1KW风机控制器设计开题报告

毕 业 设 计 开 题 报 告 1KW 风机控制器设计 学学 院 院 班班 级 级 指导教师 指导教师 职职 称 称 年 月 日 毕业设计开题报告 课题题目1KW 风机控制器设计 课题性质 A B C D E 课题来源 A B C D 成果形式 A B C D E 同组同学 开题报告内容 可另附页 指导教师意见 课题难度是否适中 工作量是否饱满 进度安排是否合理 工作条 件是否具备等 指导教师签名 年 月 日 专家组及学院意见 选题是否适宜 各项内容是否达到毕业设计 论文 大纲要求 整改意见等 专家组成员签字 教学院长 签章 年 月 日 附附 页页 1 课题研究的目的 自然界的风 是由于大气运动而产生的自然形式 大气运动则是因为大气受到 太阳的辐射 能量来源于大气吸收的部分太阳能 太阳到达地球辐射的 20 会 转变成风能 人类对于风能利用的历史久远 可以追溯到公元 10 世纪 波斯就 出现了种水平转动的风磨 即为以风车为动力的磨坊 公元 12 世纪时 欧洲开 始使用风车来抽水 碾磨谷物 海航中利用风帆来推进船只前进等 此后 风 车和风帆一直是人们主要的动力机械 到 19 世纪中叶蒸汽机出现之后 以风能 为主能源的应用才逐渐减少 中国开始利用风车作为动力大约在 13 世纪中叶 在风电领域中引入新技术 例如计算机技术和先进的控制技术 这一举措使得 风电机组的控制方式从单一的定浆距失速式转变为智能化的 偏航变桨距变速 式的 主要的控制方式有人工手动调控 计算机模拟 上下通信 预测调控 微控制器自动检测调控等 在智能化的风电领域中 通过调节发电机电磁力矩 和风电机轮片桨距角使叶尖速比保持在最佳值 实现风力的最大能量获取 利 用风速风向 风力测量仪检测实际模拟量和数字量或是电功率 传递给主控制 器进行运算处理 控制器做出相应的控制措施 调整轮片转速 偏航角度等 但在随机性差异大 不确定因素多 非线性严重的风电系统中 这种简单的控 制方法也会产生很大的误差 所以在国际国内范围内 研究人员都致力于最合 适的控制方式 例如模糊逻辑控制 神经网络智能控制 鲁棒控制等 使风电 控制相自动化智能化一体化方向发展 传统的风力发电控制方法存在诸多不足 引起较大的能量损失 基于 PLC 为主 控制器的控制系统 结构简单 通用性强 编程方便 抗干扰能力强 可靠性 较高 并且维护起来比较方面 能够直观的反应现场信号的变化状态 通过编 程工具可以直接观察系统的运行状态 极大的方面了维护人员查找故障 缩短 了对系统维护的时间 随着新型控制算法的研究和应用 可以有效提高风能利 用效率 对于提高风电机组的发电量 减小风电成本具有重要意义 2 主要研究内容 风机控制器是风力发电系统的核心 本课题以 1KW 小型风机为例 研究家庭用 风机控制系统 研发主控制器的构想 并付诸实践 研发出的基于 PLC 的风力 发电机组主控制器能够进行通信 数据采集和处理 流程控制 满足作为主控 制器的基本功能 本文具体研究内容如下 一风力发电的发展现状和趋势研究 我国风力发电产业的发展是从 10kW 以下 独立运行 户用 蓄电池储能的小 型风力发电机组开始的 目前 开发 研制 生产小型风力发电机组的单位共 43 家 其中 大专院校 科研院所 16 家 主机厂 17 家和配套厂 10 家 年生 产能力超过了 3 万台 截至 2000 年底 我国小型风力发电机组生产企业累计共 生产各种小型风力发电机组台 总装机容量为 50277 万 kW 年发电量 7066 万 kWh 其中 内蒙台 占 73 所生产的小型风力发电机组 除满足国内用户 需要外 还出口远销到印尼 瑞典等 23 个国家和地区 累计出口各种小型发电 机组近 5000 台 我国小型风力发电机组保有量 年产量 生产能力均列世界之 首 小风电经过长期的推广应用 近来出现以下发展趋势 1 机组功率由小变大 随着生活水平的提高 日用电器迅速增加 每日用电 量也由 1 1 2kWh 增加到 2 kWh 以上 30W 50W 的风力发电机组早已停止 生产 100W 机组也逐年下降 300W 500W 1000W 机组逐年增加 除照明 看电视外 电冰箱 洗衣机 电脑 VCD 以及人 畜饮水等也需要用电 2 由一户一机 推广到多机联网供电 采用较大功率的户用机组或几台机组 并联 供几户或一个村庄用电 如 广东虎门海边一个村庄就用 6 台 3 kW 风机 建成独立电网供电 3 由单一风力发电机组供电发展到多能互补 即 风 光 互 补 风 光 柴 互补 风 柴 互补 最近云南根据当地情况 试用 风力发电 微水电 互补 4 用户使用范围扩大 由边远地区农牧民应用发展到近海养殖 内陆湖泊 气象台站 微波 电视差转 部队边防哨所及远离大陆的地方 如南沙群岛华 阳礁海军部队也应用风力发电 二小型风力发电的主要技术特点和难点 风力发电是一个综合性技术很强的项目 它涉及 电机学 空气动力学 材料 力学 自动控制 微电脑应用 机械系统工程 电力系统工程 现有的风力发 电机的比较难以解决的缺点主要有 1 由于风速从微风到台风 有极大的波动范围 发电机要在极低转速和极 高转速都要正常发电 因此发电机设计难度较大 制造成本很高 同时 充电 电路和软件算法也有较高的设计难度 2 台风到来时 风速极高 一般发电机无法承受这么高的速度 经常造成 电机烧毁 3 风力发电机的并网系统的电路太复杂 导致成本很高 但电能转换效率 却比较低 4 风机受力时是偏心的 因此寿命很难突破 20 年 维护成本比较高 5 风机占用场地比较大 安装风机的底座基础要求强度高 旋转的叶片有一 定的危险性 因此要在一般的屋顶安装风力发电机有困难 三小型风力发电的组成 技术特点 实现技术 小型风力发电机组一般由下列几部分组成 风轮 发电机 调速和调向机构 停车机构 塔架及拉索等 控制器 蓄电池 逆变器等 风轮 小型风力机的风轮大多用 2 3 个叶片组成 它是把风能转化为机械能的 部件 目前风轮叶片的材质主要有两种 一种是玻璃钢材料 一般用玻璃丝布 和调配好的环氧树脂在模型内手工糊制 在内腔填加一些填充材料 手工糊制 适用于不同形状和变截面的叶片但手工制作费工费时 产品质量不易控制 国 外小风机也采用机械化生产等截面叶片 大大提高了叶片生产的效率和产品质 量 发电机 小型风力发电机一般采用的是永磁式交流发电机 由风轮驱动发电机 产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电 调向机构 调速机构和停车机构 为了从风中获取能量 风轮旋转面应垂直于 风向 在小型风机中 这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现 同时随 着风速的增加 要对风轮的转速有所限制 这是因为一方面过快的转速会对风 轮和风力机的其他部件造成损坏 另一方面也需要把发电机的功率输出限定在 一定范围内 由于小型风力机的结构比较简单 目前一般采用叶轮侧偏式调速 方式 这种调速机构在风速风向变化转大时容易造成风轮和尾翼的摆动 从而 引起风力机的振动 因此 在风速较大时 特别是蓄电池已经充满的情况 应 人工控制风力机停机 在有的小型风力机中设计有手动刹车机构 另外在实践 可采用侧偏停机方式 即在尾翼上固定一软绳 当需要停机时 拉动尾翼 使 风轮侧向于风向 从而达到停车的目的 小型风力机的塔架一般由塔管和 3 4 根拉索组成 高度 6 9 米 也可根据当 地实际情况灵活选取 蓄电池 是发电系统中的一个非常重要的部件 多采用汽车用铅酸电瓶 近年 来国内有些厂家也开发出了适用于风能太阳能应用的专用铅酸蓄电池 也有选 用镉镍碱性蓄电池的 但价格较贵 控制器和逆变器 风力机控制器的功能是控制和显示风力机对蓄电池的充电 以保证蓄电池不至于过充和过放 以保证蓄电池的正常使用和整个系统的可靠 工作 目前风力机控制器一般都附带一个耗能负载 它的作用是在蓄电池瓶已 充满 外部负荷很小时来吸纳风力机发出的电能 逆变器 逆变器是把直流电 12V 24V 36V 48V 变成 220V 交流电的装置 因为目前市场上很多用电器是 220V 供电的 因此这一装置在很多应用场合是必 须的 四各种主流小型风力发电站的系统架构及控制系统的比较 五自主设计一个基于 PLC 的 1KW 风力发电控制系统 实现风机控制 中控 变桨 偏航 发电 计量 安全监控等功能 包括结构 布局 系统架构 硬件选型 处理流程 3 课题的准备情况及进度计划 周次工作内容 第 1 第 3 周 查阅有关无 PLC 及其控制器的资料 初步弄清楚 基于 plc 的风力发电机的控制器设计的原理 要求 弄清楚基本的设计思路 第 4 第 6 周 仔细学习风力发电机的相关原理知识和 plc 系统的结构和原理 尤其是控制器的原理和设计 方法 第 7 第 9 周 建立数学模型并进行控制系统的整体性能仿真 第 10 第 12 进行基于 plc 的风力发电机的控制器设计的学习和设计 4 参考文献 ll 赵勇强 风力发电技术发展状况与趋势分析 Jl 中国科技产业 71 2 苏绍蜀 风力发电机设计及运行维护 M 北京中国电力出版社 20071 8 3 李勇东 风力发电的发展现状和前景 J 电气时代 2008 315 19 4 王新坤 风力发电机偏航系统控制 D 内蒙古科技大学 2005 5 唐利忠 风力偏航系统的设计与控制 D 华北电力大学科技学院机械工程系 2011 6 高粱 风力发电机组控制技术的研究一偏航控制方法的研究 D 西华大学水利 水电工程系 2008 7 叶航冶 风力发电机组的控制技术 M 北京 机械工业出版社 2002 8 李方园 PLC 控制技术 M 北京电了工业出版社 2010 9 龚仲华 57 200 系列 PLC 应用技术 M 北京人民邮电出版社 2011 10 姜建芳 西门子 57 200 PLC 工程应用技术教程 M 北京机械工业出版社 2010 11 程安宇 赵兰涛 倪红霞 陈卓 赵双 快速学通西门子 PLC 57 200 300 M 北京人民邮电出版社 2011 12 廖常初 PLC 编程及应用 M 北京机械工业出版社 2008 13 胡喜仁刘昌丽康士延 AutoCAD2012 中文版电气设计标准实例教程 M 北京科 学出版社 2012 14 刘美俊 西门子 S7 系列 PLC 的应用与维护 M 北京机械工业出版社 2008 15 周晓平姜建芳 57 200 系列 PLC 与监控计算机通信实现的研究 J 2003 6 7 8 16 刘安杰 西门子 PLC 定时器应用原理与编程技巧 J PLC A 2007 2 51 53 17 戚义双 基于变浆距的风力发电控制系统研究 D 济南大学控制理论与控制工 程 2011 18 贺烨 兆瓦级风电机组偏航系统的设计 D 自动化系 2010 19