1、安徽工业大学毕业设计（论文）基于组态王风力发电偏航系统的研究摘 要在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的话题，也是我国社会发展的重要问题。风能作为一种可持续发展的新能源，不仅可以节约常规能源，而且减少环境污染，具有较好的经济效益和社会效益，越来越受到各国的重视。由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统，因此，控制技术是机组安全高效运行的关键。偏航控制系统成为水平轴风力发电机组控制系统的重要组成部分。风力发电机组的偏航控制系统，主要分为两大类：被动迎风偏
2、航系统和主动迎风系统。前者多用于小型的独立风力发电系统，由尾舵控制，风向改变时，被动对风。后者则多用大型并网型风力发电系统，由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。本文在介绍风力机的偏航控制机构、驱动机构的基础上，采用PLC作为主控单元，设计了风电机组的偏航控制系统。系统根据风向、风速传感器采集的数据，采取逻辑控制主动对风，实现了对风过程可控。关键词：风力发电机；风向标；偏航控制系统；驱动机构47AbstractIn some sense, the development of human society cannot be separated from the emergence o
3、f high-quality energy and advanced energy technologies. In todays world, energy development, energy and the environment, the world, mankinds common topic of concern, but also the important issue of Chinas social development. Wind energy as a sustainable development of the new energy, not only can sa
4、ve conventional energy sources, and reducing environmental pollution, good economic and social benefits, ever-increasing importance attached.As wind energy has low energy density, randomness and non-stability characteristics of wind turbine is complex and ever-changing amount of nonlinear uncertain
5、systems, therefore, the control unit technology is the key to safe and efficient operation. Yaw control system becomes horizontal axis wind turbine control system is an important component. The wind turbine yaw control system is divided into two categories: passive and active yaw wind wind systems.
6、The former is mostly used for small independent wind power generation system, controlled by the rudder, the wind changes, the passive to the wind. The latter is more of a large-scale grid-connected wind power generation system consisting of the vane located downwind signals for active yaw control.Th
7、is paper describes the wind turbine yaw control mechanism, the drive mechanism, based on the use of PLC as the master unit, the design of wind turbine yaw control system. System according to wind direction, wind speed sensor data collected, to take active control logic to the wind, the realization o
8、f the wind process control.Key words: Wind turbine ；Wind vane；Yaw control system；Drive mechanism目 录1. 概述11.1 课题的背景和意义11.2 国外风力发电的发展21.2.1 世界风电资源的开发与利用21.2.2 世界风力发电现状21.2.3 世界风电发展很快的地区31.3 国内风力发电的发展41.4 风电发展的展望52. 风力发电机组系统构成及功能简介72.1 风力发电机的基础理论72.1.1 贝茨(Betz)理论72.1.2 风力发电机特性系数82.2 现代风机92.3 现代风力发电机组的构
9、成102.4 风力发电的原理112.5 风力发电机系统组成部分简介122.5.1 风力机桨叶系统132.5.2 风力机齿轮箱系统142.5.3 发电机系统142.5.4 偏航系统152.5.5 解缆装置152.5.6 刹车系统162.5.7 塔架162.5.8 控制系统163. 偏航控制系统功能和原理183.1 偏航控制系统的功能183.2 偏航控制原理193.3 风向、风速信号的采集203.3.1 风向测量203.3.2 风速的测量214. 偏航控制系统设计234.1 偏航系统控制过程分析234.1.1 自动偏航234.1.2 自动解缆244.1.3 阻尼刹车244.1.4 偏航控制系统设计
10、流程图254.1.5 解缆控制系统设计流程图254.2 PLC简介264.2.1 PLC300274.2.2 PROFIBUS一DP274.3 组态王监控系统294.3.1 组态王简介294.3.2 基于组态王软件仿真的意义294.3.3 上位机系统概述305. 结果分析315.1 E-Wind Turbine 运行环境315.2 组态王开发环境325.3 E-Wind Turbine调试335.4 组态王运行结果34致谢35参考文献36 1. 概述1.1 课题的背景和意义能源是经济发展的原动力，是现代文明的物质基础，安全、可靠的能源供应和高效、清洁的利用能源是实现社会经济持续发展的基本保证。
11、人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。开发利用可再生能源资源，提高可再生能源在能源结构中的比例将是一个重要的选择。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。风能(wind energy)地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积
12、小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。地球上大约有2%的太阳能被转化成风能。风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。风力发电的优越性可归纳为五点:(1)风力发电是一种洁净的自然能源。风能在转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污染。风电没有常规能源及核电对环境造成的污染问题。核电的放射性废料仍是一个较难解决的问题。(2)风力发电技术不断进步，单机容量逐步增大，产品质量得到改善，可用率达到98%以上，是一种安全可靠的能源。(3)由于技术进步和产品批量增加，风力发电的经济性日益提高，风电成本持续下降，
13、见表1.1。表1.1 各类能源成本比较电力种类平均成本（ 美分/千瓦每小时）电力种类平均成本（ 美分/千瓦每小时）煤电4.8 5.5天然气发电3.9 4.4核电11.1 14.5风电(返税前)4.0 6.0水电5.1 11.3风电(返税后)3.3 5.3从表1.1可以看出，风力发电的成本己接近煤电，低于油电和核电。若考虑煤电的环境污染和交通安全等问题，风电的经济性优于煤电。(4)风力发电场建设周期短。单台风力发电机组安装仅需几个星期，可多台同时安装，互不干扰。建设一个风力发电场，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间；而煤电、核电的建设需要二至十年。(5)风力发电占地面积少。塔筒与监控、变电建
14、筑仅占风电场约1%的土地，其余99%的场地可供农、林、牧使用。由此可见，风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展受到世界各国政府的高度重视。自从20世纪80年代现代并网风力发电机组问世以来，随着桨叶空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入风电场的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展;运行可靠性从20世纪80年代初的50%提高到98%以上;并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制;风电场发展空间更加广阔，已从内陆移到海上。1.2 国外风力发电的
15、发展1.2.1 世界风电资源的开发与利用风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。在着力提高能源供应安全、积极应对气候变化，寻求新的经济增长点的大背景推动下，全球风电累计装机容量实现了连续十年接近30的年均增长速度，创造了全球能源行业发展的奇迹。1.2.2 世界风力发电现状据世界风能协会（CWEC）的统计，2010年全世界风力发电装机容量194.4GW（风车约17104台），比2009年的158.7GW增加了22.5%。自20世纪90年代以来，风力发电装机容量呈指数级增长。目前世界电力约2%由风电供应，欧盟（EU）平均约5%由风电供应，到2020年全球风电供应量将占电力供应总量的12%。全球可再生能源发电装机容量中风电占有压倒性优势，在被利用的可再生能源中风能占了一半以上，而风力发电也是可再生能源应用技术中最为领先的。近年世界风力发电高速增长，前景光明。风力发电机组容量的大型化、重量的轻型化、容量的高可靠性、高效率、低成
