風力發(fā)電機組偏航控制本科設計論文

1、密級：內(nèi)部風電運動控制編程與實踐Programming and practice for motion control of wind energy 學 院：電氣工程學院專 業(yè) 班 級：學 號：學 生 姓 名：指 導 教 師： 2013年06月摘要當今世界面臨著環(huán)境污染、溫室效應、化石能源枯竭等問題。傳統(tǒng)結構的能源已經(jīng)越發(fā)不能滿足社會的需求。所以可再生能源得到了越來越多的國家與地區(qū)的重視。風能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源之一，其具有安全，無污染，清潔，儲量豐富等特點，受到各個國家的普遍重視。在眾多再生能源中，它最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)發(fā)展前景。當前，中國風電市場蓬勃發(fā)展，由此帶動中國風機制造

2、產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)欣欣向榮的發(fā)展勢態(tài)。風電機組的控制系統(tǒng)是風能領域中最重要的組成部分之一，它保證了風電機組安全有效的運行。而偏航控制又是控制系統(tǒng)的一個重點。所以，如何使偏航變得更智能、更精確成為了編程人員工作的焦點。本文主要圍繞風電機組的偏航程序和部分運動控制程序展開討論。在文章開始部分介紹了運動控制系統(tǒng)的總體結構，并重點介紹偏航軟硬件結構和控制原理。隨后以PLC作為主控制單元，設計了偏航系統(tǒng)的電路系統(tǒng)。最后，本文結合偏航過程中的常見問題，如偏航最短路徑、電纜的纏繞和對風角計算等，用STEP7軟件中的LAD編程語言編寫了偏航程序。該程序根據(jù)風向、風速傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)由邏輯控制將控制信號輸出給執(zhí)行機構

3、，實現(xiàn)自動對風、人工偏航和自動解纜等功能。經(jīng)實驗表明, 該系統(tǒng)控制器運行安全,穩(wěn)定性能良好。關鍵詞：風力發(fā)電；偏航控制系統(tǒng)；PLC；硬件設計AbstractToday's world is facing issues, such as environmental pollution, the greenhouse effect, the depletion of fossil fuels. Traditional energy has been increasingly unable to meet the demands of society, so renewable energy

4、 has been getting an increasing attention of countries and regions. Wind energy, with the feature of security, pollution-free, clean and rich in storage ,is one of the fastest growing renewable clean energy, so its given priority to all the countries. Of all the renewable energy, it has the greatest

5、 developing and business prospects. At the present, the booming wind power market in China promotes the development of wind turbine manufacturing industry. Wind turbine control system is one of the most important part in the field of wind energy, and it guarantees the safe and efficient operation of

6、 the wind turbine. .And yaw control is a critical part of the control system. Therefore, how to make yaw control become more intelligent and more precise is the focus to programmers.This article has a discussion on the yaw and partial movement control procedures. At the beginning of the article, it

7、introduces the general structure of the motion control system and put emphasis on the software and hardware structure of the yaw control as well as control principle. Then the article uses PLC as the main control unit to design the wind turbine yaw control system and the hardware structure. Finally,

8、 combined with the common problems in the yaw processing, such as the shortest path calculation, cable winding and wind angle, uses LAD in STEP7 software to program. According to the data collected by the wind direction and wind speed sensor, the system achieve the functions including automatic yaw,

9、 manual yaw and automatic cast off. Experiments show that the system controller runs security and stability Keywords: wind generation; yaw control systems; PLC; hardware design目 錄摘要Abstract第1章 緒論11.1開發(fā)利用風力發(fā)電的動因11.2風力發(fā)電現(xiàn)狀11.2.1世界風力發(fā)電現(xiàn)狀11.2.2中國風力發(fā)電現(xiàn)狀21.3 課題研究的背景和意義3第2章 系統(tǒng)構成42.1控制系統(tǒng)的總體結構42.2偏航控制系統(tǒng)42.3液

10、壓控制系統(tǒng)52.3.1定槳距風電機組的液壓系統(tǒng)52.3.2變槳距風電機組的液壓系統(tǒng)52.4變漿距控制系統(tǒng)72.4.1啟動運行狀態(tài)72.4.2欠功率運行狀態(tài)82.4.3額定功率運行狀態(tài)82.5 主控制PLC結構與特點92.5.1 PLC基本結構92.5.2 PLC的特點102.6 本章小結10第3章 偏航系統(tǒng)硬件結構113.1 硬件組成113.2偏航驅(qū)動113.2.1偏航驅(qū)動裝置113.2.2 風速風向傳感器113.2.2.1 風速的測量113.2.2.2 風向的測量123.3 偏航保護133.4電路設計133.5 本章小結13第4章 偏航系統(tǒng)控制編程144.1 程序本體流程144.2 人工偏航

11、控制164.3偏航解纜程序設計164.3.1解纜程序設計思想164.3.2自動解纜子程序184.4自動對風控制194.4.1 自動對風程序設計思想194.4.2模擬量輸入的轉換204.4.3自動對風子程序214. 5風機自啟動224.6 主程序設計224.7 本章小結23第5章 偏航實驗245.1實驗構成245.2實驗過程255.3實驗結果與分析255.3.1 實驗結果255.3.2 實驗分析27第6章 總結28參考文獻29致謝31附錄32沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）第1章 緒論1.1開發(fā)利用風力發(fā)電的動因人類經(jīng)濟的發(fā)展與能源的開發(fā)和利用密不可分，每一次新型能源的開發(fā)利用都使社會發(fā)展產(chǎn)生

12、一次質(zhì)的飛躍。在當今社會，世界能源結構也正在發(fā)生著重大的變化，即由礦物能源系統(tǒng)向以可再生能源為基礎的可持續(xù)能源系統(tǒng)轉變。以太陽能、風能、海洋能、生物質(zhì)能、地熱能等的可再生能源得到社會的廣泛重視。在在這幾個能源中，風力發(fā)電無疑在應用、經(jīng)濟和商業(yè)化方面都最具潛力。風電作為一種新型的清潔能源，其優(yōu)勢得到越來越多的人認可。風力發(fā)電的優(yōu)越性可歸納為四點：（1）風力發(fā)電技術安全可靠且經(jīng)濟性高。隨著設備的改善，風力發(fā)電機組的單機容量與發(fā)電質(zhì)量不斷提高，這使得風電成本下降，考慮到環(huán)保、交通等因素，風電經(jīng)濟性逐步優(yōu)于火電。（2）風力發(fā)電是清潔能源。順著全球變暖，人居環(huán)境不斷惡化。各國都在尋找可替代一次能源的新型

13、環(huán)保能源。而風電機組在發(fā)電過程中，不會對環(huán)境造成污染。相對于火電和核電更為環(huán)保。（3）風電建筑用地占地少。塔筒與監(jiān)控、變電建筑僅占風電場約1%的土地，其余99%的場地可供農(nóng)、林、牧使用。（4）風力發(fā)電場建設周期短。相對于其他常規(guī)能源如：煤電、水電、核電等動輒數(shù)年的建設周期，風電的單臺風電機組安裝只用兩三個星期，并可同時多臺安裝。建設一個風力發(fā)電場，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半年至一年時間1。 由此可見，風力發(fā)電技術具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，它的發(fā)展受到全世界各國的高度關注。風力發(fā)電技術的研究極為迅猛，單機容量從最初的數(shù)十千瓦級發(fā)展到兆瓦級；控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距和變速

14、控制發(fā)展，其趨勢將向智能型發(fā)電機組發(fā)展；運行可靠性從1980年左右的50%，提高到98%以上，且在風場運作的風電機組都可實現(xiàn)集中控制和遠程控制；從今后的發(fā)展其實來看風電場將從內(nèi)陸移到海上，這使其發(fā)展空間變得更為廣闊2。1.2風力發(fā)電現(xiàn)狀1.2.1世界風力發(fā)電現(xiàn)狀（1）世界風電工業(yè)高速發(fā)展盡管2011年全球經(jīng)濟低迷，但風能發(fā)展卻保持良好勢頭。根據(jù)風能理事會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2011年全球新增風電裝機容量達40564MW；新增容量是全球累計風電裝機達到237669MW。目前，已有48個國家頒布了支持可再生能源發(fā)展的相關法律法規(guī)，政策法規(guī)對風電發(fā)展起到了至關重要的作用。以下為2011年世界風電新增裝機容

15、量前10位的國家?？梢钥闯觯晷略鲅b機容量超過1GW的國家達到8個。我國的裝機容量較2010年的18GW有所下降3。表1-1 截止到2011年世界新增風電裝機容量最多的10個國家排名國家裝機容量（MW）排名國家裝機容量（MW）1中國176316加拿大12672美國68107西班牙10503印度30198意大利9504德國20869法國8305英國129310瑞典763（2）風電成本逐年降低風力發(fā)電的成本在過去5年中已下降了20%。當每千瓦裝機成本為700歐元且平均風速為7m/s的地區(qū)，風電便可與火電、煤電相競爭。根據(jù)丹麥RIS國家研究實驗室對安裝在丹麥的風電機組所進行的評估，從19812002

16、年間，風電成本由15.8歐分/kWh下降到4.04歐分/kWh，預計2010年度電成本下降至3歐分/kWh，2020年降低至2.34歐分/kWh4。（3）海上風電悄然興起近年來，近海風電技術逐步成為風電領域新的研究與應用的熱點。由于海上具有風能豐富、地域平坦寬廣等特點，海上風電場的多兆瓦級風電機組商業(yè)化運行是風能領域的新的發(fā)展趨勢。包括瑞典、丹麥、荷蘭和英國在內(nèi)的西方國家已率先對近海風電技術進行了研究。到2003年末，圍繞歐洲海岸線，海上風電總裝機600MW。位于丹麥南海岸的Nysted風電場目前是世界上最大的海上風電場，其容量為165.6MW，由72臺Bonus2.3MW海上風電機組組成，并

17、于2003年12月開始發(fā)電。預計到2010年，歐洲海上風電的裝機容量將達到10000MW。1.2.2中國風力發(fā)電現(xiàn)狀我國風能資源比較豐富，目前我國已經(jīng)探明的風能儲量約為3226GW,其中可利用風能約為253GW,主要分布在西北、華北和東北的草原和戈壁以及東部和東南沿海及島嶼上。在我國風力資源較豐富的邊遠、無電、缺電地區(qū)適合發(fā)展中小型獨立運行的風電系統(tǒng)，以解決這些地區(qū)的生活用電和部分生產(chǎn)用電；在風力資源豐富的南方，電網(wǎng)通達的地區(qū)，應以發(fā)展較大規(guī)模的并網(wǎng)風電系統(tǒng)為主，補充和部分替代常規(guī)能源，提高當?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量5。我國從1770年起開始進行并網(wǎng)型風力發(fā)電的實驗，1996年，國家計委實施了“乘風計劃”

18、，開始引進大型風力發(fā)電機，建設大型風力發(fā)電場。我國目前是全球最大的風電市場,也是全球最大的風力發(fā)電機組生產(chǎn)基地。截至2009年年底,中我國國內(nèi)的風能裝機容量2500萬kW，共建有42個風電場，分布在13個?。ㄊ?、自治區(qū)）。在全球風能展望2010的所有預測情形中,中國都是風能產(chǎn)業(yè)增長最快的單一國家,該報告預計,中國國內(nèi)的風電裝機容量在2020年將達到現(xiàn)在的十倍。 2011年一季度中國風力發(fā)電量大增。從國家能源局獲悉，今年一季度我國風力發(fā)電量達到188億kW時，增長60.4%，比同期火電、水電、核電增速高出30到50個百分點。中國政府目前公布的風電發(fā)展目標是2025年將達到3000萬kW6。風電的

19、快速發(fā)展，與國家的政策扶持密不可分。“十一五”時期，我國陸續(xù)出臺了可再生能源法及關于風電建設管理有關要求的通知、可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃等一系列配套政策和實施細則，這些政策不僅為風電長遠發(fā)展提供了法律保障、政策支持，也明確提出了裝備先行、市場化的發(fā)展戰(zhàn)略。其中2006年1月1日正式實施的中華人民共和國可再生能源法。推動了我國大型風力發(fā)電的建設。甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江、江蘇都紛紛開始上馬動輒10億元的風力發(fā)電項目7。1.3 課題研究的背景和意義在傳統(tǒng)的風力發(fā)電控制系統(tǒng)中，控制方法存在諸多不足，結構復雜，編程繁瑣，可靠性穩(wěn)定性不強等眾多因素引起較大的能量損失，致使風力發(fā)電的成本仍高于常規(guī)電力成本。而

20、控制系統(tǒng)以PLC為主控制器，其結構簡單，編程方便，可實施性強，并且具有較強的抗干擾能力，可靠性高，易于維護，能夠直觀的反應現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，通過編程工具能夠直接觀測出系統(tǒng)的運行情況，為維護人員查找故障提供了極大的方便，從而縮短了對系統(tǒng)的維護時間。新型的控制算法正在不斷的研究和應用，可以大大的提高風能的利用率，有效的提高了風電機組的發(fā)電量，從而不斷降低了風力發(fā)電的成本。在今后的幾十年內(nèi)，國際上風力發(fā)電行業(yè)將是發(fā)展和增長速度最快的行業(yè)，風力發(fā)電技術也將進入其發(fā)展迅速的黃金時期；在我國國內(nèi)，并網(wǎng)型風電機組裝機容量的增長速度明顯在加快，離網(wǎng)型風電機組的發(fā)展地域性廣，潛力大，裝機總容量將最終超越并網(wǎng)型

21、的風電機組。與此同時，基于PLC為主控制器的控制系統(tǒng)也將會得到越來越廣闊的發(fā)展空間8。第2章 系統(tǒng)構成2.1控制系統(tǒng)的總體結構圖2.1所示為風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的結構，針對此控制系統(tǒng)，選用集散型或分布式工業(yè)控制計算機，是絕大多數(shù)風電機組選用的形式。風電機組的控制系統(tǒng)包括 PLC 系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集接口、偏航系統(tǒng)、變槳距系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)、并網(wǎng)控制器和液壓控制系統(tǒng)。PLC 是機組控制系統(tǒng)的核心，它與風電機組的其他部分密切聯(lián)系，保證機組的效率和安全9。圖2-1 控制系統(tǒng)結構圖2.2偏航控制系統(tǒng)風力機的偏航系統(tǒng)也稱為對風裝置，它是風電機組特有的伺服系統(tǒng)。它主要有以下兩個功能：一是要控制風輪跟蹤變化穩(wěn)定的風

22、向，以便風輪獲得最大的風能；二是當風電機組由于偏航作用，機艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時，自動解除纏繞。小微型風力機指發(fā)電功率在10千瓦及其以下的風力發(fā)電機。由于小型風力機的結構簡單、體型較小，它 常用尾翼作為調(diào)向機構。尾翼裝在尾桿上與風輪軸平行或成一定的角度。為了避免尾流的影響，也可將尾翼上翹，裝在較高的位置。中小型風機可用舵輪作為調(diào)向系統(tǒng)。當風向變化時，位于風輪后面兩舵輪（其旋轉平面與風輪旋轉平面相垂直）旋轉，并通過一套齒輪傳動系統(tǒng)使風輪偏轉，當風輪重新對準風向后，舵輪停止轉動，偏航結束10。大中型風力機一般采用電動的偏航系統(tǒng)來調(diào)整風輪并使其對準風向。偏航系統(tǒng)一般包括感應風向的風向標，偏航電機，

23、偏航行星齒輪減速器，回轉體大齒輪等。其工作原理如下：主控制器接受完風速風向傳感器的風信號后，經(jīng)過運算得出風向與機艙位置的夾角，從而判斷機艙向哪個方向進行偏航。同時主控制器發(fā)出指令驅(qū)動偏航電機，以調(diào)整機艙的方向，達到對準風向的目的11。關于偏航系統(tǒng)的軟硬件結構將在后續(xù)章節(jié)進行詳細介紹。2.3液壓控制系統(tǒng)風力發(fā)電機的液壓系統(tǒng)屬于風力發(fā)電機的一種動力系統(tǒng)，它的主要功能是為變漿控制裝置、安全漿距控制裝置、偏航驅(qū)動和制動裝置、停機制動裝置提供液壓驅(qū)動力。風機液壓系統(tǒng)是一個公共服務系統(tǒng)，它為風力發(fā)電機上一切使用液壓作為驅(qū)動力裝置提供動力。在定槳距風電機組中，液壓系統(tǒng)的主要任務是驅(qū)動風電機組的氣動剎車和機械

24、剎車；在變槳距風電機組中，液壓系統(tǒng)主要控制變距機構，實現(xiàn)風電機組的轉速控制、功率控制，同時也制控機械剎車機構。2.3.1定槳距風電機組的液壓系統(tǒng)定槳距風電機組的液壓系統(tǒng)實際上是制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構，主要用來執(zhí)行風電機組的開關機指令。通常它由兩個壓力保持回路組成，一路通過蓄能器供給葉尖擾流器，另一路通過蓄能器供給機械剎車機構。這兩個回路的工作任務是使機組運行時制動機構始終保持壓力。當需要停機時，兩回路中的常開電磁閥先后失電，葉尖擾流器一路壓力油被泄回油箱，葉尖動作；稍后，機械剎車一路壓力油進入剎車油缸，驅(qū)動剎車夾鉗，使葉輪停止轉動。在兩個回路中各裝有兩個壓力傳感器，以指示系統(tǒng)壓力，控制液壓泵站補油

25、和確定剎車機構的狀態(tài)。2.3.2變槳距風電機組的液壓系統(tǒng)變槳距風電機組的液壓系統(tǒng)與定槳距風電機組的液壓系統(tǒng)很相似，也由兩個壓力保持回路組成。一路由蓄能器通過電液比例閥供給葉片變漿距油缸，另一路由蓄能器供給高速軸上的機械剎車機構。圖2-2為VESTASV39 型風電機組液壓系統(tǒng)。圖2-2變槳距風電機組液壓系統(tǒng)1油箱 2油位開關 3空氣濾清器 4溫度傳感器 5液壓泵 6聯(lián)軸器 7電動機 8主模塊 9壓力測試口 10濾清器 11單向閥 12壓力傳感器 13溢流閥 14壓力表 15壓力表接口 16蓄能器 17節(jié)流閥 18可調(diào)節(jié)流閥 19電磁閥 20比例閥 21電磁閥 22減壓閥 23壓力開關 24先導

26、止回閥（1）液壓泵站液壓泵站的動力源是齒輪泵5，為變距回路和制動器回路所共用。液壓泵安裝在油箱油面以下并通過聯(lián)軸器6，由油箱上部的電動機驅(qū)動。泵的流量變化根據(jù)負載而定。液壓泵由壓力傳感器12的信號控制。當泵停止時，系統(tǒng)由蓄能器16保持壓力。系統(tǒng)的工作壓力設定范圍為130145bar。當壓力降至130bar以下時，泵起動；在145bar時，泵停止。在運行、暫停和停止狀態(tài)，泵根據(jù)壓力傳感器的信號自動工作，在緊急停機狀態(tài)，泵將被迅速 斷路而關閉。（2）變漿控制液壓變槳距控制機構屬于電液伺服系統(tǒng)，變槳距液壓執(zhí)行機構是槳葉通過機械連桿機構與液壓缸相連接,節(jié)距角的變化同液壓缸位移基本成正比。變漿控制系統(tǒng)的

27、節(jié)距控制是通過比例閥來實現(xiàn)的。在圖2.2中，控制器根據(jù)功率或轉速信號給出一個（10-10）V 的控制電壓，通過比例閥控制器轉換成一定范圍的電流信號，控制比例閥輸出流量的方向和大小。點劃線內(nèi)是帶控制放大器的比例閥，設有內(nèi)部LVDT反饋。變距油缸按比例閥輸出的方向和流量操縱葉片節(jié)距在5°88°之間運動。為了提高整個變距系統(tǒng)的動態(tài)性能，在變距油缸上也設有LVDT位置傳感器。（3）液壓系統(tǒng)在停機/ 緊急停機時的工作情況停機指令發(fā)出后，電磁閥191 和19-2 斷電，油從蓄能器16-1通過閥19-1和節(jié)流閥17 1及閥24 傳送到油缸后端。缸筒的前端通過閥19-2 和節(jié)流閥17-2

28、排放到油箱，葉片變距到88°機械端點而不受來自比例閥的影響。電磁閥21-1斷電時，先導管路壓力油排放到油箱；先導止回閥24 不再保持在雙向打開位置，但仍然保持止回閥的作用，只允許壓力油流進缸筒。從而使來自風的變漿力不能從油缸左端方向移動活塞，避免向5°的方向調(diào)節(jié)葉片節(jié)距。在停機狀態(tài)，液壓泵繼續(xù)自動停/ 起運轉。順槳由部分來自蓄能器16-1，部分直接來自泵5 的壓力油來完成。在緊急停機位時，泵很快斷開，順槳只由來自蓄能器16-1 的壓力油來完成。為了防止在緊急停機時，蓄能器內(nèi)油量不夠變距油缸一個行程，緊急順槳將由來自風的自變漿力完成。油缸右端將由兩部分液壓油來填補：一部分來油

29、缸左端通過電磁閥192、節(jié)流閥17-2、單向閥11-5 和24 的重復循環(huán)油；另一部分油來自油箱通過吸油管路及單向閥11-5和24。緊急順槳的速度由二個節(jié)流閥17-1和17-2控制并限制到約9°/s12。2.4變漿距控制系統(tǒng)變槳距是指安裝在輪轂上的葉片可以借助控制技術改變其槳距角的大小，從而改變?nèi)~片氣動特性，使槳葉和整機的受力狀況大為改善，其最重要的應用是功率調(diào)節(jié)。變槳距風電機組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為 3 種運行狀態(tài)，即風電機組的啟動狀態(tài)（轉速控制）、欠功率狀態(tài)（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）13。2.4.1啟動運行狀態(tài)變槳距風輪的槳葉在靜止時，槳距角為90°，風

30、輪的空轉速度也最小。這時氣流對槳葉不產(chǎn)生轉矩。整個槳葉實際上是一塊阻尼板，這個狀態(tài)成為“順槳”。當風速達到啟動風速時，槳葉向0°方向轉動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風輪開始啟動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變槳距系統(tǒng)的槳距角給定值由發(fā)電機轉速信號控制。轉速控制器按照發(fā)電機轉速的大小，相應改變槳距角設定值的大小。變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的槳距角參考值，調(diào)整槳距角，進行所謂的速度控制。其控制系統(tǒng)框圖如下圖2.3所示，轉速控制的給定值是恒定的，即同步轉速。發(fā)電機增速器風輪變槳結構槳距控制器轉速控制器轉速給定 發(fā)電機轉速圖2-3 變槳控制啟動狀態(tài)（轉速控制）框圖為了使控制過程比較簡單，可以在轉速達到

31、發(fā)電機同步轉速前對槳葉槳距并不加以控制。在這種情況下，槳葉槳距只是按所設定的變距速度將槳距角向0°方向打開，直到發(fā)電機轉速上升到同步轉速附近，變槳距系統(tǒng)才開始投入工作。轉速反饋信號與給定值進行比較，當轉速超過同步轉速時，槳葉槳距就向迎風面積增大的方向轉動一個角度。當轉速在同步轉速附近保持一定時間后，發(fā)電機即并入電網(wǎng)14。2.4.2欠功率運行狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并入電網(wǎng)后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。與啟動運行相同的道理，在變槳距風力發(fā)電機組中，對欠功率狀態(tài)不加控制。這時的變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相同，其功率輸出完全取決于槳葉的氣動性能

32、。2.4.3額定功率運行狀態(tài)當風速達到或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)。在變槳距控制方式中，這時將進行功率控制，變槳距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制?？刂菩盘柕慕o定值是恒定的，即額定功率。功率反饋信號與給定值進行比較，當功率超過額定功率時，槳葉槳距就向迎風面積減小的方向轉動一個角度，反之則向迎風面積增大的方向轉動一個角度15。發(fā)電機增速器風輪變槳結構槳距控制器功率控制器功率給定發(fā)電機功率 圖2-4 變槳控制額定功率運行狀態(tài)框圖2.5 主控制PLC結構與特點PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算

33、、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。2.5.1 PLC基本結構（1）電源電源是構成PLC控制系統(tǒng)的不可或缺的組成部分。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的。PLC可直接連接到交流電網(wǎng)上去，它將市電電壓（AC 120V/230V）轉換成DC 24V的工作電壓。為PLC的CPU和24V直流負載電路提供電源。（2）中央處理單元（CPU)中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編

34、程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行16

35、。（3）存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。（4）輸入輸出接口電路現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道?，F(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。（5）功能模塊如計數(shù)、定位等功能模塊。（6）通信模塊如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等17。2.5.2 PLC的特點（1） 功能完善，組合靈活，擴展方便，實用性強?，F(xiàn)代PLC具有豐富的功能及各種擴展單元、智能單元和特殊功能模塊，可以根據(jù)實際應

36、用對象的要求，靈活組合出要求匹配的控制系統(tǒng)。（2） 使用方便，編程簡單，簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言采用的是常規(guī)控制電路的設計思想，它更能為計算機知識薄弱的工作人員接受，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。（3）安裝簡單，容易檢修。工作人員只需將PLC相應的I/O端與現(xiàn)場設備相連接，并寫入程序即可運行。PLC的運用能夠做到在線修改程序，改變控制的方案而無需拆開機器設備， 大大縮短了傳統(tǒng)控制設備的安裝和維修時間。各種模塊上也均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。PLC還有強大的自檢功能，這為它的維修提供了方便18。（4）抗干擾能力和可靠性能力都強，遠高于其他各種機型。隔

37、離和濾波，是抗干擾的兩大主要措施。對PLC的內(nèi)部電源還采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施，以減少外界干擾，保證供電質(zhì)量。另外使輸入/輸出接口電路的電源彼此獨立，以免電源之間的干擾。正確的選擇接地地點和完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。為適應工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，還采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結構。通過以上措施，保證了PLC能在惡劣環(huán)境中可靠工作，使平均故障間隔時間長，故障修復時間短。（5）環(huán)境要求低。PLC的技術條件能在一般高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強電磁干擾環(huán)境下可靠工作。這是PLC產(chǎn)品的市場生存價值。（6）易學易用。PLC是面向工礦企業(yè)的工控設備，接口容易

38、。PLC的梯形圖是根據(jù)繼電-接觸器硬件邏輯控制原理設計的，將原有電器控制系統(tǒng)輸入信號及輸出信號作為PLC的I/O點。對使用者來說，即使不需要具備計算機的專門知識，也能快速上手，更易于為工程技術人員接受19。2.6 本章小結本章對風力發(fā)電的運動控制系統(tǒng)的各個組成部分做了大體的介紹。包括偏航系統(tǒng)、變漿距控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。同時，對PLC的基本結構做了大體介紹，并描述其相對其他控制器的優(yōu)點。第3章 偏航系統(tǒng)硬件結構3.1 硬件組成風力機的偏航系統(tǒng)由偏航控制機構和偏航驅(qū)動機構兩大部分組成，偏航控制機構是風力機特有的伺服系統(tǒng)，機械驅(qū)動機構則是偏航系統(tǒng)的執(zhí)行機構。其中偏航控制機構包括：1風向傳感器、2偏航

39、控制器、3解纜傳感器。機械驅(qū)動機構包括：1偏航軸承、2偏航驅(qū)動裝置、3偏航制動器。 系統(tǒng)的硬件主要有:偏航電機，扭纜開關，風速風向傳感器，PLC。3.2偏航驅(qū)動3.2.1偏航驅(qū)動裝置偏航驅(qū)動裝置包括偏航電機和偏航減速齒輪機構。在大型風電機組上通常由兩臺或多臺驅(qū)動器驅(qū)動偏航系統(tǒng)。偏航電機多為三相異步電動機，它與一個直流電磁鐵制動器配合進行偏航。電磁制動器的直流勵磁電源電機接線盒內(nèi)的整流裝置提供，制動器具有手動釋放裝置。偏航時，剎車松閘。偏航停止時，剎車抱閘。偏航系統(tǒng)通過齒輪減速器得到合適的輸出轉速和扭矩，由于偏航速度很慢，減速器傳動比很大，通常在1：1000左右，因此采用多級減速器，一般采用二到

40、三級平行軸斜齒輪減速器和兩級行星減速器組合而成（BONUS和NEG-Micon機組采用這種機構）。也有采用一級渦輪減速器和一級行星減速器組合而成的減速器（VESTAS機組采用這種機構）20。3.2.2 風速風向傳感器 風向風速信號作為偏航控制系統(tǒng)中最關鍵的輸入信號，對其準確的測量將影響整個控制系統(tǒng)的性能。風作為矢量，既有大小，又有方向，其測量包括風向和風速兩項。3.2.2.1 風速的測量風速計是測量空氣流速的儀器。它的種類較多，常見的風速測量儀器有散熱式風速計、旋轉式風速計、和聲學風速計，但是最經(jīng)常使用的是旋轉式風速計。旋轉式風速計的感應部分是一個固定在轉軸上的感應風的組件，常用的有風杯、螺旋

41、槳葉片和平板葉片三種類型。風杯旋轉軸垂直于風的來向，螺旋槳葉片和平板葉片旋轉軸平行于風的來向。風電機組上常常采用的是風杯風速計，它的優(yōu)點在于它與風向無關。風杯由3個互成120°固定在支架上或互成90°角的十字形支架上的拋物錐空杯組成其感應部分，空杯的凹面都順向一個方向。整個感應部分安裝在一根垂直旋轉軸上，在風力的作用下，風杯繞軸以正比于風速的轉速旋轉。以WAA 15為例，它是一種高響應、低門限、三風杯的光電型風速計。它通過統(tǒng)計單位時間脈沖數(shù)來測量風速。首先齒盤可隨軸轉動，并安置于光電耦合器的發(fā)光管與光電三極管之間,光電耦合器裝于印制電路板上。轉盤有多個齒度,發(fā)光管LED 發(fā)

42、射的光束因磁盤的轉動而被切割,光電三極管即產(chǎn)生脈沖輸出。當光束被遮住是時輸出為低電平,這樣由于連續(xù)切割光束就可輸出一高一低的脈沖信號，且輸出頻率與風速成正比21。圖3-2 風速傳感器結構原理圖3.2.2.2 風向的測量風向標一般是由尾翼、指向桿、平衡錘以及旋轉主軸四部分組成的首尾不對稱的平衡裝置。其重心在支撐軸的軸心上，整個風向標可以繞垂直軸自由擺動。在風的動壓力作用下，取得指向的來向的一個平衡位置，即為風向的指示。傳送和指示風向標所在方位的方法有電觸點盤、環(huán)形電位、自整角機和光電碼盤四種類型，其中最常用的是碼盤。以WAV-15為例，它也是光電型傳感器,由單風標、格雷碼盤、光電組件組成,紅外L

43、ED 和光電三極管分別安裝于6 位格雷碼盤上下兩側的6 個窩型孔內(nèi)。當風標隨風向變化而轉動時,通過其軸帶動軸下端固定著的格雷碼盤,在光電組件的狹縫中轉動,產(chǎn)生的光電信號經(jīng)放大整形后,輸出對應當時風向的幅度為12V的六位格雷碼(每位格雷碼只有電平高低的區(qū)別,習慣上高電平為1 ,低電平為0) ,轉動時風向信號以516度的分辨率為步進變化。測量范圍為0360°,64 個方位,結構如圖3.322 。 圖3-3風向傳感器結構原理圖3.3 偏航保護有時機艙可能長時間向一個風向偏航數(shù)圈，這樣會造成電纜的纏繞，如果旋轉過多圈，電纜將會損壞。所以為了避免這樣的事故發(fā)生，偏航系統(tǒng)需要解纜系統(tǒng)。解纜系統(tǒng)分

44、為解纜傳感器控制的自動解纜和紐纜開關控制的安全鏈保護兩種。解纜傳感器安裝在機艙底部，通過一個尼龍齒輪與偏航大齒圈嚙合，這樣在偏航過程中，尼龍齒輪也一起轉動。傳感器內(nèi)部設有微處理器和增量式編碼器，對尼龍齒輪旋轉齒數(shù)進行統(tǒng)計與判斷是否需要解纜，向哪個方向解纜以及何時停止解纜等。若控制系統(tǒng)沒有自動進行解纜，當電纜纏繞達到允許的極限時，觸發(fā)紐纜開關的安全鏈保護，機組緊急停機，等待人工處理23。3.4電路設計電路設計見附錄一。3.5 本章小結本章介紹了偏航系統(tǒng)硬件的部件組成。以PLC為控制單位設計了偏航系統(tǒng)電路圖，該線路設計考慮到了左右偏航驅(qū)動互鎖、手自動切換、左右偏航極限位置保護。第4章 偏航系統(tǒng)控制

45、編程4.1 程序本體流程風電機組的偏航控制主要完成兩個功能：（1）使風輪跟蹤方向變化，利于最大風能的捕獲；（2）當機艙內(nèi)的電纜發(fā)生纏繞時自動解纜。偏航控制系統(tǒng)框圖如圖4-1 所示。風力機放大器偏航機構控制器風向信號偏航計數(shù) 監(jiān)測元件 風輪軸方向圖4-1 偏航控制系統(tǒng)框圖風機上裝有風向儀，當風輪的主軸與風向儀指向偏離時，控制器開始計時，這種方向偏差達到一定的時間后，才認為風向確實改變，由控制器發(fā)出向左或者向右偏航的指令，直到方向偏差消除。偏航角度大小的檢測通過安裝在機艙內(nèi)的角度編碼器實現(xiàn)。作為角度編碼器失效的后備措施，在由機艙引入塔架的電纜上安裝有行程開關，電纜纏繞達到一定程度，行程開關動作，控

46、制器檢測到該信號會啟動相應的處理程序。在風電機組工作時，如果向一個方向偏航的角度過大，將使由機艙引入塔架的各類電纜發(fā)生纏繞，影響整個發(fā)電機組的正常工作。因此當偏航角度累計達到1080°時，需要啟動自動解纜控制程序，通過偏航調(diào)節(jié)使整個機艙回轉1080°，完成解纜。解纜完成后，發(fā)電機組再進入正常發(fā)電的工作狀態(tài)24。風電機組無論處于運行狀態(tài)還是待機狀態(tài)均可以主動對風。當緊急停車時，需要通過偏航調(diào)節(jié)使機艙經(jīng)過最短的路徑與風向成90°夾角。為了實現(xiàn)這樣的伺服控制，通過對整個偏航系統(tǒng)的控制過程進行分析。偏航系統(tǒng)的控制過程可以分為：自動解纜、人工偏航、自動對風，如下圖所示。開始

47、延時自動偏航人工偏航自動解纜 N N 執(zhí)行人工偏航執(zhí)行自動解纜 YYY執(zhí)行自動偏航 結束圖4-2 偏航程序流程圖此處先定義風向角和偏航角：風向角 的范圍是-180°180°，定義正北方向為風向角0°方向。風向從正北方向順時針變化時，風向角正向增加，正南方向為180°方向；風向從正北方向逆時針變化時，風向角反向增加，正南方向為-180°方向。偏航角 的范圍是-1080°1080°，同樣定義正北方向為偏航角0°方向。風輪主軸順時針旋轉時，偏航角正向增加；風輪主軸逆時針旋轉時，偏航角反向增加25。風向角和偏航角的定義如圖

48、4-3所示圖4-3 風向角和偏航角風力機偏航控制系統(tǒng)工作原理是通過測風傳感器檢測風向、風速，并將檢測到的風向信號送到控制器。當需要調(diào)整方向時，控制器發(fā)出信號給偏航驅(qū)動機構，以調(diào)整機艙的方向，使風電機組的風輪始終處于迎風狀態(tài)，充分利用風能，提高風電機組的發(fā)電效率。4.2 人工偏航控制人工偏航是指當風力發(fā)電機自動偏航失效、人工解纜或者是在需要維修和時，通過人工送命令來控制風力發(fā)電機偏航的操作。人工偏航控制可通過硬件設計完成，具體實施方案參照上一章的電路設計圖。4.3偏航解纜程序設計由于風向的不確定性，風力發(fā)電機就需要經(jīng)常偏航對風，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會隨風力發(fā)電機的轉動

49、而扭轉。如果風力發(fā)電機多次向同一方向轉動，就會造成電纜纏繞、絞死，甚至絞斷，因此必須設法解纜。當風機偏航超過3 圈（±1080°）時，運行解纜控制程序，使風機朝扭纜的相反方向偏航解纜，防止內(nèi)部電纜發(fā)生纏繞。解纜子程序的優(yōu)先級高于偏航子程序26。4.3.1解纜程序設計思想無論是自動對風程序還是自動解纜程序，對機艙位置的記錄都是不可或缺的一部分。通過在偏航齒圈旁安裝如圖瑣事的兩個位置傳感器，可以實現(xiàn)對偏航角的測量。利用兩個位置傳感器錯開安裝的方式，安裝示意圖如圖4-4所示圖4-4 位置傳感器的安裝示意圖當位置傳感器A和B掃描一個齒時，A和B的狀態(tài)會發(fā)生變化。假設設定初始狀態(tài)A=

50、0，B=0.當下一狀態(tài)變?yōu)锳=1，B=0時，則風力發(fā)電機正在向順時針偏航。同理當下一狀態(tài)變?yōu)锳=0，B=1時，風力發(fā)電機正在向逆時針偏航。順、逆時針的狀態(tài)順序圖如表4-1所示。表4-1 順、逆時針方向位置傳感器A、B狀態(tài)順序圖左偏航兩AB信號的一個周期內(nèi)變化的情況狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4狀態(tài)5A01100B00110右偏航兩AB信號的一個周期內(nèi)變化的情況狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4狀態(tài)5A00110B01100當風力發(fā)電機電纜纏繞達到設定值時，解纜控制系統(tǒng)根據(jù)限位開關發(fā)出的信號控制解纜驅(qū)動器回轉相同轉數(shù)進行電纜解繞。利用位置傳感器檢測風力發(fā)電機繞纜達到三圈時進行解繞。偏航齒輪有126個齒，當位置傳

51、感器A對準偏航齒輪一個齒的齒頂，位置傳感器B對準同一個齒的齒底，此時位置傳感器A輸出為高電平，位置傳感器B輸出為低電平，將一個齒分為四種狀態(tài)，則偏航齒輪的狀態(tài)數(shù)計算可得： 126×4=504個 （4-1）位置傳感器精度為： （4-2）通過兩個位置傳感器的錯位安裝，可得此時精度小于1°，對于解纜系統(tǒng)來說，這樣的精度已經(jīng)足夠。確定了如何判斷繞纜方向后，利用公式（4-2）計算扭纜角度： （4-3）式中，為紐纜的角度；為公式（4-8）所算得的傳感器精度27。當A、B傳感器狀態(tài)由狀態(tài)00變?yōu)?0時，風機為順時針偏航，此時自動加1，反之自動減1。以此類推，這樣就可以得到當前已紐纜的角度

52、。這方法同時用于計算解纜時電機需要回轉的角度。4.3.2自動解纜子程序開始讀取機艙偏航角度 機艙偏航角度>0 ？ Y N 逆時針偏航解纜順時針偏航解纜延時延時機艙偏航角度與風向角間夾角<5°機艙偏航角度與風向角間夾角<5° N 解纜結束 記錄當前位置圖4-5 自動解纜子程序流程圖自動解纜程序見附錄二。4.4自動對風控制4.4.1 自動對風程序設計思想在偏航過程中，風力機總是按最短路徑將機艙轉過相應角度，才能夠提高發(fā)電效率，這樣就需要解決電機的起動和轉向問題。為了確定電機的轉向使風力機轉過最小路徑，即偏航時間最短，需要設計偏航算法。這里，當風向角與偏航角之間

53、的夾角在5°以上，便需要進行偏航。當達到允許的誤差范圍內(nèi)時，自動對風停止。通常，當風向角與偏航角之間的夾角已經(jīng)減小到1°時，可停止偏航28?？刂扑惴ǎ簩⑵浇菤w算到-180°180°之間（用0表示），再與風向角進行計算比較，以確定風機偏航對風的方向。其中，n表示電纜已扭轉的整圈數(shù)，n =0，1,2,3.（1）當偏航角 > 0°時，則 0 = - 360°*n ；（2）當偏航角 < 0°時，則 0 = + 360°*n .風向角與0的夾角為，則 =-0 （4-4）若0°< < 180°，則風機需進行順時針偏航對風，使順時針偏航信號=1；若-180°< < 0°，則風機需進行逆時針偏航對風，使逆時針偏航信號=1；若180°< < 360°,則風機需進行逆時針偏航對風，使逆時針偏航信號=1；若-360°< < -180°，則風機需進行順時針偏航對風，使順時針偏航信號=1。將以上分析匯總出偏航方向判別表，見表4-2，其中: n 為扭纜的圈數(shù),可以通過計數(shù)傳感器進行測量取整數(shù)。表4-2 風機偏航對風方向判別表的取值范圍