風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制本科設(shè)計(jì)論文

1、密級(jí)：內(nèi)部風(fēng)電運(yùn)動(dòng)控制編程與實(shí)踐Programming and practice for motion control of wind energy 學(xué) 院：電氣工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：學(xué) 生 姓 名：指 導(dǎo) 教 師： 2013年06月摘要當(dāng)今世界面臨著環(huán)境污染、溫室效應(yīng)、化石能源枯竭等問(wèn)題。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的能源已經(jīng)越發(fā)不能滿足社會(huì)的需求。所以可再生能源得到了越來(lái)越多的國(guó)家與地區(qū)的重視。風(fēng)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(wú)污染，清潔，儲(chǔ)量豐富等特點(diǎn)，受到各個(gè)國(guó)家的普遍重視。在眾多再生能源中，它最具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)發(fā)展前景。當(dāng)前，中國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，由此帶動(dòng)中國(guó)風(fēng)機(jī)制造

2、產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)欣欣向榮的發(fā)展勢(shì)態(tài)。風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是風(fēng)能領(lǐng)域中最重要的組成部分之一，它保證了風(fēng)電機(jī)組安全有效的運(yùn)行。而偏航控制又是控制系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)。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(diǎn)。本文主要圍繞風(fēng)電機(jī)組的偏航程序和部分運(yùn)動(dòng)控制程序展開(kāi)討論。在文章開(kāi)始部分介紹了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)介紹偏航軟硬件結(jié)構(gòu)和控制原理。隨后以PLC作為主控制單元，設(shè)計(jì)了偏航系統(tǒng)的電路系統(tǒng)。最后，本文結(jié)合偏航過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題，如偏航最短路徑、電纜的纏繞和對(duì)風(fēng)角計(jì)算等，用STEP7軟件中的LAD編程語(yǔ)言編寫(xiě)了偏航程序。該程序根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)由邏輯控制將控制信號(hào)輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3、，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)風(fēng)、人工偏航和自動(dòng)解纜等功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明, 該系統(tǒng)控制器運(yùn)行安全,穩(wěn)定性能良好。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；偏航控制系統(tǒng)；PLC；硬件設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)利用風(fēng)力發(fā)電的動(dòng)因11.2風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀11.2.1世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀11.2.2中國(guó)風(fēng)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(gòu)成42.1控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)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(fēng)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)52.3.2變槳距風(fēng)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)52.4變漿距控制系統(tǒng)72.4.1啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)72.4.2欠功率運(yùn)行狀態(tài)82.4.3額定功率運(yùn)行狀態(tài)82.5 主控制PLC結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)92.5.1 PLC基本結(jié)構(gòu)92.5.2 PLC的特點(diǎn)102.6 本章小結(jié)10第3章 偏航系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)113.1 硬件組成113.2偏航驅(qū)動(dòng)113.2.1偏航驅(qū)動(dòng)裝置113.2.2 風(fēng)速風(fēng)向傳感器113.2.2.1 風(fēng)速的測(cè)量113.2.2.2 風(fēng)向的測(cè)量123.3 偏航保護(hù)133.4電路設(shè)計(jì)133.5 本章小結(jié)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(shè)計(jì)164.3.1解纜程序設(shè)計(jì)思想164.3.2自動(dòng)解纜子程序184.4自動(dòng)對(duì)風(fēng)控制194.4.1 自動(dòng)對(duì)風(fēng)程序設(shè)計(jì)思想194.4.2模擬量輸入的轉(zhuǎn)換204.4.3自動(dòng)對(duì)風(fēng)子程序214. 5風(fēng)機(jī)自啟動(dòng)224.6 主程序設(shè)計(jì)224.7 本章小結(jié)23第5章 偏航實(shí)驗(yàn)245.1實(shí)驗(yàn)構(gòu)成245.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程255.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析255.3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果255.3.2 實(shí)驗(yàn)分析27第6章 總結(jié)28參考文獻(xiàn)29致謝31附錄32沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1開(kāi)發(fā)利用風(fēng)力發(fā)電的動(dòng)因人類(lèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與能源的開(kāi)發(fā)和利用密不可分，每一次新型能源的開(kāi)發(fā)利用都使社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生

12、一次質(zhì)的飛躍。在當(dāng)今社會(huì)，世界能源結(jié)構(gòu)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(chǔ)的可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。以太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿鹊目稍偕茉吹玫缴鐣?huì)的廣泛重視。在在這幾個(gè)能源中，風(fēng)力發(fā)電無(wú)疑在應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)和商業(yè)化方面都最具潛力。風(fēng)電作為一種新型的清潔能源，其優(yōu)勢(shì)得到越來(lái)越多的人認(rèn)可。風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)越性可歸納為四點(diǎn)：（1）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)安全可靠且經(jīng)濟(jì)性高。隨著設(shè)備的改善，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量與發(fā)電質(zhì)量不斷提高，這使得風(fēng)電成本下降，考慮到環(huán)保、交通等因素，風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性逐步優(yōu)于火電。（2）風(fēng)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(guó)都在尋找可替代一次能源的新型

13、環(huán)保能源。而風(fēng)電機(jī)組在發(fā)電過(guò)程中，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。相對(duì)于火電和核電更為環(huán)保。（3）風(fēng)電建筑用地占地少。塔筒與監(jiān)控、變電建筑僅占風(fēng)電場(chǎng)約1%的土地，其余99%的場(chǎng)地可供農(nóng)、林、牧使用。（4）風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建設(shè)周期短。相對(duì)于其他常規(guī)能源如：煤電、水電、核電等動(dòng)輒數(shù)年的建設(shè)周期，風(fēng)電的單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組安裝只用兩三個(gè)星期，并可同時(shí)多臺(tái)安裝。建設(shè)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半年至一年時(shí)間1。 由此可見(jiàn)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，它的發(fā)展受到全世界各國(guó)的高度關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究極為迅猛，單機(jī)容量從最初的數(shù)十千瓦級(jí)發(fā)展到兆瓦級(jí)；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(shì)將向智能型發(fā)電機(jī)組發(fā)展；運(yùn)行可靠性從1980年左右的50%，提高到98%以上，且在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)作的風(fēng)電機(jī)組都可實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程控制；從今后的發(fā)展其實(shí)來(lái)看風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀1.2.1世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀（1）世界風(fēng)電工業(yè)高速發(fā)展盡管2011年全球經(jīng)濟(jì)低迷，但風(fēng)能發(fā)展卻保持良好勢(shì)頭。根據(jù)風(fēng)能理事會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：2011年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)40564MW；新增容量是全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到237669MW。目前，已有48個(gè)國(guó)家頒布了支持可再生能源發(fā)展的相關(guān)法律法規(guī)，政策法規(guī)對(duì)風(fēng)電發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。以下為2011年世界風(fēng)電新增裝機(jī)容

15、量前10位的國(guó)家?？梢钥闯?，年新增裝機(jī)容量超過(guò)1GW的國(guó)家達(dá)到8個(gè)。我國(guó)的裝機(jī)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(fēng)電裝機(jī)容量最多的10個(gè)國(guó)家排名國(guó)家裝機(jī)容量（MW）排名國(guó)家裝機(jī)容量（MW）1中國(guó)176316加拿大12672美國(guó)68107西班牙10503印度30198意大利9504德國(guó)20869法國(guó)8305英國(guó)129310瑞典763（2）風(fēng)電成本逐年降低風(fēng)力發(fā)電的成本在過(guò)去5年中已下降了20%。當(dāng)每千瓦裝機(jī)成本為700歐元且平均風(fēng)速為7m/s的地區(qū)，風(fēng)電便可與火電、煤電相競(jìng)爭(zhēng)。根據(jù)丹麥RIS國(guó)家研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)安裝在丹麥的風(fēng)電機(jī)組所進(jìn)行的評(píng)估，從19812002

16、年間，風(fēng)電成本由15.8歐分/kWh下降到4.04歐分/kWh，預(yù)計(jì)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(fēng)電悄然興起近年來(lái)，近海風(fēng)電技術(shù)逐步成為風(fēng)電領(lǐng)域新的研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。由于海上具有風(fēng)能豐富、地域平坦寬廣等特點(diǎn)，海上風(fēng)電場(chǎng)的多兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組商業(yè)化運(yùn)行是風(fēng)能領(lǐng)域的新的發(fā)展趨勢(shì)。包括瑞典、丹麥、荷蘭和英國(guó)在內(nèi)的西方國(guó)家已率先對(duì)近海風(fēng)電技術(shù)進(jìn)行了研究。到2003年末，圍繞歐洲海岸線，海上風(fēng)電總裝機(jī)600MW。位于丹麥南海岸的Nysted風(fēng)電場(chǎng)目前是世界上最大的海上風(fēng)電場(chǎng)，其容量為165.6MW，由72臺(tái)Bonus2.3MW海上風(fēng)電機(jī)組組成，并

17、于2003年12月開(kāi)始發(fā)電。預(yù)計(jì)到2010年，歐洲海上風(fēng)電的裝機(jī)容量將達(dá)到10000MW。1.2.2中國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀我國(guó)風(fēng)能資源比較豐富，目前我國(guó)已經(jīng)探明的風(fēng)能儲(chǔ)量約為3226GW,其中可利用風(fēng)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(guó)風(fēng)力資源較豐富的邊遠(yuǎn)、無(wú)電、缺電地區(qū)適合發(fā)展中小型獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)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(fēng)力資源豐富的南方，電網(wǎng)通達(dá)的地區(qū)，應(yīng)以發(fā)展較大規(guī)模的并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)為主，補(bǔ)充和部分替代常規(guī)能源，提高當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量5。我國(guó)從1770年起開(kāi)始進(jìn)行并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)，1996年，國(guó)家計(jì)委實(shí)施了“乘風(fēng)計(jì)劃”

18、，開(kāi)始引進(jìn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，建設(shè)大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。我國(guó)目前是全球最大的風(fēng)電市場(chǎng),也是全球最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)基地。截至2009年年底,中我國(guó)國(guó)內(nèi)的風(fēng)能裝機(jī)容量2500萬(wàn)kW，共建有42個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，分布在13個(gè)?。ㄊ?、自治區(qū)）。在全球風(fēng)能展望2010的所有預(yù)測(cè)情形中,中國(guó)都是風(fēng)能產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)最快的單一國(guó)家,該報(bào)告預(yù)計(jì),中國(guó)國(guó)內(nèi)的風(fēng)電裝機(jī)容量在2020年將達(dá)到現(xiàn)在的十倍。 2011年一季度中國(guó)風(fēng)力發(fā)電量大增。從國(guó)家能源局獲悉，今年一季度我國(guó)風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到188億kW時(shí)，增長(zhǎng)60.4%，比同期火電、水電、核電增速高出30到50個(gè)百分點(diǎn)。中國(guó)政府目前公布的風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)是2025年將達(dá)到3000萬(wàn)kW6。風(fēng)電的

19、快速發(fā)展，與國(guó)家的政策扶持密不可分?！笆晃濉睍r(shí)期，我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)了可再生能源法及關(guān)于風(fēng)電建設(shè)管理有關(guān)要求的通知、可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃等一系列配套政策和實(shí)施細(xì)則，這些政策不僅為風(fēng)電長(zhǎng)遠(yuǎn)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(chǎng)化的發(fā)展戰(zhàn)略。其中2006年1月1日正式實(shí)施的中華人民共和國(guó)可再生能源法。推動(dòng)了我國(guó)大型風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)。甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江、江蘇都紛紛開(kāi)始上馬動(dòng)輒10億元的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目7。1.3 課題研究的背景和意義在傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，控制方法存在諸多不足，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程繁瑣，可靠性穩(wěn)定性不強(qiáng)等眾多因素引起較大的能量損失，致使風(fēng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程方便，可實(shí)施性強(qiáng)，并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可靠性高，易于維護(hù)，能夠直觀的反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的變化狀態(tài)，通過(guò)編程工具能夠直接觀測(cè)出系統(tǒng)的運(yùn)行情況，為維護(hù)人員查找故障提供了極大的方便，從而縮短了對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)時(shí)間。新型的控制算法正在不斷的研究和應(yīng)用，可以大大的提高風(fēng)能的利用率，有效的提高了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量，從而不斷降低了風(fēng)力發(fā)電的成本。在今后的幾十年內(nèi)，國(guó)際上風(fēng)力發(fā)電行業(yè)將是發(fā)展和增長(zhǎng)速度最快的行業(yè)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也將進(jìn)入其發(fā)展迅速的黃金時(shí)期；在我國(guó)國(guó)內(nèi)，并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的增長(zhǎng)速度明顯在加快，離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展地域性廣，潛力大，裝機(jī)總?cè)萘繉⒆罱K超越并網(wǎng)型

21、的風(fēng)電機(jī)組。與此同時(shí)，基于PLC為主控制器的控制系統(tǒng)也將會(huì)得到越來(lái)越廣闊的發(fā)展空間8。第2章 系統(tǒng)構(gòu)成2.1控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖2.1所示為風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對(duì)此控制系統(tǒng)，選用集散型或分布式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組選用的形式。風(fēng)電機(jī)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(jī)組控制系統(tǒng)的核心，它與風(fēng)電機(jī)組的其他部分密切聯(lián)系，保證機(jī)組的效率和安全9。圖2-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2偏航控制系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)也稱為對(duì)風(fēng)裝置，它是風(fēng)電機(jī)組特有的伺服系統(tǒng)。它主要有以下兩個(gè)功能：一是要控制風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)

22、向，以便風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能；二是當(dāng)風(fēng)電機(jī)組由于偏航作用，機(jī)艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時(shí)，自動(dòng)解除纏繞。小微型風(fēng)力機(jī)指發(fā)電功率在10千瓦及其以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于小型風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體型較小，它 常用尾翼作為調(diào)向機(jī)構(gòu)。尾翼裝在尾桿上與風(fēng)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(fēng)機(jī)可用舵輪作為調(diào)向系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，位于風(fēng)輪后面兩舵輪（其旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面相垂直）旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)一套齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)使風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)，當(dāng)風(fēng)輪重新對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向后，舵輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，偏航結(jié)束10。大中型風(fēng)力機(jī)一般采用電動(dòng)的偏航系統(tǒng)來(lái)調(diào)整風(fēng)輪并使其對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。偏航系統(tǒng)一般包括感應(yīng)風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo)，偏航電機(jī)，

23、偏航行星齒輪減速器，回轉(zhuǎn)體大齒輪等。其工作原理如下：主控制器接受完風(fēng)速風(fēng)向傳感器的風(fēng)信號(hào)后，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出風(fēng)向與機(jī)艙位置的夾角，從而判斷機(jī)艙向哪個(gè)方向進(jìn)行偏航。同時(shí)主控制器發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)偏航電機(jī)，以調(diào)整機(jī)艙的方向，達(dá)到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的目的11。關(guān)于偏航系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)將在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。2.3液壓控制系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的液壓系統(tǒng)屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一種動(dòng)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(dòng)和制動(dòng)裝置、停機(jī)制動(dòng)裝置提供液壓驅(qū)動(dòng)力。風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)是一個(gè)公共服務(wù)系統(tǒng)，它為風(fēng)力發(fā)電機(jī)上一切使用液壓作為驅(qū)動(dòng)力裝置提供動(dòng)力。在定槳距風(fēng)電機(jī)組中，液壓系統(tǒng)的主要任務(wù)是驅(qū)動(dòng)風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)剎車(chē)和機(jī)械

24、剎車(chē)；在變槳距風(fēng)電機(jī)組中，液壓系統(tǒng)主要控制變距機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制、功率控制，同時(shí)也制控機(jī)械剎車(chē)機(jī)構(gòu)。2.3.1定槳距風(fēng)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)定槳距風(fēng)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)實(shí)際上是制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要用來(lái)執(zhí)行風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)關(guān)機(jī)指令。通常它由兩個(gè)壓力保持回路組成，一路通過(guò)蓄能器供給葉尖擾流器，另一路通過(guò)蓄能器供給機(jī)械剎車(chē)機(jī)構(gòu)。這兩個(gè)回路的工作任務(wù)是使機(jī)組運(yùn)行時(shí)制動(dòng)機(jī)構(gòu)始終保持壓力。當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，兩回路中的常開(kāi)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(dòng)作；稍后，機(jī)械剎車(chē)一路壓力油進(jìn)入剎車(chē)油缸，驅(qū)動(dòng)剎車(chē)夾鉗，使葉輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在兩個(gè)回路中各裝有兩個(gè)壓力傳感器，以指示系統(tǒng)壓力，控制液壓泵站補(bǔ)油

25、和確定剎車(chē)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。2.3.2變槳距風(fēng)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)變槳距風(fēng)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)與定槳距風(fēng)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)很相似，也由兩個(gè)壓力保持回路組成。一路由蓄能器通過(guò)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(jī)械剎車(chē)機(jī)構(gòu)。圖2-2為VESTASV39 型風(fēng)電機(jī)組液壓系統(tǒng)。圖2-2變槳距風(fēng)電機(jī)組液壓系統(tǒng)1油箱 2油位開(kāi)關(guān) 3空氣濾清器 4溫度傳感器 5液壓泵 6聯(lián)軸器 7電動(dòng)機(jī) 8主模塊 9壓力測(cè)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(kāi)關(guān) 24先導(dǎo)

26、止回閥（1）液壓泵站液壓泵站的動(dòng)力源是齒輪泵5，為變距回路和制動(dòng)器回路所共用。液壓泵安裝在油箱油面以下并通過(guò)聯(lián)軸器6，由油箱上部的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。泵的流量變化根據(jù)負(fù)載而定。液壓泵由壓力傳感器12的信號(hào)控制。當(dāng)泵停止時(shí)，系統(tǒng)由蓄能器16保持壓力。系統(tǒng)的工作壓力設(shè)定范圍為130145bar。當(dāng)壓力降至130bar以下時(shí)，泵起動(dòng)；在145bar時(shí)，泵停止。在運(yùn)行、暫停和停止?fàn)顟B(tài)，泵根據(jù)壓力傳感器的信號(hào)自動(dòng)工作，在緊急停機(jī)狀態(tài)，泵將被迅速 斷路而關(guān)閉。（2）變漿控制液壓變槳距控制機(jī)構(gòu)屬于電液伺服系統(tǒng)，變槳距液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)是槳葉通過(guò)機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)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(guò)比例閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在圖2.2中，控制器根據(jù)功率或轉(zhuǎn)速信號(hào)給出一個(gè)（10-10）V 的控制電壓，通過(guò)比例閥控制器轉(zhuǎn)換成一定范圍的電流信號(hào)，控制比例閥輸出流量的方向和大小。點(diǎn)劃線內(nèi)是帶控制放大器的比例閥，設(shè)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(yùn)動(dòng)。為了提高整個(gè)變距系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在變距油缸上也設(shè)有LVDT位置傳感器。（3）液壓系統(tǒng)在停機(jī)/ 緊急停機(jī)時(shí)的工作情況停機(jī)指令發(fā)出后，電磁閥191 和19-2 斷電，油從蓄能器16-1通過(guò)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(guò)閥19-2 和節(jié)流閥17-2

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

29、缸左端通過(guò)電磁閥192、節(jié)流閥17-2、單向閥11-5 和24 的重復(fù)循環(huán)油；另一部分油來(lái)自油箱通過(guò)吸油管路及單向閥11-5和24。緊急順槳的速度由二個(gè)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(shù)改變其槳距角的大小，從而改變?nèi)~片氣動(dòng)特性，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善，其最重要的應(yīng)用是功率調(diào)節(jié)。變槳距風(fēng)電機(jī)組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為 3 種運(yùn)行狀態(tài)，即風(fēng)電機(jī)組的啟動(dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)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(dòng)運(yùn)行狀態(tài)變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，槳距角為90°，風(fēng)

30、輪的空轉(zhuǎn)速度也最小。這時(shí)氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。整個(gè)槳葉實(shí)際上是一塊阻尼板，這個(gè)狀態(tài)成為“順槳”。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪開(kāi)始啟動(dòng)。在發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制。轉(zhuǎn)速控制器按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，相應(yīng)改變槳距角設(shè)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(jìn)行所謂的速度控制。其控制系統(tǒng)框圖如下圖2.3所示，轉(zhuǎn)速控制的給定值是恒定的，即同步轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)增速器風(fēng)輪變槳結(jié)構(gòu)槳距控制器轉(zhuǎn)速控制器轉(zhuǎn)速給定 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速圖2-3 變槳控制啟動(dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）框圖為了使控制過(guò)程比較簡(jiǎn)單，可以在轉(zhuǎn)速達(dá)到

31、發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速前對(duì)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(shè)定的變距速度將槳距角向0°方向打開(kāi)，直到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速附近，變槳距系統(tǒng)才開(kāi)始投入工作。轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，槳葉槳距就向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。當(dāng)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近保持一定時(shí)間后，發(fā)電機(jī)即并入電網(wǎng)14。2.4.2欠功率運(yùn)行狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)在額定功率以下的低功率狀態(tài)運(yùn)行。與啟動(dòng)運(yùn)行相同的道理，在變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對(duì)欠功率狀態(tài)不加控制。這時(shí)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相同，其功率輸出完全取決于槳葉的氣動(dòng)性能

32、。2.4.3額定功率運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率狀態(tài)。在變槳距控制方式中，這時(shí)將進(jìn)行功率控制，變槳距系統(tǒng)開(kāi)始根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行控制?？刂菩盘?hào)的給定值是恒定的，即額定功率。功率反饋信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)功率超過(guò)額定功率時(shí)，槳葉槳距就向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度15。發(fā)電機(jī)增速器風(fēng)輪變槳結(jié)構(gòu)槳距控制器功率控制器功率給定發(fā)電機(jī)功率 圖2-4 變槳控制額定功率運(yùn)行狀態(tài)框圖2.5 主控制PLC結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)PLC是一種專(zhuān)門(mén)在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算

33、、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。2.5.1 PLC基本結(jié)構(gòu)（1）電源電源是構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)的不可或缺的組成部分。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無(wú)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(zhuǎn)換成DC 24V的工作電壓。為PLC的CPU和24V直流負(fù)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(chǔ)從編

34、程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)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(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行16

35、。（3）存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。（4）輸入輸出接口電路現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道?，F(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。（5）功能模塊如計(jì)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(diǎn)（1） 功能完善，組合靈活，擴(kuò)展方便，實(shí)用性強(qiáng)?，F(xiàn)代PLC具有豐富的功能及各種擴(kuò)展單元、智能單元和特殊功能模塊，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)

36、用對(duì)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(jiǎn)單，簡(jiǎn)明的梯形圖、邏輯圖或語(yǔ)句表等編程語(yǔ)言采用的是常規(guī)控制電路的設(shè)計(jì)思想，它更能為計(jì)算機(jī)知識(shí)薄弱的工作人員接受，因此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易。（3）安裝簡(jiǎn)單，容易檢修。工作人員只需將PLC相應(yīng)的I/O端與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連接，并寫(xiě)入程序即可運(yùn)行。PLC的運(yùn)用能夠做到在線修改程序，改變控制的方案而無(wú)需拆開(kāi)機(jī)器設(shè)備， 大大縮短了傳統(tǒng)控制設(shè)備的安裝和維修時(shí)間。各種模塊上也均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。PLC還有強(qiáng)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(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型。隔

37、離和濾波，是抗干擾的兩大主要措施。對(duì)PLC的內(nèi)部電源還采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)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(dú)立，以免電源之間的干擾。正確的選擇接地地點(diǎn)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(yīng)工作現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，還采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(shí)間長(zhǎng)，故障修復(fù)時(shí)間短。（5）環(huán)境要求低。PLC的技術(shù)條件能在一般高溫、振動(dòng)、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作。這是PLC產(chǎn)品的市場(chǎng)生存價(jià)值。（6）易學(xué)易用。PLC是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)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(shè)計(jì)的，將原有電器控制系統(tǒng)輸入信號(hào)及輸出信號(hào)作為PLC的I/O點(diǎn)。對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，即使不需要具備計(jì)算機(jī)的專(zhuān)門(mén)知識(shí)，也能快速上手，更易于為工程技術(shù)人員接受19。2.6 本章小結(jié)本章對(duì)風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)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(shí)，對(duì)PLC的基本結(jié)構(gòu)做了大體介紹，并描述其相對(duì)其他控制器的優(yōu)點(diǎn)。第3章 偏航系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)3.1 硬件組成風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)由偏航控制機(jī)構(gòu)和偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分組成，偏航控制機(jī)構(gòu)是風(fēng)力機(jī)特有的伺服系統(tǒng)，機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)則是偏航系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中偏航控制機(jī)構(gòu)包括：1風(fēng)向傳感器、2偏航

39、控制器、3解纜傳感器。機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：1偏航軸承、2偏航驅(qū)動(dòng)裝置、3偏航制動(dòng)器。 系統(tǒng)的硬件主要有:偏航電機(jī)，扭纜開(kāi)關(guān)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器，PLC。3.2偏航驅(qū)動(dòng)3.2.1偏航驅(qū)動(dòng)裝置偏航驅(qū)動(dòng)裝置包括偏航電機(jī)和偏航減速齒輪機(jī)構(gòu)。在大型風(fēng)電機(jī)組上通常由兩臺(tái)或多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)。偏航電機(jī)多為三相異步電動(dòng)機(jī)，它與一個(gè)直流電磁鐵制動(dòng)器配合進(jìn)行偏航。電磁制動(dòng)器的直流勵(lì)磁電源電機(jī)接線盒內(nèi)的整流裝置提供，制動(dòng)器具有手動(dòng)釋放裝置。偏航時(shí)，剎車(chē)松閘。偏航停止時(shí)，剎車(chē)抱閘。偏航系統(tǒng)通過(guò)齒輪減速器得到合適的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，由于偏航速度很慢，減速器傳動(dòng)比很大，通常在1：1000左右，因此采用多級(jí)減速器，一般采用二到

40、三級(jí)平行軸斜齒輪減速器和兩級(jí)行星減速器組合而成（BONUS和NEG-Micon機(jī)組采用這種機(jī)構(gòu)）。也有采用一級(jí)渦輪減速器和一級(jí)行星減速器組合而成的減速器（VESTAS機(jī)組采用這種機(jī)構(gòu)）20。3.2.2 風(fēng)速風(fēng)向傳感器 風(fēng)向風(fēng)速信號(hào)作為偏航控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的輸入信號(hào)，對(duì)其準(zhǔn)確的測(cè)量將影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。風(fēng)作為矢量，既有大小，又有方向，其測(cè)量包括風(fēng)向和風(fēng)速兩項(xiàng)。3.2.2.1 風(fēng)速的測(cè)量風(fēng)速計(jì)是測(cè)量空氣流速的儀器。它的種類(lèi)較多，常見(jiàn)的風(fēng)速測(cè)量?jī)x器有散熱式風(fēng)速計(jì)、旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)、和聲學(xué)風(fēng)速計(jì)，但是最經(jīng)常使用的是旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)。旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)的感應(yīng)部分是一個(gè)固定在轉(zhuǎn)軸上的感應(yīng)風(fēng)的組件，常用的有風(fēng)杯、螺旋

41、槳葉片和平板葉片三種類(lèi)型。風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)軸垂直于風(fēng)的來(lái)向，螺旋槳葉片和平板葉片旋轉(zhuǎn)軸平行于風(fēng)的來(lái)向。風(fēng)電機(jī)組上常常采用的是風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)，它的優(yōu)點(diǎn)在于它與風(fēng)向無(wú)關(guān)。風(fēng)杯由3個(gè)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(yīng)部分，空杯的凹面都順向一個(gè)方向。整個(gè)感應(yīng)部分安裝在一根垂直旋轉(zhuǎn)軸上，在風(fēng)力的作用下，風(fēng)杯繞軸以正比于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。以WAA 15為例，它是一種高響應(yīng)、低門(mén)限、三風(fēng)杯的光電型風(fēng)速計(jì)。它通過(guò)統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間脈沖數(shù)來(lái)測(cè)量風(fēng)速。首先齒盤(pán)可隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhuǎn)盤(pán)有多個(gè)齒度,發(fā)光管LED 發(fā)

42、射的光束因磁盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)而被切割,光電三極管即產(chǎn)生脈沖輸出。當(dāng)光束被遮住是時(shí)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(hào)，且輸出頻率與風(fēng)速成正比21。圖3-2 風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)原理圖3.2.2.2 風(fēng)向的測(cè)量風(fēng)向標(biāo)一般是由尾翼、指向桿、平衡錘以及旋轉(zhuǎn)主軸四部分組成的首尾不對(duì)稱的平衡裝置。其重心在支撐軸的軸心上，整個(gè)風(fēng)向標(biāo)可以繞垂直軸自由擺動(dòng)。在風(fēng)的動(dòng)壓力作用下，取得指向的來(lái)向的一個(gè)平衡位置，即為風(fēng)向的指示。傳送和指示風(fēng)向標(biāo)所在方位的方法有電觸點(diǎn)盤(pán)、環(huán)形電位、自整角機(jī)和光電碼盤(pán)四種類(lèi)型，其中最常用的是碼盤(pán)。以WAV-15為例，它也是光電型傳感器,由單風(fēng)標(biāo)、格雷碼盤(pán)、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(pán)上下兩側(cè)的6 個(gè)窩型孔內(nèi)。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過(guò)其軸帶動(dòng)軸下端固定著的格雷碼盤(pán),在光電組件的狹縫中轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生的光電信號(hào)經(jīng)放大整形后,輸出對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)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(xí)慣上高電平為1 ,低電平為0) ,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)風(fēng)向信號(hào)以516度的分辨率為步進(jìn)變化。測(cè)量范圍為0360°,64 個(gè)方位,結(jié)構(gòu)如圖3.322 。 圖3-3風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)原理圖3.3 偏航保護(hù)有時(shí)機(jī)艙可能長(zhǎng)時(shí)間向一個(gè)風(fēng)向偏航數(shù)圈，這樣會(huì)造成電纜的纏繞，如果旋轉(zhuǎn)過(guò)多圈，電纜將會(huì)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(dòng)解纜和紐纜開(kāi)關(guān)控制的安全鏈保護(hù)兩種。解纜傳感器安裝在機(jī)艙底部，通過(guò)一個(gè)尼龍齒輪與偏航大齒圈嚙合，這樣在偏航過(guò)程中，尼龍齒輪也一起轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器內(nèi)部設(shè)有微處理器和增量式編碼器，對(duì)尼龍齒輪旋轉(zhuǎn)齒數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與判斷是否需要解纜，向哪個(gè)方向解纜以及何時(shí)停止解纜等。若控制系統(tǒng)沒(méi)有自動(dòng)進(jìn)行解纜，當(dāng)電纜纏繞達(dá)到允許的極限時(shí)，觸發(fā)紐纜開(kāi)關(guān)的安全鏈保護(hù)，機(jī)組緊急停機(jī)，等待人工處理23。3.4電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)見(jiàn)附錄一。3.5 本章小結(jié)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(shè)計(jì)了偏航系統(tǒng)電路圖，該線路設(shè)計(jì)考慮到了左右偏航驅(qū)動(dòng)互鎖、手自動(dòng)切換、左右偏航極限位置保護(hù)。第4章 偏航系統(tǒng)控制

45、編程4.1 程序本體流程風(fēng)電機(jī)組的偏航控制主要完成兩個(gè)功能：（1）使風(fēng)輪跟蹤方向變化，利于最大風(fēng)能的捕獲；（2）當(dāng)機(jī)艙內(nèi)的電纜發(fā)生纏繞時(shí)自動(dòng)解纜。偏航控制系統(tǒng)框圖如圖4-1 所示。風(fēng)力機(jī)放大器偏航機(jī)構(gòu)控制器風(fēng)向信號(hào)偏航計(jì)數(shù) 監(jiān)測(cè)元件 風(fēng)輪軸方向圖4-1 偏航控制系統(tǒng)框圖風(fēng)機(jī)上裝有風(fēng)向儀，當(dāng)風(fēng)輪的主軸與風(fēng)向儀指向偏離時(shí)，控制器開(kāi)始計(jì)時(shí)，這種方向偏差達(dá)到一定的時(shí)間后，才認(rèn)為風(fēng)向確實(shí)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(cè)通過(guò)安裝在機(jī)艙內(nèi)的角度編碼器實(shí)現(xiàn)。作為角度編碼器失效的后備措施，在由機(jī)艙引入塔架的電纜上安裝有行程開(kāi)關(guān)，電纜纏繞達(dá)到一定程度，行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，控

46、制器檢測(cè)到該信號(hào)會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的處理程序。在風(fēng)電機(jī)組工作時(shí)，如果向一個(gè)方向偏航的角度過(guò)大，將使由機(jī)艙引入塔架的各類(lèi)電纜發(fā)生纏繞，影響整個(gè)發(fā)電機(jī)組的正常工作。因此當(dāng)偏航角度累計(jì)達(dá)到1080°時(shí)，需要啟動(dòng)自動(dòng)解纜控制程序，通過(guò)偏航調(diào)節(jié)使整個(gè)機(jī)艙回轉(zhuǎn)1080°，完成解纜。解纜完成后，發(fā)電機(jī)組再進(jìn)入正常發(fā)電的工作狀態(tài)24。風(fēng)電機(jī)組無(wú)論處于運(yùn)行狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)均可以主動(dòng)對(duì)風(fēng)。當(dāng)緊急停車(chē)時(shí)，需要通過(guò)偏航調(diào)節(jié)使機(jī)艙經(jīng)過(guò)最短的路徑與風(fēng)向成90°夾角。為了實(shí)現(xiàn)這樣的伺服控制，通過(guò)對(duì)整個(gè)偏航系統(tǒng)的控制過(guò)程進(jìn)行分析。偏航系統(tǒng)的控制過(guò)程可以分為：自動(dòng)解纜、人工偏航、自動(dòng)對(duì)風(fēng)，如下圖所示。開(kāi)始

47、延時(shí)自動(dòng)偏航人工偏航自動(dòng)解纜 N N 執(zhí)行人工偏航執(zhí)行自動(dòng)解纜 YYY執(zhí)行自動(dòng)偏航 結(jié)束圖4-2 偏航程序流程圖此處先定義風(fēng)向角和偏航角：風(fēng)向角 的范圍是-180°180°，定義正北方向?yàn)轱L(fēng)向角0°方向。風(fēng)向從正北方向順時(shí)針變化時(shí)，風(fēng)向角正向增加，正南方向?yàn)?80°方向；風(fēng)向從正北方向逆時(shí)針變化時(shí)，風(fēng)向角反向增加，正南方向?yàn)?180°方向。偏航角 的范圍是-1080°1080°，同樣定義正北方向?yàn)槠浇?°方向。風(fēng)輪主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，偏航角正向增加；風(fēng)輪主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，偏航角反向增加25。風(fēng)向角和偏航角的定義如圖

48、4-3所示圖4-3 風(fēng)向角和偏航角風(fēng)力機(jī)偏航控制系統(tǒng)工作原理是通過(guò)測(cè)風(fēng)傳感器檢測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速，并將檢測(cè)到的風(fēng)向信號(hào)送到控制器。當(dāng)需要調(diào)整方向時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)給偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以調(diào)整機(jī)艙的方向，使風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。4.2 人工偏航控制人工偏航是指當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動(dòng)偏航失效、人工解纜或者是在需要維修和時(shí)，通過(guò)人工送命令來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航的操作。人工偏航控制可通過(guò)硬件設(shè)計(jì)完成，具體實(shí)施方案參照上一章的電路設(shè)計(jì)圖。4.3偏航解纜程序設(shè)計(jì)由于風(fēng)向的不確定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就需要經(jīng)常偏航對(duì)風(fēng)，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會(huì)隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)

49、而扭轉(zhuǎn)。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)多次向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)造成電纜纏繞、絞死，甚至絞斷，因此必須設(shè)法解纜。當(dāng)風(fēng)機(jī)偏航超過(guò)3 圈（±1080°）時(shí)，運(yùn)行解纜控制程序，使風(fēng)機(jī)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(jí)高于偏航子程序26。4.3.1解纜程序設(shè)計(jì)思想無(wú)論是自動(dòng)對(duì)風(fēng)程序還是自動(dòng)解纜程序，對(duì)機(jī)艙位置的記錄都是不可或缺的一部分。通過(guò)在偏航齒圈旁安裝如圖瑣事的兩個(gè)位置傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)偏航角的測(cè)量。利用兩個(gè)位置傳感器錯(cuò)開(kāi)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(dāng)位置傳感器A和B掃描一個(gè)齒時(shí)，A和B的狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。假設(shè)設(shè)定初始狀態(tài)A=

50、0，B=0.當(dāng)下一狀態(tài)變?yōu)锳=1，B=0時(shí)，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在向順時(shí)針偏航。同理當(dāng)下一狀態(tài)變?yōu)锳=0，B=1時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在向逆時(shí)針偏航。順、逆時(shí)針的狀態(tài)順序圖如表4-1所示。表4-1 順、逆時(shí)針?lè)较蛭恢脗鞲衅鰽、B狀態(tài)順序圖左偏航兩AB信號(hào)的一個(gè)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(hào)的一個(gè)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(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電纜纏繞達(dá)到設(shè)定值時(shí)，解纜控制系統(tǒng)根據(jù)限位開(kāi)關(guān)發(fā)出的信號(hào)控制解纜驅(qū)動(dòng)器回轉(zhuǎn)相同轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行電纜解繞。利用位置傳感器檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞纜達(dá)到三圈時(shí)進(jìn)行解繞。偏航齒輪有126個(gè)齒，當(dāng)位置傳

51、感器A對(duì)準(zhǔn)偏航齒輪一個(gè)齒的齒頂，位置傳感器B對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)齒的齒底，此時(shí)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(gè)齒分為四種狀態(tài)，則偏航齒輪的狀態(tài)數(shù)計(jì)算可得： 126×4=504個(gè) （4-1）位置傳感器精度為： （4-2）通過(guò)兩個(gè)位置傳感器的錯(cuò)位安裝，可得此時(shí)精度小于1°，對(duì)于解纜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(jì)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(dāng)A、B傳感器狀態(tài)由狀態(tài)00變?yōu)?0時(shí)，風(fēng)機(jī)為順時(shí)針偏航，此時(shí)自動(dòng)加1，反之自動(dòng)減1。以此類(lèi)推，這樣就可以得到當(dāng)前已紐纜的角度

52、。這方法同時(shí)用于計(jì)算解纜時(shí)電機(jī)需要回轉(zhuǎn)的角度。4.3.2自動(dòng)解纜子程序開(kāi)始讀取機(jī)艙偏航角度 機(jī)艙偏航角度>0 ？ Y N 逆時(shí)針偏航解纜順時(shí)針偏航解纜延時(shí)延時(shí)機(jī)艙偏航角度與風(fēng)向角間夾角<5°機(jī)艙偏航角度與風(fēng)向角間夾角<5° N 解纜結(jié)束 記錄當(dāng)前位置圖4-5 自動(dòng)解纜子程序流程圖自動(dòng)解纜程序見(jiàn)附錄二。4.4自動(dòng)對(duì)風(fēng)控制4.4.1 自動(dòng)對(duì)風(fēng)程序設(shè)計(jì)思想在偏航過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)總是按最短路徑將機(jī)艙轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)角度，才能夠提高發(fā)電效率，這樣就需要解決電機(jī)的起動(dòng)和轉(zhuǎn)向問(wèn)題。為了確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)最小路徑，即偏航時(shí)間最短，需要設(shè)計(jì)偏航算法。這里，當(dāng)風(fēng)向角與偏航角之間

53、的夾角在5°以上，便需要進(jìn)行偏航。當(dāng)達(dá)到允許的誤差范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)對(duì)風(fēng)停止。通常，當(dāng)風(fēng)向角與偏航角之間的夾角已經(jīng)減小到1°時(shí)，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(fēng)向角進(jìn)行計(jì)算比較，以確定風(fēng)機(jī)偏航對(duì)風(fēng)的方向。其中，n表示電纜已扭轉(zhuǎn)的整圈數(shù)，n =0，1,2,3.（1）當(dāng)偏航角 > 0°時(shí)，則 0 = - 360°*n ；（2）當(dāng)偏航角 < 0°時(shí)，則 0 = + 360°*n .風(fēng)向角與0的夾角為，則 =-0 （4-4）若0°< < 180°，則風(fēng)機(jī)需進(jìn)行順時(shí)針偏航對(duì)風(fēng)，使順時(shí)針偏航信號(hào)=1；若-180°< < 0°，則風(fēng)機(jī)需進(jìn)行逆時(shí)針偏航對(duì)風(fēng)，使逆時(shí)針偏航信號(hào)=1；若180°< < 360°,則風(fēng)機(jī)需進(jìn)行逆時(shí)針偏航對(duì)風(fēng)，使逆時(shí)針偏航信號(hào)=1；若-360°< < -180°，則風(fēng)機(jī)需進(jìn)行順時(shí)針偏航對(duì)風(fēng)，使順時(shí)針偏航信號(hào)=1。將以上分析匯總出偏航方向判別表，見(jiàn)表4-2，其中: n 為扭纜的圈數(shù),可以通過(guò)計(jì)數(shù)傳感器進(jìn)行測(cè)量取整數(shù)。表4-2 風(fēng)機(jī)偏航對(duì)風(fēng)方向判別表的取值范圍