基于沙漠地带昼夜及地表-地下温差的全天候联合发电系统

基于沙漠地带昼夜及地表——地下温差的全天候联合发电系统【实用文档】doc文档可直接使用可编辑，欢迎下载

基于沙漠地带昼夜及地表——地下温差的全天候联合发电系统基于沙漠地带昼夜及地表——地下温差的全天候联合发电系统【实用文档】doc文档可直接使用可编辑，欢迎下载作品内容简介本项目针对全球沙漠分布广、太阳能储量丰富、昼夜及地表-地下间温差均较大、且目前尚未开发利用等特点,提出了一套基于沙漠地带昼夜及地表-地下温差的全天候联合发电系统设计思路.最终研究设计了一套包含集热模块、蓄热模块、冷凝模块、以及汽轮机与循环泵等的系统。项目设计的日间发电系统集热装置利用沙漠地表收集热量，与地下数米处形成4０ºC以上的温差,结合汽轮机与循环泵，利用卡诺循环原理在白天发电。同时，设计的蓄热装置将部分收集到的热量储存起来，用于夜间与地下冷凝模块等配合发电。这个部分是当白天已经不发电或发电量已经很少的情况下才开始运行，整个系统可实现沙漠地带日间地表、地下温差发电与夜间蓄热装置、地下温差发电的平衡互补功能，最终实现全天候联合互补平衡发电。预期成果对将来大规模开发利用沙漠地带储存的太阳能、实现社会的可持续发展具有重要理论价值和和实际意义。1研究背景及意义能源消耗的全球性增长与非洁净能源的大量使用是造成全球环境污染的主要原因,环境问题的严峻现实迫使人类努力寻找一条人口、经济、社会、资源与环境相互协调的可持续发展道路,开发利用可再生绿色能源已成为当务之急。目前,全世界沙漠面积约有3３７0万平方公里,占全球陆地总面积的近２5％，沙漠的类型有热带、亚热带和温带沙漠,其中，热带和亚热带沙漠主要分布在南北回归线附近副热带高气压带控制下的地区，太阳能蕴藏丰富［１］。以我国为例,沙漠地区每年每平方米可以得到的太阳能大约是５０0０～6000MJ，我国40万平方公里沙漠面积上每年得到的太阳能大约折合700亿吨标准煤［2].目前这些储藏丰富的太阳能绝大部分尚未开发利用,少量则以太阳能电池板发电利用方式为主,成本高昂，限制了推广应用。目前温差发电系统主要用在海洋能利用方面[3，４]，以海洋受太阳能加热的表层海水作为高温热源，而以500～１000m深处的海水作为低温热源，用热机组成的热力循环系统依据卡诺循环原理进行发电。从高温热源到低温热源，可获得总温差1５～20ºC左右的有效能量,最终仅获得具有工程意义的1１ºC温差的能量［5］。但海上气候复杂多变,对发电系统可靠性、稳定性、安全性等方面要求很高，特别是高昂的造价、较低的能量转换效率严重限制了它的应用，海洋温差发电系统目前仍处于示范性阶段.而在沙漠地带，白天地表的温度可以达到５0～６0ºC，地下5m深处温度却仅有10ºＣ左右，而夜间地表也会降到0ºC以下［6］,可见，白天地表-地下温差、昼夜温差均远大于海洋温差，如果能够开发设计出优良的集热装置、蓄热装置,则实现温差发电，乃至实现产业化远较海洋温差发电容易。针对上述分析，本项目研究了一套基于沙漠地带昼夜及地表-地下温差的全天候联合发电系统,系统利用分别布置于地表及地下的集热、冷凝模块，结合汽轮机与循环泵,利用卡诺循环原理在白天发电，并采用蓄热模块收集太阳热能，进一步储存起来,用于其与地下冷凝模块等配合,从而在夜间发电，最终实现全天候联合互补平衡发电。本系统大规模利用基本处于废弃状态的沙漠土地以及其储存的丰富的太阳能，对实现社会可持续发展具有重要的理论价值和现实意义。2设计方案2。1用于沙漠温差发电的工质研究在沙漠地带，沙漠浅层和地表以下（0-3m）存在着的温度差为２0~40ºＣ[7]，为了可以达到循环发电的效果，选择的工质的沸点应处于25～35ºC。工质应有良好的热物理性质,与管道材料应相容且应具有热稳定性,其他包括经挤性、安全性、环境保护都要进行考虑［８］。因为烃类是常见的太阳能制冷剂且沸点较符合本项目对工质的要求，所以在选择工质时主要对烃类的物质进行对比。表1工质对比名称熔点℃价格（元/㎏）优点缺点乙醛20.8５.７~5。8有辛辣的刺激性气味，无色（可以方便检验泄露情况)易燃，易挥发,其蒸气可与空气形成爆炸性混合物,具有一定的危险性,易氧化,性质活泼，腐蚀性较强一氟三氯甲烷23．７２6有醚味,而且不燃，化学性质较为稳定,在不含水分时对金属材料无腐蚀（对管道的危害性小，而便于检查泄露,在高温下不会发生化学反应)对坏境有危害，对水体可造成污染，对臭氧层破坏力强.在高热条件下可分解.若遇高热,容器内压升高，有开裂和爆炸的危险甲酸甲酯30较高有芳香气味，而且稳定极易燃,其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。遇明火或氧化剂有引起爆炸的危险由于循环时工质的温度和压强不是很高，所以工质在高温高压下的缺点可以忽略。通过表1发现,一氟三氯甲烷虽然对金属的腐蚀性较小且化学性质稳定,但其对坏境的危害性较大,价格较高；甲酸钾脂的价格也较高，且极易氧化，危险性较大,也不符合工质的要求；而乙醛的价格相对较为便宜，且有刺激性的气味,便于检漏，对于它的腐蚀性，可以选择耐腐蚀的管道来降低其影响。２.2地表-地下集热储能系统研究为提高集热器的集热效果、发电效率，本系统在集热模块上对材料进行了一些选择。采用高导热率的材料以及在表面涂上高导热率的涂层材料。为了有效防止接头发生泄漏，保证集热器的使用寿命，本系统对连接管也进行了选择。表２涂层材料对比涂层材料价格元/㎏热发色率吸收率优点缺点黑镍１7６。５～17７0．1０～0．15０.92～0．96电流密度低,分散能力好，电流的效率高等热稳定性、耐蚀性差,耐湿性差黑铬７６～７８0.0５~0.0920.87～0．97高选择性，耐温耐湿性能好,光学性能和机械性能稳定等。黑铬工艺需要在高电流密度和低温下操作。黑钴350~37０0。12~０.140．9４～0。９6蜂窝网状结构，光学性能稳定等基体需要预先镀铜或化学镀镍的玻璃。根据表2发现,黑铬有较明显的优点，而且性价比优越，所以选择黑铬为吸热板的涂层材料。表3管材的对比表管材价格元/㎏导热系数W/(m·㎏)比热容Ｊ／(㎏·K）密度㎏/m3铜５5．６～55．９３862368９30铝16。590２3982７1０钼125～13013825５959０根据表3数据，发现铝的价格比铜便宜，且比重仅有铜的三分之一，项目选择铝作为管道的加工材料。从表４可以看出，彩色铝合金管结构简单,使用方便且可高效安装；此外，具有高强度的铝合金螺母成本低，防腐效果好、安全可靠.所以项目选用彩色铝合金来作为连接管。表４连接管对比连接管名称铜管接管铜接头铝管彩色铝合金管管体铜管铜管加纯铝管铝合金管管表面铜表面热缩管黑铬涂层使用的螺母黄铜螺母黄铜螺母高强度铝合金螺母管体连接方式焊接焊接非焊接的扩口连接安全性安全铜铝接头存在隐患安全价格（相对于纯铜)１０0﹪40﹪３0﹪在上述工作基础上，设计了系统集热模块与冷凝模块,分别如图1、图2所示.在图1中，太阳光被吸热板上的黑铬涂层选择性吸收,透过透明玻璃盖板,在保温层和透明玻璃盖板之间形成温室效应,吸热板与管道中的工质进行热交换，把热量传递给工质，为了减少吸热板的能量损失及提高热传递的效率，本集热器的一大创新之处是在吸热板和透明玻璃盖板之间铺设了许多透明玻璃管，以减少自然对流引起的热损失。在图2中，利用多弯管增加工质与地下土壤的热交换，提高热交换的效率。图2蓄热模块图2蓄热模块2.3蓄热保温系统研究本系统的第二个环节即夜晚发电部分需要高效地将白天蓄积富余的太阳能储存起来，利用一般的显热蓄热蓄热密度小，而且在取热和放热过程中材料温度变化大，效果不好,利用相变潜热蓄热效率高［9］。选择的相变材料需满足相变温度适宜，相变潜热高，液相和固相的导热系数和导温系数高，膨胀系数小，无毒无腐蚀性等条件。无机相变材料特别是结晶水合盐价格便宜、体积蓄热密度和熔解热大，热导率也比较大，常用于低温储热中,对于其容易过冷以及分离的缺点,可以采用加入防过冷剂和防分离剂来实现。表5同类型相变材料对比相变材料熔点℃熔融热kJ/ｋg价格元/吨防过冷剂防分离剂硫酸钠Na2SO4·10H２032。425４.０0440－4８0硼砂高吸水树脂十二烷基苯磷酸氢二钠Na2HPO4·12H２Ｏ3５。0208．8060０0BaＳ,CaSＯ4,ＣaHPO4·１2Ｈ2OSiＯ2，膨润土聚乙烯醇氯化钙Ca2Cl2·6Ｈ202９。7278．845８0CaCO3，CaＳO４，Cａ（OＨ）２聚乙烯酰胺通过表5对比分析可知，磷酸氢二钠虽然相变温度适合，但价格相比其它物质高出很多且熔融热较低，虽然氯化钙熔融热较高且价格较低,但相变温度只有29.7ºC，不适合在沙漠中应用.综合以上比较与分析,最终选取硫酸钠作为相变材料.硫酸钠是一种典型的无机水合盐相变储能材料［１0]，有较高的潜（２5４kJ/kg）和良好的导热性能,化学稳定性好，无毒,价格低廉，来源广[11］。Nａ2SO4·10H20以其优越的性能，成为很具吸引力的潜热储热材料.1200012000图3为ＰCＭ相变换热装置的区域简化图，在工质流过的管道外围紧密地缠绕Na２SO4·10H20相变材料.白天气体工质从管道流过时，将热量传送给ＰCM,PCM由固体变为液体，吸收热量,工质自身变为液体,再回到管路循环。夜晚液体工质从管道流过时，ＰＣM将白天储存下来的热量传递给工质,PCM又由液体变为固体,放出热量，工质变为气态,再送到汽轮机进行发电,实现夜晚发电的目的,这个部分是当白天已经不发电或发电量已经很少的情况下才开始运行,真正做到白天夜晚的互补平衡发电。从图4中可以看到PCM容器与工质管道的安放位置及管道的进出口位置。2.４循环泵系统、汽轮机发电系统选型本部分对能够与本项目中换热工质长时间配用、相容性较好的低扬程循环泵系统、汽轮机发电系统进行选型设计。从表5中可以看出JMT－１0B的效率值较低，且扬程较低;而JMT-06—4。5的扬程过高，运行时耗电量大;ＪMT—07-3．5的扬程、效率适中，因此应选择JMＴ-0７-3.５型的水泵.表5水泵性能参数比较表型号流量范围m3／ｓ扬程m设计点效率%转速r/miｎ比转速JＭT－10B0.4142．65575。1914501６３7JＭT-０７－3。50。3８4３。68０8３．4２14５012３5JＭT—06-4。5０．４０24。８0085.6２１４501０34表6汽轮机性能参数表型号额定功率KＷ额定转速ｒ/ｍin进汽参数排汽参数本体质量吨压力ＭPａ温度℃压力MPａ温度℃B1.0-０。88/0。１5１000３０0０1．0－1。6２50－350０.１5-0.３０190-2303.51５00300０1．0—1。6250-3500．15-0．３０190－２３０３.５B1.5—２.３5／0.31５００5６002.３5３90０。3３609由计算得知，系统的发电量约为1140ＫW,B1．0-0.88／０．１５型汽轮机效率低，不能满足系统的最佳工况，会造成一定能量浪费；B１.5—2。35/0．3型汽轮机功率虽然满足要求,但其转速太大,本体质量过重，不利于安装检修，同时耗能大，不宜选用；B1.５－0。８８/0。１5型汽轮机功率满足要求,且转速和本体质量都不是太大，适宜选用。2。5发电系统总体配置、安装方案设计本发电系统的整体布置结构设计如图5所示,系统利用白天集热器（详见图1)所吸收的热量，将工质由液态变为气态。一部分气态工质通过蓄热器进行热交换(详见图3和4),把大部分热量储存在蓄热器中,再经过冷凝系统(详见图2)回到工质储备箱；另一部分气态工质经过闪蒸器后流经汽轮机进行发电,工质继续经过冷凝系统流回工质储备箱。夜间利用低功率泵把液态工质输送到蓄热器中,再与蓄热器进行热交换，把液态工质转换为气态,气态工质流经闪蒸器再与汽轮机结合进行发电,最后经冷凝系统回到工质储备箱。图5发电系统整体构建图图5发电系统整体构建图集热器闪蒸器G冷凝系统介质储备箱P蓄热器人工补给工质1集热器(详见模块一)2冷凝系统(详见模块二)3蓄热器(详见模块三)汽轮机发电机低功率泵3理论设计计算集热器的热计算平板式太阳能集热器如图１所示.包括散热辐射在内的投入太阳能辐射为；透明盖板采用厚度b＝4mm普通透明玻璃，吸热面采用铝材，其上镀有的光谱选择性涂层黑铬,查实验资料得吸热面的平均温度，覆盖玻璃内表面的平均温度，吸热面与覆盖玻璃的距离为。已知玻璃对太阳能的穿透比取为，吸热面对太阳能的吸收比(参见表２）,吸热面自身的发射率（参见表2）,覆盖玻璃板的发射率.这是一个复杂的热量传递过程:太阳的投入辐射到达覆盖玻璃上时，一部分穿透玻璃（取决于玻璃的穿透比)，穿透部分抵达吸热吸热面上时，其中的部分被吸收，其余则反射并透过覆盖玻璃抵达外界;由于吸热面的温度高于覆盖玻璃的温度,因此这两块平行板之间有辐射传热，假设单位面积的辐射吸热为；同时吸热面与空腔中的空气之间还有对流传热，假设换热量为.因此对集热器吸热面而言，单位面积记得到的热流密度，可表示为自然对流散热量计算：定性温度:空气的有关物性参数为:传热系数:运动粘度:普朗特数：努赛尔数:对流传热表面传热系数：单位面积对流传热换热量:辐射散热量的计算:单位面积辐射传热量:集热器的有效热流密度：：集热器的效率：这一集热器的效率不是很低，究其原因，除了采用选择性涂层外，吸热板上覆盖一块玻璃也是重要因素,这不仅利用了温室效应,而且也减少了表面的对流散热损失。然而从上面的计算可见,自然对流散热损失是一项主要损失。要进一步提高效率,现构想在吸热表面与玻璃板之间堆放一些对太阳光透明的材料（玻璃管），以抑制夹层中的自然对流(本技术的创新之处，如图1所示）。现假设自然对流能完全抑制，夹层中为纯空气导热，则吸热面的这一项散热在理想情况下可减少到加玻璃管后集热器有效热流密度:加玻璃管后集热器的效率:比较加玻璃管前后的集热器效率，可以看出加玻璃管后集热器效率明显提高，所以构想成立。查阅有关资料现取管道吸收的效率值，汽轮机的效率值，发电机的效率值。估算每平方米的发电量:4工作原理及性能分析塞贝克(SｅeBｅck）效应、伯尔帖（Peｌｔｉer）效应和汤姆逊(Thomsｏn)效应是热电转换材料的三个基本热电效应，也是构成热电转换的理论基础.温差发电技术就是利用热电转换材料的塞贝克(Seebｅck)效应，通过材料中的载流子运动进行能量形式的转换.该发电系统的集热装置在日间利用沙漠地表收集热量,将管道内的低沸点液体工质汽化，然后利用卡诺循环原理,将气体工质通过闪蒸器之后送入汽轮机进行发电。从汽轮机出来的气体利用地下数米的低温将其冷却，再利用泵装置将其送回地表,形成白天发电的循环系统。同时设计的蓄热装置将收集到的热量储存在蓄热装置中，夜间再将液体工质通过蓄热装置，将其汽化之后再通过闪蒸汽送入汽轮机进行发电，然后利用集热循环的冷却管道和泵装置构成夜晚发电的循环系统。整个系统可实现沙漠地带昼夜的互补平衡发电。5结语本项目设计开发了一套基于沙漠地带昼夜与地表－地下温差的全天候联合发电系统.本系统分为两个阶段,第一阶段在日间利用集热装置在沙漠地表收集热量,形成与地下数米处40ºＣ以上的温差，然后利用卡诺循环原理进行发电。第二阶段利用设计的蓄热装置将收集到的热量储存起来,在夜间用于与地下低温热源间的发电。同时本项目中选用了能与换热工质长时间配用，且相容性较好的汽轮机发电系统、低扬程循环泵系统.此外,还设计了与系统适用的、特别是能够满足工质要求、气候地质要求的管路。本发电系统可实现沙漠地带日间地表、地下温差发电与夜间蓄热装置、地下温差发电的平衡互补功能.本项目不仅可以降低发电成本，且可大规模利用基本处于废弃状态的沙漠,对实现社会可持续发展具有重要的理论价值和现实意义.参考文献联合国环境规划署.全球沙漠展望［M]。2006。张学文。三个世纪的沙漠观。hｔtp：／／www。sｃieｎceｎｅt.cｎ／m/uｓer_conteｎt．asｐx？iｄ=334９6，２0１0３,6．王迅,谷琳，李赫．海水温差能发电系统两种循环方式的比较研究［J]。海洋技术,200６,25(2)：３4－3８．杨鹏程,章学来,王文国,施敏敏．海洋温差发电技术［J]。上海电力,2０09，1：38—39．徐柏林，马勇，金英兰.当今世界海洋发电发展趋势［J]。发电设备，2００0，１：37-３8。李伟，赵镇南，王迅,刘奕晴．海洋温差能发电技术的现状与前景［J]。海洋工程,2004，22（2）:105－１０8.张学文。新能源－靠沙漠温度差发电。hｔtｐ：//zxw。idｍ．ｃn／eneｒgy。2０0９,1,5.李挂云，屠进．高温热管工质的选择［Ｊ］．节能技术，2001,19（1）：42－4３．杨培莹,章学来,吕磊磊，盛青青，叶金。太阳能蓄热墙相变蓄热材料的研究进展［Ｊ］。能源技术，2０08，29（２）：3８-39。蔡作乾,王琏,杨根.陶瓷材料辞典［M].北京：化学工业出版社,2002。马江生．相变储热材料Na2SO4·1０H20的研制［Ｊ］。海湖盐与化工，１99４，2３（１）：摘要全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到2０50年，世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。能源对经济级社会发展都至关重要,但这也带来了环境方面的挑战。我们必须探索能源生产与消费的各个方面,包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质，还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。风力发电的发展是时代的需要。在风力发电控制系统中，基于PＬC为主控制器的设计是未来的发展方向。本设计基于PLC的风力发电控制系统,旨在保证风力发电机偏航系统、齿轮箱、液压系统、发电机正常工作；通过选择合适的控制方法,使系统能更加稳定的运行，进而可以有效提高风力利用率.设计中主要对发电机控制电路、偏航控制电路、齿轮箱及液压站的运行和工作情况进行了设计,并绘制了相应的电气原理图。在控制电路中还说明了PLＣ、电动机及相应低压器件的型号选择，绘制了I／O接线图;在发电机控制电路中，设计了发电机的转速控制方面；偏航电路中，设计了对风、解缆功能；在液压系统中，设计了温控、压力控制功能；在齿轮箱系统中，设计了油位控制功能。同时在设计中还详细编写了各部分的控制程序,并进行了相关调试，另外利用S７—200仿真软件进行了系统仿真验证，仿真结果满足设计要求。关键词：可编程控制器；偏航；液压系统;控制系统；风力发电ABSTRACＴGloｂalpｏpｕｌatｉongrowｔｈanｄdevelopinｇｅcｏnｏmicexpansion,to2050,worldeneｒgｙdemａnｄmaydouｂleｏrevｅnｉnｃreaｓｅｄtｗotiｍes．Tｈｅwholｅofｌiｆeonearthdepｅndｓonbothtｈeeneｒgｙａndtheｃarboncyclｅ。Ｅnergyｆoreconomicｓｏｃialdｅvelｏｐｍeｎtareｃruｃial,butitｈasａｌsobrouｇhtｅnｖiｒoｎmentａlcｈalｌenges.Ｗｅmusteｘｐｌoｒetheenergyprｏｄｕcｔioｎａｎdconｓumptioninaｌlａｓpｅcｔs，incluｄingimpｒｏviｎgenergyefｆｉciｅｎcy，ｃleaneneｒgy，theｇlｏbalcａrbｏncyｃle，ｃarbonｒeｓoｕrce,wasteａndbiomass，bｕtalsｏpayattentiontｏthｅｍandcliｍaｔeanｄnatuｒalｒeｓｏurceprｏblemsbeｔｗeen。Windpoｗｅrdｅvｅｌopｍentiｓtheneedｏfｔhｅtimｅs.ＩnｔｈewｉｎdpoｗｅrcoｎｔroｌｓｙｓｔemｂasedoｎPｒoｇraｍmaｂlｅLogicCoｎtｒoller(PLC），mａinlyｉｓtｈedeｓｉgnoｆfutｕｒedevelｏｐmentdirectｉｏn．BａseｄoｎthedｅsｉgnｏｆPＬCwinｄpowercｏｎtｒoｌsysｔｅm,iｎoｒdｅrtoｅnｓuretｈeｗiｎdｍｉｌlｇｅｎｅratoｒｙａｗsｙstｅm，geaｒbox，hydraulicsysｔｅm，thegenｅrａｔorwｏrk;ｂyｓeleｃtingａppropriatecontｒｏlmｅtｈｏd，makｉngtｈeｓystｅｍmｏrestaｂlｅoｐeratiｏｎ,wｈiｃhcaｎeffeｃtivelyimｐrovｅｔheｕtｉliｚationratｅofwindpower.Desiｇnofthemainｇeneratorconｔrolcircuit,conｔrolcirｃｕit，ｇearｂｏxandhydrａulｉcsｔａtioｎｒunｎingandｗorkingｃondｉtiｏｎsｆorｔhedesign,andｄrawthecorｒｅsｐoｎｄingｅlｅcｔrｉcalschemａticdiａgｒaｍ。ThecontrolcｉｒcuiｔalsoshoｗｓPＬＣ，motoranｄcorrespondinglowｖoltａgedevｉcesｍｏdｅlｓeｌecｔｉon，reｎderiｎgｔheI／Owiｒｉngｄiagｒam;ｉngeｎeratorｃontrｏｌcｉrcuit，designｏftｈｅｇeneraｔorsｐｅｅｄcｏntrｏl;yaｗｃircｕｉt,designofｗｉｎd，stａrｔｉｎgｆｕncｔion;inthｅhydｒaｕlicsystem,ｄｅｓiｇntemperaturecontrol，ｐressurecontrolfuncｔion;ｉｎｔｈegearboxｓystｅm，designｔhｅlevelcontroｌfｕｎction。Iｎthedesｉｇnofthｅdｅtａiledwriｔｔeｎｐarｔsｃｏntrolprogrａm，andtherelevantdebugｇｉnｇ，whilｅｕsingS7－２０0sｉｍulａtionｓoｆtwaresimulatioｎsysteｍ，aｎdｔhｅｓimulａtioｎreｓulｔsandｍeｅtthedesignｒequirｅmeｎｔｓ.Keyｗoｒd：PｒｏgrammａbleLogicCoｎtrollｅｒ;Yaw；Hｙdrauｌicｓyｓtem;Ｃontｒolsysｔeｍ；WindＰowｅr目录1引言1．１选题目的和意义．．．。。．．．．.．。..．。....．。.．。...．．。．.．...．。..．.。．1.2国内外风力发电现状。。.．。．..。．....．。。．．。。..。．．。．．..．.．.．。...。１.2。１国外风力发电现状.。．．．．.．.．.．．。。..。.。。．．。。..。..．．.。..。.。．.1．2.2国内风力发电现状．．.．..．.．．．。。．。.．..。..。。.．..。.。。．．..．.．。.１。２.3风电机组发展趋势.．．。．。....。．。..。..。．。。。.。。...。。。。。.．．．．.．。1.2．4海上风电场的兴起．．..．．。．。..。。...。。．.。...．。．.．．．.．.．.。。..。.1．3研究设想及方法．．.。..。。．.。．。。..。。.．。。。．。.．.。..．．。．。.。...．.。．。1.４预期成果及意义.。。。...。．。。．．。。。..。。...．．。．。.．.．.．..．.。。.．．。。２系统整体方案设计．。。.。。.．.。...。．.。．。。。.。．．..。.。。。．。。.。..。.．.．．2。1系统工作原理。.。.．.．。。.。.。。。.。。.。..。.．．.。.。.。.。...．。.．。.。.．2.2系统工艺流程。．．．。。.。.．．。.。．．．．．.。．。。.。.．。..。.。．。.．..．.。。．．。.2。2.1控制模式介绍。。。..．。.．．..。．。.．。。．。。。．。。.。.。．.．.。．．.。..。.。。２。2．2各部分控制介绍。．.。．。.。。.。。．。.．．．．。。．。．.．.。．.。。．．。。.．.。..。2。3系统总体设计方案．..。..．.。..。.。。.。。．。。．．．。.。.。。。.．。．。。．。．..2.4本章小结．．。.．.．.．．。。。.．．.．....。．。..。..。。.......。.。．．...。..3控制系统硬件设计。.。。。．...。。．.。．..．。.。..。。.．.。。．．.．．.．.。．。.。。３．1ＰLC概述．。。．.．．.。.。。..。．。。。。．．．．．。。。..。．....。...。．．．。．．．。。3。１．１ＰLＣ的发展历程.．。．．。.。。。。。.．．．.。.。。。.。。。。.．.．.。．．.．.．．。。３.1.2PＬC的工作原理。。..。。。。。．.。。。.．．.。..。．．.．.．.。。。。。．．.．。．．。３.1.３控制系统的I/O通道地址分配。．.．。.。.。..。...。。。．．....．..．.3.1．4PＬＣ系统选型..．。.。．．。。。..。．。.。。。。。.。。。．。..。．。。。.．。。..。.3。2扩展模块选型.。.。.。．...。。。.。..。。.。．．。..。.．．。．．.．。．。．。．..3．２。1数字量输出扩展模块EM２2２．。．...．．...．.．。．...。．．.。。．。...。．3.２．2数字量输入∕输出扩展模块EM２2３．...．。．。。.。..．．。．。...。．。.３.2。3模拟量输入扩展模块EＭ231．．。．。．。.．．.。.。..。。.。.。。。。..．。。。3。2。4模拟量输入∕输出扩展模块EM235.。．。。.。。。..．..。.。。。。．。。。.3。3电机及驱动器选型与应用设计..．。.．．．.。.．..．．.。..。。.．。．。...３.3。１电机及驱动器选型。．..。。。。.。。．．。.．．...。．。。..。.。.。.。.．.．.3．3。2偏航电机主电路设计．..．.。..．。..．．。。。。。．..。。..。。.。。..。.．３.4检测元件选型与应用设计．．．．.。.。。．.。...。.．。．．。．．。．.。.。。...3。4.1温度传感器选型。。。。．..。.。...。......。.。..．。。．..。．。。。。．。3．４．2压力传感器选型。．。。.。..．．。。.。。.．．。。.。。.．。....．...。。。.3.4。３液位传感器选型。..。.。.。.。.。。...．。。。。．...．.．。．.。。．。。.。3.4.4偏航角度传感器和转速传感器选型..。。．．.。。。.。。．。.。．。.。.3。４.5风向标、风速仪选型．．。．。。．．．．。。.。．．。．.。．...。..。。.。。..３。5低压电器选型.....。.。．.．．.。．。....．。.。...。.。..。．。..．.。。。3.5.1接触器选型.。.。．．.．。．.。．。..．．。..．..。．．．。．...。.．。.。.。.3。5．2断路器选型．。。．。。。。.．。.。。。.。..．．.。。..。.。..．。.．。．。。。．.3。5。3熔断器选型．。．．．．。......．。．．．.．。。。．...。..。。。．。。.。．...3。5.4主令电器选型.。。．.。。．．．.．．.。。..。.．.。.．．．。.。。.。.。．。．。．3。５.5信号电器选型．。.。．。．．。．.．．。.。．。．．．。。.。..．.。．.。。．..。。３.6系统配电及电源选型.．.。。。.．．.。.。．．。。.。。．．。．。。..．．。.。．。3.7本章小结．.．。....。.。.。。..．.．.。.．。...．．．。．。.．．。。．。..。。。4控制系统软件设计。。..。．。。．．．．．。.。。.。。。.．.。....．.．。...．.．４.1程序流程图的设计。．.。...．。．。。．。．。。．...。。。。．.。．。..。。.．.4。１．1启停控制流程图.。．。。..．。.．。。．。。。..。.。．..。...．．。。.．。4.1.２偏航解缆控制流程图..．．．．。..。..．..．．.。．....．.。．.。．。４.1。3齿轮箱系统控制流程图。．。.。。．。.。.．.．。．...。。。。。.。．。.．4。1．4发电机系统控制流程图。。．．。。．。。．．.．．．．.。.。。．.．。．。.。。4.1.5液压系统控制流程图。。.。．。。.．。．。。．.。．．.。.．。.。.．.。..．．4。２控制程序设计。。．。。.。．.。．．.。.。。.。。.。..．．.．.。..。。.。。．.。．4.3组态界面设计。。..。。..。.。.．.。。。。。。．。..．.。.。。。.。.．....．。４。4程序调试。。。．．．．．.。..。．．。．..．。．..．。.．...。．。.．。。...．.。．4。5本章小结．.。。....。。．。．...。.。。。．。。..。.。．.．．。.。．.．.．....。5结束语．.。.．．。。。。。..．.。。.。。..。。。。。。..。..。。。..。．。.。。。。。。。。参考文献。。。..。。．。..。．．．..．。．.。．。.．．.．。．.。。..。。．..。.。.。．。.。致谢.．。.。。...。.。．...。。。．．．。．。.．.．。．..．..．。.。....。.。。。。第1章引言1．１目的和意义由于全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到２050年,世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。能源对经济级社会发展都至关重要，但这也带来了环境方面的挑战[1]。我们必须探索能源生产与消费的各个方面，包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质，还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。风电是目前技术最成熟、最具市场竞争力且极具发展潜力的可再生清洁能源，发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着及其重要的意义［2]。随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展。目前的控制方法是：当风速变化时通过调节发电机电磁力矩或风力机浆距角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最大捕获。控制方法基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪,利用风速测量值进行反馈控制，或电功率反馈控制[3]。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统，传统的控制方法会产生较大误差.因此近些年国内外都开展了这方面的研究。一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统.如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等。使风机控制向更加智能方向发展。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[4］.1。２国内外现状1．2.１世界风力发电发展状况随着国际社会能源紧缺压力不断增大，风力发电得到了高度的重视。近20多年来，风电技术日趋成熟，应用规模越来越大。200９年，全球新增发电装机超过38０0万千瓦，比２0０8年净增长110０万千瓦，累计装机容量突破1.５８亿千瓦，同比增长超过３１％.其中我国增长最快，维持了１00％的增速，当年吊装完成1４00万千瓦，比2０08年增加了７6０万千瓦，同比增长120%；欧盟实现装机容量1０56万千瓦,同比增长１7%；美国净增长99２万千瓦，同比增长了1９%。根据全球风能理事会的统计,截止到2010年12月,全球风电新增装机3580万千瓦，累计装机19440万千瓦，同比２009年(1587０万千瓦)增长可22.5％。2010年新增风电投资近47３亿欧元(650亿美元).从风电发展的区域分布来看，201０年欧洲、亚洲、北美仍分居世界三甲，２０10年底的装机容量分别达到了８7５6万千瓦、5８２8万千瓦和4６99万千瓦［5］.欧洲虽然仍居首位，但是与亚洲、北美的差距正在缩小，我国风电新增容量超过欧盟.业内人士普遍估计，到２015年三大地区风电装机容量将基本持平。从国别来看，我国已累计装机容量44７8万千瓦稳居榜首，美国以4027万千瓦的装机容量位居第二，德国则以2736万千瓦的容量位居第三位,西班牙和印度位居第四和第五，累计装机容量分别为2０３０万千瓦和1２97万千瓦。进入前十名的还有法国（５96万千瓦）、英国（586万千瓦)、意大利（5７9万千瓦）、加拿大(40１万千瓦）和葡萄牙（38３万千瓦)。从发电量占本国的比例来看,丹麦仍居世界榜首,约占本国发电量的2２%，西班牙以占据本国发电量１3的比例位居第二，位居前五位的国家还有葡萄牙、爱尔兰和德国，占本国发电量的比例分别是１2％,10％和8%。风电发电超过１％的国家共有20个，美国以2％的比例，位居第１２位.我国风电装机容量虽然居世界第二，但是发电量占全国发电量的比例还很低，大约为0。8％,位居世界２2位，比美国落后十个位次。除了传统的风电大国之外，英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本以及东欧的波兰等国也开始加速发展风电.200９年,风电累计装机超过3００万千瓦的国家已经达到10个，２000年还只有５个。风电已经成为世界范围内普遍接受的代替能源技术。面对200９年世界风电逆势飞扬的新形势，世界风电普遍调高了2020年风电发展预期。预计20２0年全球风电装机容量将达到６亿千瓦，其中估计2020年我国风电装机容量打到1.5亿千瓦［6]。1．２.1我国风力发电的发展情况我国地域幅员辽阔，风能资源丰富。对于风能的技术可开发量，根据中国气象科学研究院的保守估算数据，全国陆地上可开发利用的风能约2.53亿千瓦（依据地面以上10m高度风力资料计算),海上可开发利用的风能约7。5亿千瓦，共计约10亿千瓦[７］.而根据国际研究机构的初步测算,不包括新疆、西藏等西部地区，我国风能密度在300Ｗ/㎡以上的陆地面积超过65万平方公里，可以安装风力发电机37亿千瓦；风能密度在400Ｗ/㎡以上的陆地面积超过28万平方公里可以安装14亿千瓦的风力发电装备。如果考虑海上，我国风力发电的技术潜力可能超过２0亿千瓦。我国在20世纪60年代就开始研制有实用价值的新型风力机。70年代以后，发展较快,在装机容量、制造水平及发展规模上都居于世界前列.离网式小风电机组对解决边远地区农、牧、渔民基本生活用电发挥了重大作用。全国累计生产各类小风电机组20多万台，总容量6万多千瓦，小风电机组的年产量、产值和保有量均列世界之首。我国西部地区已有２０多万户农牧民安装了小风电机组，为接近1０0万农牧民提供了电力,成为我国风力发电的一大特色。发展风力发电有利于调整能源结构。从长远看，我国常规能源资源人均拥有量相对较少，为保持经济和社会的可持续发展,按目前估计的技术可开发储量计算,风电年发电量可达几万亿千瓦时.据推算，我国２020年需要１０亿千瓦的发电装机，4万亿千瓦时的发电量,之后如果按照人均２千瓦，达到中等发达国家生活水平的基本要求,在２05０年我国需要大约30亿千瓦的发电装机和12万亿千瓦时的发电量[8］。庞大的装机和发电量需求，给风力发电的发展提供了广阔的空间。我国政府提出的风电规划目标是到2020年风电装机达到1.５亿千瓦。20２0年之后的风电超过核电成为第三大主力发电电源，在20５0年前后达到或超过4亿千瓦,超过水电，成为第二大主力发电电源。1。2．3风电机组发展趋势目前风电市场上和风电场中安装的风力发电机组,绝大多数是水平轴、三叶片、上风向、管式塔形式，其他形式的机组较少见到.风电界整体上对机组技术的认识不再有大的分歧，开始集中力量向大型化、高质量和高效率方面发展，新的发展趋势表现在以下几个方面。从定桨距（失速型)向变桨距机组发展。风力发电机的失速功率调节方式和变桨距调节方式是目前大多数风力发电机组风能的收集和转换的主要功率调节方式。采用失速功率调节方式的风力发电机组的叶片不能绕其轴线转动，功率调节通过叶片自身的失速特性实现。这种方式有结构简单、故障概率底的优点，一度在风电机组中很受欢迎得到普遍采用[9]。其缺点主要是风力发电机组的性能受叶片失速性能的限制,额定风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降。另一个缺点是叶片形状和结构复杂、重量大，引起风轮转动惯量大,在研制大型风力发电机组时更为突出。从定转速向可变转速机组发展。采用变速恒频技术的风力发电机组允许其风轮的转速是可变的，风轮转速可根据风电机组受风的风速进行调整，以最大限度地吸收风的能量,提高了风轮（特别是在低风速区）的转换效率。可变恒频技术采用了双馈异步感应发电机技术可以使发电机始终工作在最佳工作状态，机电转换效率提高。单机容量大型化发展趋势。风电机组单机容量逐年增大的趋势愈来愈明显。风力发电机组大型化、单机装机功率的提高，是所有风电机组研究、设计和制造商不断最求的目标.最近几年，各种新型大型风电机组不断出现并得到迅速推广应用。8ＭＷ、10MW的风电机组也已研制成功,即将投入商业应用[1０］。1.2。4海上风电场的兴起尽管海上风电项目起步较晚，但越来越受到重视。其原因在于，海上风电场的优势明显：具有较高的风速；对环境的负面影响较少;风电机组距离海岸较远，视觉干扰很小；允许机组制造更为大型化,从而可以增加单位面积的总装机量；机组噪声排放的控制问题也不那样突出。当然，与陆上风电场的建设相比，还上风电场的建设又面临新的问题，如风电机组的海上选用问题，海上风电场工程建设施工问题,海上风电场的电量送出问题和海上风电场的运行维护问题，这些问题都在不断探索和解决之中.1.3研究设想及方法本次设计要求是设计一个风力发电机组主控系统，主控制器为PLC，主要完成的功能有风车具有适应风向的功能、在风机转动超出设定角度值时,具有自动解缆功能、能对风力的大小进行监测,并根据需要采取相应的措施.根据设计的要求,主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的偏航系统、齿轮箱系统、液压系统、温度控制等。本设计从工业实用角度出发,研究基于PＬＣ的风力发电控制系统。这就要求既要掌握PLＣ相关知识和特定PＬC的编程语言,也要有懂得一定的风力发电方面的知识[11］。此外，还必须涉及硬件电路的设计，才能将PLC控制和风力发电电路成功连接。1。４预期成果及意义我国风电产业起步较晚,目前对变速风电机组的运行特性及规律缺乏深入研究,在控制系统的产业化项目中，缺乏最优的控制策略依据。深入研究风电机组及风力机的运行特性和规律对于控制系统的分析与设计具有十分重要的指导意义。本设计主要依据风力发电机组的控制目标和控制策略,由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大，使风力发电系统和电网的相互影响也越来越复杂，因此,对风力发电系统功率输出的稳定性提出了更高的要求。控制系统对提高风力发电系统功率输出的稳定性有很大的作用，所以有必要对控制系统和控制过程进行分析。控制系统利用西门子plｃ20０通过对运行过程中输入信号的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率;如发生故障或其他异常情况能自动地检测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。控制系统的主要任务就是自动控制风电机组运行，依据其特性自动检测故障并根据情况采取相应措施。控制系统包括控制和监测两部分。控制部分设置了手动和自动两种模式。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器,经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来,在机组控制器的显示屏上可以查询。现场数据可通过网络或电信系统送到风电场中央控制室的电脑系统,还能传输到业主所在的城市的总部办公室。根据风电机组的结构和载荷状况、风况、变桨变色特点及其他外部条件，将风电机组的运行情况主要分为以下几类:待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式、人工停机方式和紧急停机方式、维护状态.第２章系统整体方案设计2.１系统工作原理本设计针对的风力发电机机型是变速恒频双馈风力发电机，其控制系统结构示意图如图２．1所示。图2.1结构示意图变速恒频双馈风力发电机一般由叶片、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、变桨距装置、塔架和控制系统等主要部分所组成。叶片：风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片（目前大型商用风电机组一般为2～3个）装在轮毂上组成.低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机[12]。上述这些部件都安装在机舱平面上,整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置,它根据风向标测得的风向信号,由控制器控制偏航电机,驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动，使机舱始终对风.轮毂是风轮的枢纽,是叶片根部与主轴的连接部分，也是控制叶片变桨距的所在.增速齿轮箱：齿轮箱连接低速轴和高速轴的变速装置,它可以将高速轴的转速提高至低速轴的1０0倍。发电机：风电机发电机将机械能转化为电能。风电机上的发电机与普通电网上的发电设备相比，有所不同:风电机发电机需要在波动的机械能条件下运转.通常使用的风电机发电机是感应电机或异步发电机,有的也使用永磁同步发电机.偏航装置:借助电动机转动机舱，以使转子叶片调整风向的最佳切入角度.偏航装置由电子控制器操作,电子控制器可以通过风向标来探知风向。通常，在风改变其方向时,风电机一次只会偏转几度。变浆距装置:变浆距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中,当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节;当发电机输出功率达到额定功率以后,调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。塔架：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势,因为离地面越高，风速越大。600千瓦风电机的塔高为４０至6０米，5兆瓦级别的塔高则超过100米.根据底座的不同，支撑塔可以为管状,也可以是格子状。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶.格状的塔的优点在于它重量轻,技术相对成熟（与海上石油钻井台原理相同）。控制系统：控制系统是风力发电机组的“大脑"，由它自动完成风力发电机组的所有工作过程，并提供人机接口和远方监控的接口.控制系统的性能优劣对风机运行的效率和使用寿命有至关重要的影响[13]。其控制软件根据风力发电基础理论研究成果和机组实际运营过程中的数据,能够准确的实现风力发电机组的特殊控制要求，对机组的安全可靠性具有十分重要的意义。2。2系统工艺流程2．2。1控制模式介绍风力机控制模式主要有：初始化、待机、启动、运行、发电、停机、维护、几种模式间的转换、停机条件、维护条件。初始化：叶片角度设定值为8９°,变化范围85°～96°.待机：风机经过初始化完成,延时20s后；或停机步骤完成后,转速<2rpm与最小叶片角度>83°，就会进入待机模式；叶片角度设定值为89°；自动偏航系统激活；允许进行偏航解缆；允许进行故障复位。启动：允许条件满足,自启动程序发出启动指令或按下启动按钮后，风机由待机模式转换到启动模式;进入启动模式时，控制程序对下列参数进行设定：如果检测到有风暴,则桨距角设定值为８9°,否则桨距角设定值为５0°；变桨控制器激活；逆桨速度限值为－2deg／s,顺桨速度限值为5deg/s；自动偏航系统激活。运行:当转速大于1。5ｒpm延时4５ｓ且风与机舱的位置偏差小于45°延时２０ｓ后,风机由启动模式转换到运行模式。进入运行模式时，控制程序对下列参数进行设定：桨距角设定值为0°；变桨控制器激活;逆桨速度限值为－２ｄeg／s，顺桨速度限值为5ｄｅg/s;自动偏航系统激活；自动偏航系统激活。发电:当转速大于9.7rｐｍ，风机由运行模式转换到发电模式。进入发电模式时，控制程序对下列参数进行设定：桨距角设定值为０°；转矩控制器激活；变桨控制器激活；逆桨速度限值为－２ｄeg/ｓ,顺桨速度限值为5ｄｅg/ｓ;转速限定值为１7．4ｒpｍ;变频器启动；自动偏航系统激活。停机:风机处于启动、运行或发电模式,当系统发出停机信号,或在维护模式下将维护开关关闭,风机转换到停机模式。进入停机模式时，控制程序对以下参数进行设定：桨距角设定值为８9°；逆桨速度限值为0dｅg/s;转速限定值为０rpｍ；自动偏航系统激活（紧急停机时禁止自动偏航)。顺桨速度限值根据触发停机的故障级别不同，分为三种情况限制:当系统存在一级故障时，风机正常停机。速度为：４°/s;当系统存在二级故障时，风机快速停机。速度为:5．5°/s;当系统存在三级故障(即安全链故障）时，风机紧急停机。速度为：7°／s。风机进入停机模式后,35ｓ内转速未降到10rｐｍ以下或90ｓ内转速未降到4ｒpm以下，系统将触发“停机程序出现故障”信号。紧急停机时,转速<5rpm后转子刹车机构激活。维护：当控制面板上的维护开关打开时，风机转换到维护模式,进入维护模式时,控制程序对下列参数进行设定：转矩控制器与变桨控制器禁用；桨距角设定值在45°—９６°之间；变桨速度3°/ｓ:变频器停止运行:允许手动偏航；允许手动变桨.几种模式间的转换：待机——〉启动：无故障、非解缆、非维护模式、机舱温度超过10度、发电机绕组温度超过机舱温度、变桨系统进入准备状态、变流器切出本地、产生手动启动或自启动信号；启动——〉运行：转速超过1．5ｒｐm维持４5s、对风角度低于45度、齿轮箱油温高于１0度、未检测到暴风；启动、运行模式：分别对应桨距角5０度和0度；运行-—〉发电：转速超过9.7转；停机——〉待机:进入停机模式４５s后。停机条件：进入停机模式触发条件：全局故障；柜门停机或紧急停机按键、维护模式；偏航位置值大于690度；发电模式下转速低于10ｒpm维持15ｍin，或低于６rpm维持5ｍin，或低于4rpm;运行模式下维持15ｍiｎ[1４］。维护条件:维护模式触发条件:维护开关动作;风机几种模式－维护模式的过程；待机模式：直接转换到维护模式;停机模式:风机先进入待机模式,再转换到维护模式；其它模式：风机先经过停机程序进入停模式,再经待机进入维护模式。２.2.2各部分控制介绍1、齿轮箱及冷却系统基本控制原理油温〈5℃,加热器启动，>5℃时３分钟之后,加热器停止；低速轴转速〉1。２rpm或风机进入运行、发电、停机状态且油温>５℃－—-——－>低速;低速轴转速>10。5rｐm或油温〉40℃----—->高速；油温〉5０℃，水泵启动，直到＜45℃,水泵停止;油温〉60℃，水空风扇启动,直到＜5５℃,水空风扇停止；油温>6０℃或轴温〉70℃，空冷风扇(高速)启动,直到油温〈50℃或轴温〈６5℃，空冷风扇停止；油温〉80℃，风机进入正常停机模式；高速轴温（叶轮、发电机侧)＞90℃,风机为正常停机模式。2、发电机基本控制原理发电机绕组温度〉8０℃，空冷风扇启动，直到〈7０℃，空冷风扇停止;发电机绕组温度<机舱温度且机舱温度〈1０℃，发电机加热器启动，直到机舱温度〉10℃或发电机绕组温度>机舱温度１0分钟后停止加热；３、液压站系统压力低于１4５bａr启泵,高于1６０bar停泵。偏航和解缆状态：偏航解缆和迎风分别对应的阀置位，系统压力P4为150bar左右,偏航压力P1维持在2５bａr左右。高速轴刹车状态:两阀同时复位/置位。系统进入停机模式并且为紧急停机模式（故障等级三安全链动作)，保证叶轮速度降为小于5rpm,抱闸动作；油位油温开关。油位开关：常开触点，达到指定高度开关闭合，4０2ＤI4。1—１输入高电平(一通道亮）.油温开关：常闭触点,未达到警戒温度７０度时，4０2DＩ4-8输入高电平（四通道亮）.液压加热器:温控开关控制主回路通断。4、偏航系统在不同的风速条件下,偏航的动作方式不同，分为高风速偏航和低风速偏航。高风速下自动偏航:6０秒平均风速大于等于9m／s,触发偏航程序的条件如下：偏航对风60秒平均偏差大于8°,延时210s，风机偏航。偏航对风６0秒平均偏差大于15°,延时２0s，风机偏航。低风速下自动偏航:60秒平均风速小于9m／s,触发偏航程序的条件如下:偏航对风6０秒平均偏差大于1０°，延时2５０ｓ，风机偏航。偏航对风60秒平均偏差大于18°，延时2５s，风机偏航。自动解缆条件：风机处于待机状态和非维护模式，同时不出现偏航和液压故障；判断当位置大于580或小于—５80时，向右或向左解缆动作。解缆停止条件：情况1：偏航位置回到小于36０度,对风角度（风向标数值与１８0度差值）小于30度；情况2：偏航位置小于40度。偏航解缆后，风机处于待机状态.２.3系统总体设计方案本次设计要求是设计一个风力发电机组主控系统,主控制器为PＬＣ,主要完成的功能有风车具有适应风向的功能、在风机转动超出设定角度值时,具有自动解缆功能、能对风力的大小进行监测，并根据需要采取相应的措施。根据设计的要求,主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的偏航系统、齿轮箱系统、液压系统、温度控制等。本设计从工业实用角度出发,研究基于PLC的风力发电控制系统。这就要求既要掌握ＰLＣ相关知识和特定ＰLC的编程语言,也要有懂得一定的风力发电方面的知识。此外，还必须涉及硬件电路的设计，才能将PＬＣ控制和风力发电电路成功连接。人机界面:输入命令,变更参数；显示系统运行状态各项数据参数和故障情况，并对风机进行控制。数据采集:利用传感器,风向标等检测装置对温度、压力、液位、风速、风向等数据进行采集。偏航控制：根据风向变化进行偏航，解缆等，控制有四台偏航电机.齿轮箱控制：主要对齿轮箱温度，油位，油泵等进行控制。液压控制：制动机构压力保持；变桨系统压力保持等。液压系统主要为高速轴刹车和偏航刹车提供压力.温度控制：对系统各个运行机构的温度进行控制，确保风机正常运行。其他控制:照明、液压、温度、故障处理等控制［15］。PＬC:选用Ｓ７—20０ＣPＵ，EM２２2、EM２23、EM23１、EＭ23５等扩展模块。系统原理框图如图2.２所示。图2。2系统原理框图２。4本章小结本章介绍了总体设计思路和总体方案的确定。包括工作原理图、工艺流程图和系统示意图。了解了系统设计的大概内容,对系统设计有了一个大概的认识，为接下来的设计奠定了基础。第3章控制系统硬件设计3。1PLC概述3.1。1PLC的发展历程可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境而设计.它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类机械的生产过程;而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的一位机发展为8位机。随着微处理器CPU和微型计算机技术在ＰＬC中的应用，形成了现代意义上的ＰLC。进入２０世纪8０年代以来,随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展,以16位和3２位微处理器构成的微机化PLＣ得到了惊人得发展，事PLC在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强,功耗、体积减小,成本下降,可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程Ｉ/0和通信网络、数据处理以及人机界面(HMＩ）也有了长足的发展[16]。现在ＰLＣ不仅能得心应手的应用于制造业自动化，而且还可以应用于连续生产的过程控制系统，所有这些已经使之成为自动化技术领域的三大支柱之一，即使在现场总线技术成为自动化技术应用热点的今天，PＬＣ仍然是现场总线控制系统中不可缺少的控制器。3.1．2PLＣ的工作原理ＰＬC是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理的基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的.CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。PLC工作的整个过程可分为三部分：第一部分是上电处理。机器上电后对ＰLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他初始化处理等.第二部分是扫描过程。PLC上电处理阶段完成以后进入扫描工作过程。第三部分是出错处理.PＬC每扫描一次,执行一次自诊断检查,确定PLC自身的动作是否正常，如检查出异常时，ＣPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码;当出现致命错误时，CＰＵ被强制为SＴOP方式,所有的扫描便停止。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的.每一次扫描所用的时间称作扫描周期或工作周期。在一个扫描周期中,ＰＬC一般将完成部分或全部的以下操作：读输入→处理通信请求→执行逻辑控制程序→写输出执行→CPU自诊断。当ＰLC上电后,处于正常运行时，它将不断重复扫描过程,并不断循环重复下去。分析上述扫描过程，如果对远程I/O、特殊模块、更新时钟和其他通信服务等枝叶的东西暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段了。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容,也是PLＣ工作原理的实质所在。(1)输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子,并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中,此时输入映像寄存器被刷新［17］。接着系统进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化,其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的内容.所以,一般来说,输入信号的宽度要大于一个扫描周期，或者说输入信号的频率不能太高,否则很可能造成信号的丢失。(２)程序执行阶段进入程序执行阶段后,一般来说(因为还有子程序和中断程序的情况），PＬC按从左到右、从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLＣ就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态,从元件映像寄存器“读入”对应元件(“软继电器”）的当前状态。然后进行相应的运算，最新的运算结果马上再存入到相应的元件映像寄存器中.对元件映像寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行过程而刷新。(３）输出刷新阶段在用户程序执行完毕后,元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通∕断开）在输出刷新阶段一起转存到输出锁存器中，通过一定方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载。在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变,从而相应输出端子的状态也不会改变。3.1。3控制系统的I/O通道地址分配根据系统的控制要求,I/Ｏ通道地址分配如表3.１所示。表３.1输入输出信号代码和地址编号名称代码地址编号启动按钮SＦ1I0．0停止按钮SF２I０.1维护按钮ＳF３I0。2紧急停机按钮ＳＦ4I0.3远程紧急停机按钮SF5Ｉ0.4手动向左解缆SF6Ｉ1.0手动向右解缆SF7I1。１偏航左极限BG１I1。2偏航右极限BG２Ｉ1．３偏航左安全开关ＢG3I１．4偏航右安全开关BＧ4I1．５机舱照明开SF8I２。0机舱照明关SF9Ｉ2.1塔筒照明开SF10I２。2塔筒照明关SF11Ｉ２.3偏航减速器1QA1Q0。0偏航减速器2QA2Q0。１偏航电机正转QA3Q０.2偏航电机反转QA4Q0。3偏航减速器3QA５Q0。4偏航减速器4ＱA6Q0．5齿轮箱油泵１QA7Q0。6齿轮箱油泵２QA8Q0.７齿轮箱油泵3QＡ9Ｑ１.０齿轮箱油泵加热器QA10Ｑ1．1齿轮箱加热器QA11Q2.０齿轮箱空冷风扇1QA12Q2.1齿轮箱空冷风扇2QA13Ｑ2。２齿轮箱空冷风扇3QA14Ｑ２．3齿轮箱水泵QＡ1５Q2。４发电机空冷风扇ＱA16Ｑ2.5发电机加热器ＱＡ17Q２.６液压泵QＡ18Q2．7液压油加热器ＱA1９Q3。0机箱通风风扇QA20Q3．１机箱加热器QA21Q3。2机舱照明PG1Q3。3塔筒照明ＰG2Ｑ3.4启动指示灯PＧ3Ｑ4。0运行指示灯PＧ4Q４。1停机指示灯PG５Ｑ４.2维护指示灯PＧ6Q4。３软起信号ＱＡ22Q4。4模拟量输入输出信号如表3。2。表3。2模拟量输入输出信号代码和地址编号表序号功能信号序号功能信号AIW０温度传感器1输入AＩＷ１6压力传感器2输入ＡIＷ2温度传感器2输入AIW18液位传感器2输入AIＷ4温度传感器3输入AIW20位置传感器输入ＡＩＷ6温度传感器4输入ＡＩW２4风向传感器1输入AＩＷ8速度传感器输入ＡIW26风向传感器2输入ＡIW10压力传感器１输入AIW28风速传感器1输入AIW１2液位传感器1输入ＡIW30风速传感器2输入3。1。4PLＣ系统选型从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种.固定式PＬＣ包括ＣPＵ板、Ｉ/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPＵ模块、I／O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。本设计选择了Siemｅｎs的模块化中小型ＰLC系统Ｓ7-20０,它能满足中等性能要求的应用,应用领域相当广泛。其模块化、无排风扇结构、和易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-２0０成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案。Ｓ7-200系列所具有的多种性能递增的CPＵ和丰富的且带有许多方便功能的Ｉ/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加的模块对PLＣ进行扩展。ＳｉｅmensＳ7-200所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性.此外,S7－２０0系列PLC还具有模块点数密度高,结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。与一般计算机一样，CPＵ是ＰLC的核心,它按PLＣ中系统程序赋予的功能控制PLC有条不紊的进行工作［１8］.CＰU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元.S7—２０0系列ＰLＣ可提供五种不同的基本单元和多种规格的扩展单元等。目前提供的Ｓ7－200CPU有:ＣPU２21、CPU２22、CPＵ2２４、ＣPU224XP、CPU226和CPU226XM,ＣPＵ21Ｘ系列产品现已被CPU22X完全取代。不同型号的S7-200PLCＣＰU性能差别较大，见表３.2所示。表３.3S7-2０0系列ＰLＣCPU型号表特性CＰU221CPU２22CPU22４CPＵ２24ＸＰＣPＵ22６CPU22６XＭ程序存储区４096B4096B8１９2B1２288B16３84B2４576B数据存储区20４8B20４８B819２B１0240Ｂ10２４0B２０480B本机I／Ｏ6入４出８入6出１4入１０出１4入10出24入16出24入１6出扩展模块数027777本设计选用ＣPU2２４（14DI/1０ＤO).ＣＰＵ2２４的外围接线图如图３.1所示。３。2扩展模块选型3。2．1数字量输出扩展模块EM２2２本设计选用的数字量输出扩展模块ＥM222为8路输出,输出类型为继电器、干触点。图3。1CＰU224AC／DC／RLＹ外围接线图输出电压为5～３0Ｖ（DC)或5～250Ｖ（AＣ)。输出闭合时允许的最大输出电流为２.00A。输出采用组隔离方式,输出组数为2，每组４点。8路输出可同时接通。每组水平安装最多可达4路,垂直安装也是4路[19］.每组最大输出电流为８A，负载为灯时为3０Ｗ(DC)/2０0W（AC）.最大触点电阻为0。002Ω，触点闭合时的浪涌电流为7A，无过流保护。隔离电阻最小为1０0MΩ.线圈到触点隔离位1500Ｖ（AC）,1min,触点之间的隔离为75０V（AＣ），1min。继电器的开关延时最大为1０ms，机械寿命（无负载)为107次开∕关循环,带标称负载时的触点的寿命为１0５次开∕关循环。连接电缆长度最长为150ｍ(不屏蔽电缆）和５０0m(屏蔽电缆）。电能消耗：+5Ｖ（ＤC）,50mＡ。ＥM222端子连线如图3．2所示。３.2.2数字量输入∕输出扩展模块EM223本设计选用的数字量Ｉ/O混合模块EＭ223为１6输入∕1６输出，输出类型为继电器、干触点。１）输入性能(1）本模块输入类型为源型16路输入，输入电压允许最大连续值为30V（DC)，允许浪涌为35V（DC)/0。5s。（2）输入标称值为2４V(DC)/4ｍＡ，逻辑1信号最小为15V(DC)/2．5mＡ，逻辑0信号最大为5V（ＤC）/1ｍA.图3．２EM22２数字量输出8继电器端子接线图（3）光电隔离指标为5０0mV（AＣ）,1miｎ。采用组隔离输入方式，每组８点。输入延时最大为4。5ｍs.允许的漏电流为1mA.(4)连接电缆长度最长为３0０m（非屏蔽电缆)和500M（屏蔽电缆).２）输出性能（1)输出类型为继电器，１６路数字量输出，输出电压允许范围为５至３０Ｖ（DC)或５至2５０V(AC），标称值为２4V（DC）或250V（ＡC)。(2）输出组数为四组，16路输出可同时接通。每组最多水平安装4路输出,每组最多垂直安装也是4路输出。每组最大电流为8Ａ，负载为灯时最大为３０W（ＤＣ）∕200Ｗ（AC），接通状态电阻为０．2Ω。EM2２3端子接线如图3。3所示。图3。3EM22３数字量2４Ｖ(DC）16输入∕16继电器输出端子接线图3.2。３模拟量输入扩展模块EＭ231EM2３1热电偶扩展模块.EM231热电偶扩展模块为Ｓ7-200系列提供了与7种热电偶类型J，Ｋ，E,N，S，Ｔ和R相连接的隔离接口,同时也可以使S7-200连接低电平模拟信号，其测量范围为-80~8０mV[20]。用户必须利用DIP开关选择热电偶类型、断线检测、温度测量单位、冷端补偿,以及传感器熔断方向。所有连接到该模块的热电偶都必须是同一类型的。EM2３1热电偶模块的端子接线如图３．4所示。该模块可输入４路模拟量，从+5V(DC)(Ｉ/Ｏ总线）电源获得87mA的电流。L＋端子的电压范围为20．４~2８.8Ｖ(DC）。LＥD指示器由２４Ｖ（ＤＣ）电源指示灯：ＯN=无故障，OFF=没有24Ｖ(ＤC）电源。SF故障指示灯:ON=模块故障,SF闪烁=输入信号故障，OFF＝无故障。隔离性能：现场侧到逻辑电路为５00V(AC)，现场侧到24V（DC)为５００Ｖ(AC），24V(DC)到逻辑电路为50０Ｖ(AC)[21］.共模输入（输入通道到输入通道）为120V（AC)。输入类型为悬浮型热电偶.其输入范围为TC类型（选择一种）S,T,Ｒ，E，Ｎ,K，J；电压范围为—8０ｍV～80mV；输入温度的分辨率为０．1；转换的数值为15位加符号.模块更新时间：所有通道均为405ｍs。外接导线到传感器最长为100m.导线回路电阻：最大为100Ω.数字量范围为—2764８～+27648.输入阻抗:大于１MΩ。EM23１端子接线图如图3．4所示.图３．4EM231热电偶模块端子接线图3.2。４模拟量输入∕输出扩展模块EM2３5EM235模块是价格适中、高速12位模拟量输入模块。这种模块能在１９µs内将模拟量输入转换成相应的数字值.EM2３5具有4路模拟量输入,１路模拟量输出。从+5V(DC)（I/O总线）获得30mA电流，从L+获得为6０mA的电流（输出为20mA），L+的电压范围为２０．4~2８。8V（DC）.1、输入特性双极性的全量程数字量范围为—３２０00～+3２００0，单极性的全量程数字量范围为0～３200０。输入阻抗最大等于１0ＭΩ;输入滤波器衰减-3dB（3。１kHＺ)；最大输入电压为３０V（DC）；最大输入电流为32mA；分辨率为12位,模拟量输入点数为