn)定輸出功率等問題上顯示出優(yōu)勢，逐漸占據(jù)了風力發(fā)電技術的主導地位。變槳矩控制是保持功率穩(wěn)定輸出的主要手段，因此本章介紹了風力發(fā)電機組的基本組成，基于風機空氣動力學原理、變槳矩系統(tǒng)原理與結構，以及變槳矩風力機組的運行狀態(tài)，風力發(fā)電機組變槳矩驅動裝置比較和選擇，為本文的變槳矩控制提供了理論基礎。目前，風力發(fā)電機組系統(tǒng)有常見的幾種結構形式如異步感應風力發(fā)電機系統(tǒng)，同步風力發(fā)電機系統(tǒng)和雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)。目前研究最多的也是雙饋感應風力機系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)相比，采用雙饋電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)具有風能利用系數(shù)高，能吸收由風速突變所產(chǎn)生的能量波動以避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩和應力，以及可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)等但無論哪種結構形式，風力發(fā)電機系統(tǒng)基本包括以下幾個組成部分：風力機槳葉系統(tǒng)，齒輪箱系統(tǒng)（永磁直趨式風力發(fā)電機則無齒輪增速箱，）發(fā)電機系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)，剎車系統(tǒng)等。[6] 永磁直驅式風力發(fā)電機風輪是吸收風能并將其轉換成機械能的部件，風以一定的速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉力矩而轉動，將風能轉變?yōu)闄C械能，進而通過增速器驅動發(fā)電機。風能是隨機性能源，當風力變化時，風力機軸上輸出功率也將隨之發(fā)生變化，因此如何調節(jié)風力機的輸出功率對并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機而言是十分重要的關鍵技術之一。對于水平軸風力機，功率調節(jié)方式可分為兩類，即變槳矩功率調節(jié)與定槳矩失速功率調節(jié)。(1)定槳矩系統(tǒng)對于定槳矩系統(tǒng)，其槳葉與輪轂的連接是固定的，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之改變。就是根據(jù)計算所得的實際安裝角將其固定到輪轂上，不能變動葉片安裝角。這一特點，給定槳矩風力發(fā)電機組提出了兩個必須要解決的問題，一是當風速高于風輪額定風速時，槳葉必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，因為風力機上所有材料的物理性能是有限度的。稱槳葉的這一特性為自動失速性能。二是運行中的風力發(fā)電機組在突然失去電網(wǎng)的情況下，槳葉自身必須具備制動能力，使風力發(fā)電機組能夠在大風情況下安全停機。為解決這樣的問題，制造商家通過改善葉輪的制造材料，采用加強玻璃塑料、碳纖維強化塑料、鋼和鋁合成。另外在槳葉尖部安裝葉尖擾流器，在需要制動時打開。由于葉尖部分處于矩離軸的最遠點，整個葉片作為一個長的杠桿，擾流器產(chǎn)生的氣動阻力相當高，足以使風力機在幾乎沒有任何磨損的情況下迅速減速，這一過程即是槳葉空氣動力剎車。 (2)變槳矩系統(tǒng)就是葉片用可轉動的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個葉片可同步轉動以改變葉片的安裝角，即同步改變葉片的迎角以滿足不同的風速條件下風力發(fā)電機得到最大功率。隨著風力機單機容量的不斷增加，風力機發(fā)電效率和可靠性的不斷改善，大中型風力機的葉片材料逐漸由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、質量輕的碳纖維。[7]由于風力發(fā)電機槳葉的轉速達不到發(fā)電機所需的同步轉速，這就需要增速齒輪箱。增速箱的低速軸接槳葉，高速軸連接發(fā)電機（直驅式風力發(fā)電機則沒有齒輪箱機構）齒輪箱系統(tǒng)的特點是：（1）低速軸采用行星架浮動，高速軸采用斜齒輪（螺旋齒輪）浮動，這種兩級或者三級的復合齒輪形式，使結構簡化而緊湊，同時均載效果好。（2）輸入軸的強度高、剛性大、加大支承，可承受大的徑向力、軸向力和傳遞大的轉矩，以適應風力發(fā)電的要求。在大型風力發(fā)電機中，發(fā)電機的極數(shù)愈多，增速箱的傳動比就可以越小。國外一般采用24極的發(fā)電機。風力發(fā)電機組的設計通常要求在無人值班運行條件下工作長達20年之久，因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗。近年來國內外風力發(fā)電機組故障率最高的部件當數(shù)齒輪箱，而齒輪箱的故障絕大多數(shù)是由于軸承的故障造成。在齒輪箱的使用中，應根據(jù)使用地點的不同添加潤滑油冷卻或加溫機構，以確保齒輪箱的潤滑，增加其使用壽命。 與傳統(tǒng)的風力發(fā)電機系統(tǒng)相比，直驅永磁風力發(fā)電機取消了沉重的增速齒輪箱，提高了風力發(fā)電機組的可靠性和可利用率，降低了制造和維護成本，減小了機械效率損失，提高了運行效率。開發(fā)直驅式風力發(fā)電機組是我國日后風力發(fā)電機制造的趨勢之一。該齒輪箱系統(tǒng)是一個3級行星/螺旋（斜齒輪）復合機構。 齒輪箱結構圖現(xiàn)今，風力發(fā)電機的單機容量越來越大。風力發(fā)電機所用的發(fā)電機一般采用異步發(fā)電機，對于定槳矩風力發(fā)電機組，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機，這一方案不僅解決了低功率時發(fā)電機的效率問題，而且還改善了低風速時的葉尖速比。由于繞線式異步發(fā)電機有滑環(huán)電刷，這種摩擦接觸式結構在風力發(fā)電惡劣的運行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。所以，有些風力發(fā)電系統(tǒng)采用無刷雙反饋電機，該電機定子有兩套極數(shù)不同的繞組，轉子為籠型結構，無須滑環(huán)與電刷，可靠性高。目前，這種發(fā)電機形式成為各風電制造廠商生產(chǎn)的主流形式。但對于直驅式風力發(fā)電機系統(tǒng)，采用的是永磁同步發(fā)電機形式。這種直接驅動式風力發(fā)電機組由于沒有齒輪箱，零部件數(shù)量相對傳統(tǒng)風電機組要少得多。直驅式風力發(fā)電機組在我國是一種新型的產(chǎn)品，但在國外已經(jīng)發(fā)展了很長時間。目前我國在直驅式風機中系統(tǒng)的研究相對傳統(tǒng)機型較少，但開發(fā)直驅式風力發(fā)電機組也是我國日后風機制造的趨勢之一。，通過軸承與齒輪箱機構連接。 雙反饋異步感應發(fā)電機系統(tǒng)結構圖與一般工業(yè)控制過程不同，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)狀況和機組運行參數(shù)，而且還要根據(jù)風速與風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電量。定槳矩風力發(fā)電機組主要解決了風力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術、空氣動力剎車技術、偏航與自動解纜技術，這些都是并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組需要解決的最基本的問題。定槳矩風力機控制系統(tǒng)由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制的，槳葉的節(jié)矩角在安裝時已經(jīng)固定；發(fā)電機的轉速則是由電網(wǎng)頻率限制。所以，在允許的風速范圍內，該形式的控制系統(tǒng)在運行過程中對由于風速的變化引起輸出量的變化是不作任何控制的。變槳矩風力發(fā)電機組，則在控制性能方面，大大改善，不但在起動時可對轉速進行控制，在并網(wǎng)后則可對功率進行控制。相對于定槳矩風力發(fā)電機組來說，變槳矩風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)也不再是簡單的執(zhí)行機構，作為變矩系統(tǒng)，它自身是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了電液比例閥或驅動電機，控制系統(tǒng)水平得到了極大的改善和提高，并逐漸發(fā)展成熟。使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。由于風向經(jīng)常改變，偏航系統(tǒng)是用來調整風力機的風輪葉片旋轉平面與空氣流動方向相對位置的機構，因為當風輪葉片旋轉平面與氣流方向垂直時，風力機從流