1、扬州大学本科生毕业设计1工学学士学位论文基于组态王的风力发电机状态监测专业名称 电气工程及其自动化 学生姓名 郑士国 指导老师 张继勇 扬 州 大 学2012 年 5 月扬州大学本科生毕业设计2摘要:针对我国目前电力资源短缺和当前可再生能源开发的迫切需要,大力发展风电，不仅是能源开发的需要，也是环境保护的需要。因此，对于风力发电机及其状态监测有着重要的现实意义。本文在分析和研究风力发电原理与应用的基础上，设计了一套完整的风力发电机实时监测方案并且付诸实现。本设计采用 S7-200 可编程控制器通过电压 、电流以及温度传感器进行数据采集，通过 GPRS 无线通讯进行数据传输，采用组态王软件对风力
2、发电机的三相电压、三相电流、直流母线电压、温度进行监测并完成故障异常报警，并存储历史数据进行数据分析等，最后证明该监测系统能够完成对整个风机的有效监测。关键词：风力发电，状态监测， PLC，组态王，GPRS Abstract:According to the current power shortage of resources and the need to tap renewable energy in China，developing the wind power vigorously is the need of energy development as well as the ne
3、ed for environment protection. Therefore，the monitoring of the wind-driven generator and its monitoring holds greater practical significance.In this paper，a whole set of real-time monitoring of wind-driven generator scheme is designed and put into practice on the basis of analyzing and studying the
4、principle and application of the wind power. This design adopts the machine of S7-200PLC.We use the voltage，current and the temperature sensor for data gathering，the GPRS wireless for data transmission. And the Kingview is adopted to monitor three-phase voltage，three-phase current，dc-bus voltage and
5、 temperature and to realize failure exception alerts, together with storing data record for data analysis. And finally prove the surveillance system is capable of effectively monitoring the wind-driven generator.扬州大学本科生毕业设计3Keywords: wind-driven generator scheme, condition monitoring, PLC，Kingview,
6、GPRS扬州大学本科生毕业设计I目录第一章 绪论 .1一、 课题背景及研究意义 .1（一） 、风能的利用及发展前景 .1（二） 、国内外风力发电状况 .1（三） 、风力发电的优势及存在问题 .3二、 风力发电系统的发展及现状 .3三、本论文主要研究工作 .4第二章 研究课题概述 .5一、 研究对象概述 .5（一） 、双馈风力发电机的组成及结构 .5（二） 、双馈风力发电机的参数 .6（三） 、研究对象及结果预计 .6二、 可编程控制器（PLC）概述 .7三、 组态王软件概述 .8四、无线通讯概述 .9第三章 风力发电机状态监测方案设计 .13一、监测系统总体设计 .13二、系统监测流程设计 .
7、13第四章 风力发电机监测系统硬件设计 .15一、 PLC 的硬件设计 .15（一） 、PLC 的选型 .15（二） 、S7-200PLC 的 CPU 选择 .16（三） 、PLC 的 I/O 口配置 .17（四）、PLC 端口进行设计 .17（五） 、PLC 的接线方案 .18（六）、扩展模块的选择 .19二、传感器的选型 .19（一）、电流传感器的选型 .19（二）、电压传感器的选型 .21（三） 、温度传感器的选型 .22三、 GPRS 选型 .23（一）、功能特性 .24扬州大学本科生毕业设计II（二）、技术规格 .24（三）、适用领域 .25第五章 监测系统的软件设计及调试 .27一
8、、 PLC 软件程序的设计及调试 .27二、 GPRS 无线通讯传输的实现 .28（一）、将 PPI 通讯转变为自由端口模式 .28（二）、 GPRS 的发送与接收 PLC 程序梯形图 .28（三）、 GPRS 的参数设定 .30（四）、在组态王上设置 GPRS 的通讯口 .30三、组态王的界面的设计及显示 .35（一）、组态王 6.52 软件 GPRS 通讯流程图 .35（二）、 组态王数据词典的定义及参数设定 .35（三）、组态王界面设计 .36第五章 总结 .38第六章 致谢 .40第七章 参考文献 .41扬州大学本科生毕业设计1第一章 绪论一、 课题背景及研究意义（一） 、风能的利用及
9、发展前景风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生的能量。风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度） ，便可以开始发电。风能是最有发展前景的一种洁净能源，是一种绿色再生能源。它可以取之不尽，用之不竭。风能的利用，从古时候的风车开始发展到现在的风力发电，足以说明人类科学技术的进步。进入 20 世纪以来，人们无节制的开采石油、煤炭、天然气等人们赖以生存的化石能源，不仅严重污染了我们的生存空间，而且破坏了自然环境。风能作为可再生能源，取之不尽，用之不竭，并且
10、不受价格的影响，到 2003年 3 月，全球风力发电装机已超过 40GW（70% 以上在欧洲） ，近几年每年都以 3040%的速度递增。由于技术设备越来越先进，成本会越来越低。去年风能发电平均每千瓦时的成本费用在强风区是 4 美分，弱风区为 6 美分。而 20 世纪 80 年代成本为 80 美分。研究人员预计，随着技术设备的改善，成本还可以再减少 30到 50。目前我国投资超过 160 亿元的风能发电计划已经出台，拟在全国范围选择 20 个 10 万千瓦以上的大型风电场。国外兆瓦级水平轴风力发电机组已经相当成熟，目前国内大都引进国外的技术，进行风场建设，对于国内自主创新，拥有自己的知识产权，具
11、有相当大局限性。所以，国内目前有几家风电公司正在着力发展自主知识产权的垂直轴风力发电机组，以赶超和引领世界先进水平。（二） 、国内外风力发电状况我国是世界上利用风力最早的国家之一，风能利用历史可追溯到公元前，但进行风力发电科研的工作起步较晚，风力发电在中国得到迅速发展是 20 世纪 扬州大学本科生毕业设计280 年代的事情，至今已经建成了一大批风力发电场。自 20 世纪 60 年代初开始，我国先后研制了 100w、1kw 、10kw、55kw 、220kw 的风力机几十种，从 70 年代末期我国开始自行开发多种微型（100w1kw）充电用的风电机组，并在牧区和海岛得到迅速推广，而且逐步形成产业
12、，有些产品还销售到国外市场。我国“六五“期间贯彻小型为主方针，先后在内蒙、新疆、山东、青海、西藏、浙江、福建、江苏、甘肃、广西、辽宁、黑龙江等省、自治区建设了风能开发与研究试点工作。到 20 世纪 80 年代末，我国小型风机装机容量达 6.7 Mw，年发电量为 6.3 Gwh 时，中大型风力机的研究与制造也已逐步开始。目前，我国小型风力发电技术十分成熟，建设进展较快，特别是 5kw 以下机组的制造技术已成熟，并进行大量的推广使用，形成批量生产。100、150、200、300、500w 及 1、2、5kw 的小型风力发电机，年生产能力达到 3 万台以上，销售量最大的是 100300w 的风电机组
13、。我国大型风力发电机组的研究制造工作正在加快发展。中国一拖集团与西班牙电力公司，西安航空发动机公司与德国恩德公司联合分别生产了 660kw 的主发电机组，并已安装到辽宁营口风电场并网发电运行。另外，浙江运达风力设备厂生产出 4 台 250 kw 发电机组，安装在广东南澳风电场运行。在我国，大型风电机组的主要部件在国内制造，其成本可比进口机组降低 20%30%，国产化是我国大型风力机发展的必然趋势。我国大型风电机组的国产化从 250300 kw 机组开始，发展到 600 kW。根据我国的生产水平和技术能力，大型风力机国产化是完全可行的。从风力发电场的建设历史来看，1986 年国家第一个风电场在山
14、东荣城并网发电后，全国累计安装使用小型风力发电机组 19 万台以上，各地陆续引进机组并建设风电场，截止到现在，我国已建成一大批风电场，形成上百万千瓦的发电能力。在黑龙江省的富锦风电场中，单机容量已达到 960kw，使我国风力发电迈上了一个新台阶。在国外，风能开发利用在国外已经形成相当的规模，风力发电在德国、西班牙、丹麦、美国，还有印度等国家得到大规模的利用。相对中国而言，国外在风电开发利用上投入了大量的人力物力，尤其是欧美国家，早在 20 世纪 70 年代发生世界能源危机时，就采取了政府补贴税收政策等刺激手段，鼓励风力发电事业。从世界风电场的情况看，无论是装机容量、成本投资、年发电量、扬州大学
15、本科生毕业设计3运行费用及运行可靠性、稳定性等性能来衡量，200500kw 的中型机组都具有较大的竞争力。从自然环境看，我国占有优势地位。我国领土位于北半球中纬度上，幅员辽阔海岸线长，风力资源相当丰富。利用风力资源发电既能保证安全的能源供应，又能战胜全球气候变化，更有利于环境保护，我们要充分有效地利用风能自然资源为人类造福。（三） 、风力发电的优势及存在问题风力发电作为一种新能源在世界上得到了广泛的应用，尤其是在偏远的山区和内蒙古的大草原上等电力线路很难达到的地方，常年平均风速达到一定的标准，非常适合建设不同型号和等级的风机，并且投资小，灵活方便。风能作为一种资源，具有多方面的使用价值，可以综
16、合利用。当风力发电机单机运行发电时,安装地点可因地制宜,解决一家一户用电问题。当风力发电机并网运行发电时, 它以最大的能量向电网输送电能。但是，风力发电也存在很多问题，如成本问题，发电效率问题以及控制问题，尤其是控制问题。并且大容量的发电需要并网，必须对发出的电进行监测，电流、电压、功率、频率、温度、相位角、电能质量等都是必须掌握的指标，这样有利用风力发电的控制以及数据分析，更加有利于风力发电的大力发展。二、 风力发电系统的发展及现状风力发电装置一般由风轮、传动系统、发电机、储能设备、控制保护系统和塔架等组成。从结构上分，风力发电有横轴型风力发电机和垂直轴型风力发电机两种。风力发电，需要有较充
17、足和稳定的风源。由于采用了叶顺浆机构或阻力装置，或是由安装在传动轴上的紧急制动闸等方式来实现自动保护，风力发电机的单机容量越来越大，技术水平越来越高，成本越来越低。水平轴风力发电机常见的是螺旋桨式风力机。这种风力机的翼形与飞机翼形相类似，为了提高起动性能，尽量减少空气动力损失，多采用叶根强度高、叶尖强度低带有螺旋角的结构。当它的风速至少达到额定风速时，才能输出额定功率。水平轴风力发电机的叶片在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，惯性力的扬州大学本科生毕业设计4方向是随时变化的，而重力的方向始终不变，这样叶片所受的就是一个交变载荷，这对于叶片的疲劳强度是非常不利的。另外，水平轴的发电机都
18、置于几十米的高空，这给发电机的安装和维护检修带来了很多的不便。垂直轴风力发电从根本上改变了以往常见的水平轴式风力发电机结构和形状，它把发电机、变速、传动等主要部件从几米到几十米高的塔顶搬移到地面，既方便了保养维修，又使运行更稳定更安全。采用独特的 LA 式三片式抛物线型风叶的风轮，增强了抗强风能力，提高了风能利用系数；集多电机于一体；采用立柱加横梁的整体组合形式，增强了风轮顶端横向推力。另外，垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中的受力情况要比水平轴的好，由于惯性力与重力的方向始终不变，所受的是一恒定载荷，因此疲劳寿命要比水平轴的长。对于水平轴发电机，当风速发生变化时，桨叶的迎风角度不随之变化，这就显
19、示出风力发电机组两个问题：一个是当风速高于风轮的设计点风速，桨叶必须能够自动将功率限制在额定值附近，因为风力机材料的物理性能是有限度的。二是运行中的风力发电机在突然失去电网（突率负载）的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风力发电机组风轮不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动，这对于小型机组来说问题不大，但对于大型风力机组就会有很大的影响。由此看出，相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有设计方法先进、风能利用率高、起动风速低、无噪音等众多优点，具有更加广阔的市场应用前景。三、本论文主要研究工作本论
20、文首先将对双馈风力发电机的结构和原理作了论述，将定子电压、转子电压、直流母线电压和温度作为主要测量指标。 然后以西门子公司生产的 S7-200 可编程控制器（PLC）为主要核心，通过电压、电流、温度等传感器进行数据采集，通过 GPRS 无线通讯进行数据传输，利用组态王软件进行界面显示监测。深刻的学习了 PLC 的使用方法和程序设计编程，传感器、PLC 以及 GPRS 的硬件接线，学习了组态王软件的使用以及完成界面的设计。完成了远距离无线监测风力发电机的任务，并进行了故障以及异常的报警功能。扬州大学本科生毕业设计5第二章 研究课题概述一、 研究对象概述（一） 、双馈风力发电机的组成及结构双馈风力
21、发电机的结构有机械结构与电气结构之分。其机械结构与一般风电机一样，有以下几个部分：机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代 600 千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为 20 米，而且被设计得很象飞机的机翼。 轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。 低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600 千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为 19 至 30 转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴 50 倍。高速轴及其机械闸：高速轴以 1500 转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为 500 至 1500 千瓦。 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。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感觉风向。电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热） ，该控制器可以自动停止风力
