风力供电系统装置分析毕业设计

1、南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分析风力供电系统实训装置分析 姜伟 班班 级级 10 电气一 专专 业业 电气自动化 教教 学学 系系 机电系 学校导师学校导师 李金喜 完成时间 2012 年 10 月 08 日至 年 月 日 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 摘要摘要 能源是整个世界发展和经济增长最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。伴随 着人类社会对能源需求的增加，能源安全逐渐与政治、经济安全紧密联系在一起。在 各类新能源中，风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们

2、的重视，风力发电也 逐渐成为了时下的朝阳产业。本论文详细的对风力供电系统实训装置进行了分析，对 风力发电机进行了简单的介绍和对风力供电装置进行了深入的研究。 本文的主要内容包括：首先对风力发电机的组成、模拟风场的组装进行研究，通 过西门子 s7-200plc 进行接线，然后对风力发电机装置进行控制程序设计，最后分析 风力供电系统得出结论。 关键词关键词：发电机 、西门子 s7-200plc、风力发电 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 1 目录目录 摘要摘要 .i i 目录目录 .1 1 1 1 绪论绪论 .5 5 1.1 课题的目的和意义.5 1.1.1 风力发

3、电的优点.5 1.1.2 课题的目的和意义.6 1.2 风力发电概述.6 1.2.1 国外风力发展.6 1.2.2 国内风力发电的基本情况 .7 1.2.3 风力发电的特点 .7 1.3 本文的主要研究内容 .8 2 2 风力供电装置分析风力供电装置分析.9 9 2.1 风力发电系统的组成.9 2.1.1 小型风力发电机的分类.9 2.1.2 整流器.11 2.1.3 逆变器.11 2.1.4 蓄电池.12 2.2 风力供电装置的组成 .14 2.2.1 风力供电装置基本组成介绍.14 2.2.2 风力供电装置部分设备（器件）主要参数.17 3 3 风力供电系统分析风力供电系统分析 .1818

4、 3.1 风力供电系统的组成.18 3.1.1 风电电源控制单元.18 3.1.2 风电输出显示单元.19 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 2 3.1.3 风力供电控制单元 .20 4 4 风力发电风力发电 plcplc 控制系统分析控制系统分析 .2424 4.1 西门子 s7-200cpu224 .24 4.1.1s7-200 cpu224plc 输入输出端口.24 4.2 风力 plc 程序 .25 5 5 收获和体会收获和体会.3030 致致 谢谢 .3333 参参 考考 文文 献献 .3434 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装

5、置分 析 3 1 1 绪论绪论 风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃 料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此 可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少， 况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来 越引起人们的关注。 1.11.1 课题的目的和意义课题的目的和意义 1.1.11.1.1 风力发电的优点风力发电的优点 风是人类最熟悉的一种自然现象，风无处不在。太阳辐射造成地球表面大气层受 热不均，引起大气压力分布不均。在不均压力作用下，空气沿水平方向运动就形成风。

6、 风能是一种最具活力的可再生能源，它实质上是太阳能的转化形式，因此是取之不尽 的。 风能中的风向和风速在时空分布上较为复杂，如有海陆差异对气流运动的影响而 形成的季风和海陆风，在山区由于热力原因引起的谷风和山风，风力的随机性和风速 的变化多端使得它的利用效率较低，在风能的实际利用上仍存在很多技术困难。尽管 如此，风能资源具有如下优越性： （1）风力发电是可再生的清洁能源 风力发电是一种可再生的清洁能源，不消耗资源，不污染环境，这是其他常规能 源（煤电、油电）所无法比拟的优点。 就地可取，不需运输 矿物能源煤炭和石油地理分布不均匀和工业布局的不均衡，造成了煤炭和石油运 输的不均衡。这些能源必须经

7、过开采后长途运送到目的地，给交通运输带来压力。即 使能够靠电网供电，但一些高山、孤岛、草原和高原等电网不易到达的地方，充分利 用清洁能源这一优点，则会带来方便。 （3）建设周期短 风力发电场建设工期短，单台风力发电机组安装仅需几周，从土建、安装到投产， 一万千瓦级的风电场建设期只需半年到一年时间。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 4 （4）运行维护简单 风力发电自动化水平很高，完全可以无人值守，只需定期进行必要的维护，不存 在火力发电大修问题。 （5）经济性高 风力发电的经济性日益提高，不存在建厂房、筑坝、淹地、移民等问题，风力发 电机分散安装，占地面积少。发

8、电后除折旧费和维护费外，不消耗燃料，无三废处理 问题，其成本接近火电，低于油电、核电和光伏发电，从综合经济效益看，具有较强 的竞争力。 （6）可靠性高 风力发电在新能源发电中技术最为成熟。是一种安全、可靠的能源。 综上所述，风力发电对于改善能源结构、推动生态环境建设，特别是对边远地区 的生产、生活用电等诸多领域的发展将发挥积极作用，具有广阔的市场前景。 1.1.21.1.2 课题的目的和意义课题的目的和意义 风能利用的能量密度低且具有随机性、不稳定性和分布的不均匀性，这些给风能 的利用带来了许多问题。本文研究的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基础巩 固所学容，并自己独立掌握安装水平轴永磁同

9、步发电机的技术，最后对实训内容作出 必要的总结。 1.21.2 风力发电概述风力发电概述 1.2.11.2.1 国外风力发展国外风力发展 国际能源研究报告表明, 如果各国采取有力措施, 风力发电到 2010 年可提供世界 电力需求的 10%, 创造 170 万个就业机会,并在全球范围内减少 100 多亿吨二氧化碳废 气。风能将成为发展最快的能源, 到 2010 年风电总装机容量达到 40.00gw, 2020 年 达到 0.1tw, 到 2010 年德国新增 500 万千瓦, 西班牙新增 520 万千瓦, 年生产能力将 达到 800 万千瓦,可满足全国电力需求的 10%。美国和加拿大是北美利用

10、风能最好的国 家。在美国的 50 个州中, 大约有 30 个州已经开始利用风能资源。在 1998- 2004 年期 间, 美国风力发电的总装机容量已经超过 6740mw, 可以满足 160 万个中等家庭的日常 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 5 用电需求。随着技术的进步和规模的扩大, 风电发电成本继续下降, 估计 10 年后它完 全可以和清洁的燃煤电厂竞争。由于风力发电是可再生洁净能源, 其环境效益也十分 明显, 随着风力发电技术的日益成熟, 发电成本的进一步降低, 风力发电会越来越被 更多的人认识和接受。这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因。风力发电

11、 的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益, 如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃 及和哥斯达黎加等国是发展中国家风力发电的佼佼者。中国、印度也在积极发展风电。 1.2.21.2.2 国内风力发电的基本情况国内风力发电的基本情况 我国幅员辽阔, 陆疆总长2万多千米, 海岸线1.8万多千米, 是一个风力资源丰富 的国家, 全国约有2/3的地带为多风带。风能总储量为32.26亿千瓦, 实际可开发的风 能储量为2.53亿千瓦, 为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。两大 风能地带西北、华北、东北和东南沿海为风能资源丰富区, 跨全国21个省、市、 自治区。到1999年底已开发微小户用型风力发电

12、机16万台, 并网型风电场24座, 总装 机容量26万千瓦, 其中绝大多数机组是从丹麦、德国、美国、比利时、瑞典引进的, 最大单机容量为600kw。据相关资料报道, 到2020年, 预计我国将新增发电能力500gw, 其中121gw为可再生能源。2010年以前, 我国计划新建20座风力发电场, 每座风场的发 电能力达到100mw以上, 且达到4000mw的风力发电总目标, 并要求风力发电设备本土化。 1.2.31.2.3 风力发电的特点风力发电的特点 风电的突出优点是环境效益好，不排放任何有害气体和废弃物。风电场虽然占据 了大片土地，但是风电机组基础使用面积很小，不影响农田和牧场的正常生产。多

13、风 的地方往往是荒滩或山地，建设风电场的同时也开发了旅游资源。 （1）可再生，且清洁无污染。 （2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。 （3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。 风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达 的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电； 另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。本论文讨论的是前者，即对独立运 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 6 行的供电系统进行有效的分析。 1.31.3 本文的主要研究内容本文的主要研究内容 本文以小型风力发

14、电系统为研究对象对风力发电原理、系统结构以及小型风力 发电系统的控制程序设计等方面做了较为深入的理论分析和研究，对实现运行及可靠 运行具有一定的参考价值。本文的主要研究内容和章节安排如下。 第 1 章 介绍课题提出的背景、目的和意义，论述国内外风力发电发展概况，概括 总结风力发电相关技术的发展概况。 第 2 章 绍了小型风力发电原理及系统的基本组成，并详细介绍各个部分的组成以 及原理。 第 3 章 述了小型风力供电系统电路的设计，并对供电系统进行简要的分析。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 7 2 2 风力供电装置分析风力供电装置分析 2.12.1 风力发电系

15、统的组成风力发电系统的组成 本文的水平轴风力发电机系统，如图2-1所示，它主要包括风力发电机、整流器、 逆变器、蓄电池以及控制系统几个部分。 图2.1风力发电机系统 2.1.12.1.1 小型风力发电机的分类小型风力发电机的分类 1.按照风力发电机的风轮轴位置分类 按照风力发电机风轮轴的位置分，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 8 图2.2 水平轴风力发电机 （1）水平轴风力发电机：水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮轴 与风向平行，风轮上的叶片式径向安装的，与旋转轴垂直，并与风轮的旋转平面成一 角度（称为安

16、装角）。风轮叶片数目为14片（大多为2片和3片），他在高速运行时有 较高的风能利用率，但启动时需要较高的风速。 （2）垂直轴风力发电机：垂直轴风力发电机的风轮围绕一个垂直轴旋转 图 2.3 垂直轴风力发电机 风轮轴与风向垂直。其优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时， 无需对风。 2.按照风力发电机的功率分 按风力发电机的功率可分为大、中、小型风力发电机。功率在10千瓦以下的称为 小型风力发电机，功率在10千瓦至100千瓦的称为中型风力发电机，功率在100千瓦以 上的称为大型风力发电机。 3.风力发电机又分直流发电机和交流发电机两种。 （1）直流发电机机 电励磁式直流发电机。主要有他

17、励、自励和复励几种形式，小型直流发电系统 大都用于1kw以下的微、小型风力发电装置，与蓄电池储能配合使用。这种直流发电系 统在风速变化时，一般通过调节励磁来保持输出电压的恒定。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 9 永磁式直流发电机。这种发电机主要是励磁不可调节，结构较电励磁式直流发 电机简单。系统采用输出电压随风速变化的系统，在发电机和负载间设置储能设备(如 蓄电池)和整流、逆变设备来变换，以满足用户对输出电压的要求。 （2）交流发电机 交流发电机主要有两种，一种是同步发电机，一种是异步发电机。前者运行于电 机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步速成

18、的转速运行。主要有感应 发电机发电模式、硅整流自励交流发电机发电模式、无刷爪极自励发电机发电模式、 永磁发电机发电模式。 2.1.22.1.2 整流器整流器 整流电路按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。 按电路结构可分为桥式电路和零式电路。 按交流输入相数分为单相电路和多相电路。 整流器的主要功能是对风力发电机输出的三相交流电进行整流，整流后的直流电 经过控制器再对蓄电池进行充电。根据风力发电系统的容量不同，整流器分为可控与 不可控两种，可控整流器主要应用在功率较大的系统中，可以减小电感过大带来的体 积大、损耗大等缺点；不可控整流器主要应用于小功率系统中。 目前在我国小型型风力发电系统中

19、大量使用的是桥式不可控整流方式，如图 2- 4所示。因为它由二极管组成，具有功耗低、电路简单等特点。 图2.4 三相不可控整流 三相整流器除了把输入的三相交流电能整流为可对蓄电池充电的直流电能之外， 另外一个重要的功能是在外界风速过小或者基本没风的时候，风力发电机的输出功率 也较小，由于三相整流桥的二极管导通方向只能是由风力发电机的输出端到蓄电池， 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 10 所以防止了蓄电池对风力发电机的反向供电。 2.1.32.1.3 逆变器逆变器 逆变器是将低压直流电源变换成高压交流电源的装置，逆变器的种类很多,各自的 具体工作原理、工作过程不

20、尽相同。本实训装置使用的逆变器由 dc-dc 升压 pwm 控制 芯片单元、驱动+升压功率 mos 管单元、升压变压器、spwm 芯片单元、高压驱动芯片单 元、全桥逆变功率 mos 管单元、lc 滤波器组成。 2.1.42.1.4 蓄电池蓄电池 （1）蓄电池的工作原理 在小型风力发电系统中，蓄电池起着储存和调节电能的作用。其它器件或技术也有 被利用来进行能量存储的，比如微型水泵、压缩空气或飞轮等，但是在小规模风力发 电应用中，这些储能方式都不是很经济。近年来，随着燃料电池和电解槽技术的发展， 氢气作为一种能量存储介质进入人们的视野，这是一种比较有前途的技术方向。但是 要大范围的应用，还有很多技

21、术难题待解决。 在本系统中，当风力很大致使产生的电能过剩时，蓄电池将多余的电能储存起来; 反之，当系统发电量不足或负载用电量大的时候，蓄电池向负载补充电能，并保持供 电电压的稳定。铅酸蓄电池由于具有容量大，成本低，循环寿命长等优点，一直是小 型电力系统的首选储能设备。 蓄电池正负极板上的活性物质分别是二氧化铅（）和海绵状铅（） ，它们 2 pbopb 与电解液中的硫酸接触，负极板上铅不断解离为正二价的铅离子（）和电子，铅 2 pb 离子融入电解液中，电子留在负极板上。随着化学反应不断的进行，负极板上的负电 荷逐渐增加，对电解液中的铅离子的吸引力也不断的加大，使得部分的铅离子获得电 子沉积到负极

22、板的表面。当离开和沉积到负极板表面的铅离子相等，即氧化和还原的 速度趋于平衡时，负极板与电解液间形成稳定的电位差(大约-0.358v)。正极板上的二 氧化铅（）在电解液的作用下解离为铅离子（） ，既（）从极板获得电 2 pbo 2 pb 2 pbo 子还原为（）进入电解液，同时电解液中的部分失去电子氧化为，当氧化和 2 pb 4 pb 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 11 还原的速度平衡时，正极板与电解液之间形成 +l.685v 的电位差。正、负极板与电解 液之间的都存在着电位差，从整体看正极与负极的电位差有 2.04v 也就是蓄电池的单 体电压。 蓄电池与负

23、载相接时，是它的放电过程，其化学反应方程式为: + 2 + pb 42so h 2 pbo 4 pbsooh2 放电过程中，负极板上的海绵状铅()，正极板上二氧化铅（)与电解液中 pb 2 pbo 的硫酸()反应，生成硫酸铅()。电解液中消耗了硫酸()分子，增 42so h 4 pbso 42so h 加了水()分子，电解液中的硫酸浓度降低，蓄电池内阻逐渐增大，电动势逐渐降 oh2 低。 蓄电池的充电过程是放电过程的逆过程，是在外电源作用下的电化学反应，其化 学反应方程式为: + + 4 pbso 4 pbsooh2pb 42so h 2 pbo 充电过程中，在外电源的作用下，正极板上的硫酸铅

24、（）逐渐恢复成二氧化 4 pbso 铅（);负极板上的硫酸铅（)逐渐恢复成海绵状铅（） ，电解液中的硫酸 2 pbo 4 pbsopb 浓度增大，蓄电池内阻逐渐减小，电动势逐渐增大。 传统的开口式铅酸蓄电池，由于水的蒸发以及电解液的分解，需要经常对电解液 的浓度进行检测，以确定是否对其添加蒸馏水。另外，在电池充电过程中，由于化学 反应剧烈，会产生大量有害气体形成酸雾，污染室内空气，对工作人员会产生职业危 害。而采用阀控式铅酸蓄电池就会避免这些缺点。阀控式铅酸蓄电池是相对于传统的 开口式的铅酸蓄电池来讲的。它是一种密封的电池，内外气压的平衡通过阀门来控制。 它具有一系列优点。首先是安全，电池的阀

25、门密封可阻止空气中的氧气流入。当电池 过充时，内部压力过大，这时候阀门会自动打开，排出气体，防止电池内部气压过大 而产生膨胀或爆炸。其次是使用方便，传统的开口电池不能倾斜安装使用，而阀控式 铅酸蓄电池就不存在这个问题，它既可立放也可横放，但是不能倒置。第三是少维护， 由于阀控式铅酸蓄电池密封性能好，水分不易蒸发，这样在进行电化学反应的时候将 放电时产生的水蒸汽完全吸收，所以不需要进行补水作业，但是阀控式铅酸蓄电池并 不是完全不需要维护，尤其是对电池的充放电维护是必不可少的。由于阀控式铅酸蓄 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 12 电池具有显著的优点，所以在小型电

26、力系统中，它渐渐成为主流的储能器件。 （2）影响铅酸蓄电池寿命的因素 a 环境温度 铅酸蓄电池的的电能是通过化学反应产生的，不同温度下的化学反应速率是不一 样的。温度高时，蓄电池内部电解液与极板的化学反应加速，电解液浓度下降，减小 了电池内阻，增加了电池的容量，充放电过程中容易出现过充和过放现象。温度低时， 电解液和极板间的反应速度变慢，电解液的浓度升高，加大了电池的内阻，减少了电 池的容量，缩短了蓄电池的寿命。生产厂家一般要求蓄电池的运行环境温度为 15 一 25，当环境温度超过 25后，每升高 8，电池寿命就要缩短一半。 b 过度放电 蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。蓄

27、电池为负载供电期 间，若控制器突发故障或者过放控制点设置过低时，均会可能导致过放现象的发生。 过放现象会减少蓄电池的容量，并且难以恢复，严重时将会导致电池失效。蓄电池被 过度放电到输出电压为 ov 时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到电池的阴极表 面，形成电池阴极的“硫酸盐化” 。由于硫酸铅本身是一种绝缘体，将会阻碍蓄电池内 部化学反应的，阴极板上的硫酸铅越多，电池的内阻越大，电池的充放电性能就越差， 电池的寿命就越短。 c 过度充电 蓄电池的充电电压也是影响其寿命的重要因素。在开路状态下，铅合金和二氧化 铅在硫酸溶液中，各自与电解液建立不同的平衡电极电位。蓄电池的充电电压过高时， 将会出

28、现过充现象，此时正极栅板由于析氧反应，水不断的被消耗， h 增加，从而导 致正极附近的酸度增高，栅板与电解液反应加速，析出的气体由于一部分排出，不可 能全部还原为水，蓄电池内部的电解液浓度增加，这样也会促使栅板的腐蚀加速，活 性物质减少，导致蓄电池的容量和寿命减少。当失水 5.5%时，容量降低 75%，失水达 到 25%时，容量基本消失。 d 长期浮充电 蓄电池长期工作在浮冲状态下，只充电不放电，这种工作状态会造成蓄电池阳极 的钝化，使电池的内阻急剧增大，实际容量远远低于其标准容量，从而导致电池所能 提供的后备时间大大缩短，减少了其使用寿命。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统

29、实训装置分 析 13 2.22.2 风力供电装置的组成风力供电装置的组成 2.2.12.2.1 风力供电装置基本组成介绍风力供电装置基本组成介绍 本文所分析的风力供电装置主要由叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵、侧风偏航 机械传动机构、直流电动机、塔架和基础、测速仪、测速仪支架、轴流风机、轴流风 机支架、轴流风机框罩、单相交流电动机、电容器、风场运动机构箱、护栏、连杆、 滚轮、万向轮、微动开关和接近开关等设备与器件组成，如图 2.5 所示。 图 2.5 风力供电装置 叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵和侧风偏航机械传动机构组装成水平轴永磁同 步风力发电机，安装在塔架上。风场由轴流风机、轴流风机支架、轴

30、流风机框罩、测 速仪、测速仪支架、风场运动机构箱体、传动齿轮链机构、单相交流电动机、滚轮和 万向轮等组成。轴流风机和轴流风机框罩安装在风场运动机构箱体上部，传动齿轮链 机构、单相交流电动机、滚轮和万向轮组成风场运动机构。当风场运动机构中的单相 交流电动机旋转时，传动齿轮链机构带动滚轮转动，风场运动机构箱体围绕风力发电 机的塔架作圆周旋转运动，当轴流风机输送可变风量风时，在风力发电机周围形成风 向和风速可变的风场。在可变风场中，风力发电机利用尾舵实现被动偏航迎风，使风 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 14 力发电机输出最大电能。测速仪检测风场的风量，当风场的风量

31、超过安全值时，侧风 偏航机械传动机构动作，使尾舵侧风 45，风力发电机叶片转速变慢。当风场的风量过 大时，尾舵侧风 90，风力发电机处于制动状态。 （1）风轮 风轮一般有 23 个叶片和轮毂组成。叶片多为玻璃纤维增强复合材料。轮毂是叶 片根部与主轴的连接件，从叶片传来的力通过轮毂传到驱动的对象。轮毂有刚性轮毂 和铰链式轮毂。刚性轮毂制造成本低、维护少、没有磨损。三叶片风轮一般采用刚性 轮毂，是使用最广泛的一种形式。 （2）发电机 发电机是风力发电机重要的部件。叶片接受风能而转动，带动发电机将风能转变 成电能。小型风力发电机的风轮和发电机之间多采用直接连接。小型风力发电机的发 电机主要采用交流永

32、磁发电机、感应式发电机和直流发电机。永磁发电机无励磁损耗， 效率高。永磁发电机转子结构按磁路结构的磁化方向可分为径向式、切向式和轴向式 三种类型，国内批量生产的永磁发电机多采用切向式结构，这种结构制造工艺简单， 可以做成较多的磁极，便于和风轮直连。 （3）尾舵 尾舵的作用是保持风轮和风向垂直。小型风力发电机多采用尾舵达到对风的目的， 尾舵调向结构简单，调向可靠。尾舵有尾舵梁固定，尾舵梁另一端固定在机舱上。 （4）机舱 机舱是发电机、风轮和发电机之间传动机构的防护装置。 （5）塔架 塔架是用于支撑风力发电机的质量，承受吹向风流发电机和塔架的风压以及风力 发电机运行中的动负载。 表 2.6 是风力

33、供电装置的主要设备 序号设备（器件）名称数量序号设备（器件）名称数量 1 水平轴永磁同步风力发电 机 111 电容器 1 2 塔架和基础 112 传动齿轮链机构 1 3 测速仪 113 风场运动机构箱体 1 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 15 4 测速仪支架 114 连杆 1 5 侧风偏航机械传动机构 115 滚轮 1 6 直流电动机 116 万向轮 2 7 轴流风机 117 护栏网 1 8 轴流风机支架 118 微动开关 4 9 轴流风机框罩 119 接近开关 1 10 单相交流电动机 1 2.2.22.2.2 风力供电装置部分设备（器件）主要参数风力供电

34、装置部分设备（器件）主要参数 （1）水平轴永磁同步风力发电机主要参数 输出功率：300w 叶片直径：120mm、数量：3 启动风速：1.5m/s 输出（整流）电压： +12v （2）测速仪主要参数 输出：05v （3）轴流风机主要参数 电源：3ac220v 额定功率：370w （4）单相交流电动机主要参数 额定功率：90w 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 16 3 3 风力供电系统分析风力供电系统分析 3.13.1 风力供电系统的组成风力供电系统的组成 风力供电系统主要由风电电源控制单元、风电输出显示单元、触摸屏、风力供电 控制单元、dsp 控制单元、接口单元

35、、西门子 s7-200plc、变频器、继电器 组、接线排、可调电阻、断路器、网孔架等组成。如图 3.1 所示。 图 3.1 风力供电系统 3.1.13.1.1 风电电源控制单元风电电源控制单元 风电电源控制单元面板如图 3.2 所示，风电电源控制单元主要由断路器、+24v 开 关电源、ac220v 电源插座、指示灯、接线端 dt8 和 dt9 等组成。接线端子 dt8.1、dt8.2 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 17 和 dt8.3、dt8.4 分别接入 ac220v 的 l 和 n。接线端子 dt9.1、dt9.2 和 dt9.3、dt9.4 分别输出+

36、24v 和 0v。 图 3.2 风电电源控制面板 3.1.23.1.2 风电输出显示单元风电输出显示单元 风电输出显示单元面板如图 3.3 所示，风电输出显示单元主要由直流电流表、直 流电压表、接线端 dt3 和 dt4 等组成。接线端子 dt10.3、dt10.4 和 dt11.3、dt11.4 分别接入 ac220v 的 l 和 n。接线端子 dt10.5、dt10.6 和 dt11.5、dt11.6 分别是 rs485 通信端口。接线端子 dt10.1、dt10.2 和 dt11.1、dt11.2 分别用于测量和显示风 力发电机输出经过整流的直流电流和直流电压。 图 3.3 风电输出单元

37、显示面板 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 18 3.1.33.1.3 风力供电控制单元风力供电控制单元 风力供电控制单元主要由选择开关、急停按钮、带灯按钮、接线端 dt12 和 dt13 等组成。风力供电控制单元面板如图 3.4 所示。选择开关自动挡、启动按钮、顺时按 钮、逆时按钮、侧风偏航按钮、恢复按钮、停止按钮均使用常开触点，分别接在接线 端子的 dt12.2、dt12.3、dt12.5、dt12.6、dt12.7、dt12.8、dt12.9。急停按钮使用 常闭触点，接在接线端子的 dt12.4。接线端子 dt12.1、dt12.10 接入+24v 和 0

38、v。接线 端 dt13 有 6 个端口，分别接入相应按钮的指示灯。 图 3-4 风力供电控制单元面板 3.1.43.1.4 触摸屏、可调电阻和接插座触摸屏、可调电阻和接插座 1.触摸屏 触摸屏用于显示风力发电机输出信息、风场的风量信息和蓄电池信息。 2.可调电阻 可调电阻作为风力发电机的负载，检测风力发电机的输出特性。可调电阻的 阻值为 1000，功率为 100w。风力发电机的输出特性检测电气原理图如图 3.5 所示。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 19 图 3.5 风力供电控制单元电气原理图 3.23.2 风力供电主电路风力供电主电路 风力供电由风力供电装

39、置和风力供电系统完成，风力供电主电路电气原理如图 3.6 所示。继电器 ka9 和继电器 ka10 将单相 ac220v 通过接插座 con9 提供给风场运 动机构的单相交流电动机，单相交流电动机正、反转由继电器 ka9 和继电器 ka10 分别 完成。 图3.6 风力供电主电路电气原理图 风力发电机的侧风偏航是由直流电动机控制，直流电动机的工作电压为+24v。继 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 20 电器 ka11 和继电器 ka12 通过接插座 con10 向直流电动机提供不同极性的直流电源， 实现直流电动机的正、反转。ac220v 电源通过开关 qf03

40、 作为变频器的输入电源，接 插座 con12 将变频器输出的 3ac220v 电源供给风场的轴流风机。 3.33.3 风力供电系统控制电路风力供电系统控制电路 3.3.13.3.1 偏航及限位输入信号偏航及限位输入信号 风力供电装置和风力供电系统之间的电气连接是由接插座完成。 接插座 con10 con10 除了在风力供电主电路使用外，其主要功能是作为侧风偏航 控制的电气连接。con10 有 9 个接线端口，如图 3.7 所示。con10 的 2、3 接线端口是 与风力供电系统接线排 xt2.7 和 xt2.8 相连接，con10 的 4、5、6 接线端口分别与风力 供电系统接线排 xt2.9

41、、xt2.10、xt2.11 相连接，侧风偏航初始位信号、侧风偏航 45位置信号、侧风偏航 90位置信号分别被 plc 的输入端口 i1.1、i1.2、i1.3 接收。 图 3.7 侧风偏航控制接插座 接插座 con11 con11 有 5 个接线端口，如图 3.8 所示，其主要功能是作为风场运 动限位和风速仪信号检测的电气连接。con11 的 3、4 接线端口分别与风力供电系统接 线排 xt2.14、xt2.15 相连接，分别被 plc 的输入端口 i1.4、i1.5 接收。 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 21 图 3.8 con11 风场运动限位和风速仪

42、信号检测接插座 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 22 4 4 风力发电风力发电 plc 控制系统分析控制系统分析 4.14.1 西门子西门子 s7-200cpu224s7-200cpu224 4.1.1s7-2004.1.1s7-200 cpu224plccpu224plc 输入输出端口输入输出端口 （1）io 分配表 该风力发电实训装置通过 plc 实现对各部分的控制，plc 的 io 分配表如表 4.1 所示。 表 4.1 io 分配表 序号输入输出配置序号输入输出配置 1i0.0 旋转开关自动挡 15q0.0 启动按钮指示灯 2i0.1 启动按钮 16q

43、0.1 顺时按钮指示灯 3i0.2 急停按钮 17q0.2 逆时按钮指示灯 4i0.3 顺时按钮 18q0.3 侧风偏航按钮指示灯 5i0.4 逆时按钮 19q0.4 恢复按钮指示灯 6i0.5 侧风偏航按钮 20q0.5 停止按钮指示灯 7i0.6 恢复按钮 21q0.6 继电器 ka9 线圈 8i0.7 停止按钮 22q0.7 继电器 ka10 线圈 9i1.0 风速检测信号 23q1.0 继电器 ka11 线圈 10i1.1 侧风偏航初始位开关 24q1.1 继电器 ka12 线圈 11i1.2 侧风偏航 45到位开关 251m0v 12i1.3 侧风偏航 90到位开关 262m0v 1

44、3i1.4 风场机构顺时到位开关 271l+24v 14i1.5 风场机构逆时到位开关 282l+24v （2）plc 的 io 接线图 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 23 图 4.2 s7-200cpu224 输入输出接口图 4.24.2 风力风力 plcplc 程序程序 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 24 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 25 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 26 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 27 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力供电系统实训装置分 析 28 南通纺织职业技术学院毕业设计（论文） 风力