【正文】 節(jié)方式是目前大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能的收集和轉(zhuǎn)換的主要功率調(diào)節(jié)方式。采用失速功率調(diào)節(jié)方式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片不能繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，功率調(diào)節(jié)通過(guò)葉片自身的失速特性實(shí)現(xiàn)。這種方式有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障概率底的優(yōu)點(diǎn)，一度在風(fēng)電機(jī)組中很受歡迎得到普遍采用 [9]。其缺點(diǎn)主要是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能受葉片失速性能的限制，額定風(fēng)速較高，在風(fēng)速超過(guò)額定值時(shí)發(fā)電功 率有所下降。另一個(gè)缺點(diǎn)是葉片形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，在研制大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)更為突出。 從定轉(zhuǎn)速向可變轉(zhuǎn)速機(jī)組發(fā)展。采用變速恒頻技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組允許其風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速是可變的，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可根據(jù)風(fēng)電機(jī)組受風(fēng)的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，以最大限度地吸收風(fēng) 的能量，提高了風(fēng)輪（特別是在低風(fēng)速區(qū)）的轉(zhuǎn)換效率?？勺兒泐l技術(shù)采用了雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)技術(shù)可以使發(fā)電機(jī)始終工作在最佳工作狀態(tài)，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率提高。 單機(jī)容量大型化發(fā)展趨勢(shì)。風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量逐年增大的趨勢(shì)愈來(lái)愈明顯。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化、單機(jī)裝機(jī)功率 的提高，是所有風(fēng)電機(jī)組研究、設(shè)計(jì)和制造商不斷最求的目標(biāo)。最近幾年，各種新型大型風(fēng)電機(jī)組不斷出現(xiàn)并得到迅速推廣應(yīng)用。 8MW、10MW 的風(fēng)電機(jī)組也已研制成功，即將投入商業(yè)應(yīng)用 [10]。 海上風(fēng)電場(chǎng)的興起 盡管海上風(fēng)電項(xiàng)目起步較晚，但越來(lái)越受到重視。其原因在于，海上風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)明顯：具有較高的風(fēng)速；對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響較少；風(fēng)電機(jī)組距離海岸較遠(yuǎn)，視覺(jué)干擾很??；允許機(jī)組制造更為大型化，從而可以增加單位面積的總裝機(jī)量；機(jī)組噪聲排放的控制問(wèn)題也不那樣突出。 當(dāng)然，與陸上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)相比，還上風(fēng)電場(chǎng) 的建設(shè)又面臨新的問(wèn)題，如風(fēng)電機(jī)組的海上選用問(wèn)題，海上風(fēng)電場(chǎng)工程建設(shè)施工問(wèn)題，海上風(fēng)電場(chǎng)的電量送出問(wèn)題和海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)問(wèn)題，這些問(wèn)題都在不斷探索和解決之中。 研究設(shè)想及方法 本次設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)，主控制器為 PLC，主要完成的功能有風(fēng)車(chē)具有適應(yīng)風(fēng)向的功能、在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超出設(shè)定角度值時(shí)，具有自動(dòng)解纜功能、能對(duì)風(fēng)力的大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施。 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容擬包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中的偏航系統(tǒng)、齒輪箱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、溫度控制等。 本設(shè) 計(jì)從工業(yè)實(shí)用角度出發(fā)，研究基于 PLC 的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。這就要求既要掌握 PLC 相關(guān)知識(shí)和特定 PLC 的編程語(yǔ)言，也要有懂得一定的風(fēng)力發(fā)電方面的知識(shí) [11]。此外，還必須涉及硬件電路的設(shè)計(jì)，才能將 PLC 控制和風(fēng)力發(fā)電電路成功連接。 預(yù)期成果及意義 我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前對(duì)變速風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性及規(guī)律缺乏深入研究，在控制系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中，缺乏最優(yōu)的控制策略依據(jù)。深入研究風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性和規(guī)律對(duì)于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)具有十分重要的指導(dǎo)意義。 本設(shè)計(jì)主要依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)和控制 策略，由于風(fēng)的不穩(wěn)定性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響也越來(lái)越復(fù)雜，因此， 對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性提出了更高的要求?？刂葡到y(tǒng)對(duì)提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功 率輸出的穩(wěn)定性有很大的作用，所以有必要對(duì)控制系統(tǒng)和控制過(guò)程進(jìn)行分析。 控制系統(tǒng)利用西門(mén)子 plc200 通過(guò)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中輸入信號(hào)的采集、傳輸、分析，來(lái)控制風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率；如發(fā)生故障或其他異常情況能自動(dòng)地檢測(cè)并分析確定原因，自動(dòng)調(diào)整排除故障或進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。 控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是自動(dòng)控制風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行，依據(jù)其特性自動(dòng) 檢測(cè)故障并根據(jù)情況采取相應(yīng)措施。 控制系統(tǒng)包括控制和監(jiān)測(cè)兩部分?？刂撇糠衷O(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。監(jiān)測(cè)部分將各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)送到控制器，經(jīng)過(guò)處理作為控制參數(shù)或作為原始記錄儲(chǔ)存起來(lái)，在機(jī)組控制器的顯示屏上可以查詢(xún)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或電信系統(tǒng)送到風(fēng)電場(chǎng)中央控制室的電腦系統(tǒng)，還能傳輸?shù)綐I(yè)主所在的城市的總部辦公室。 根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和載荷狀況、風(fēng)況、變槳變色特點(diǎn)及其他外部條件，將風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況主要分為以下幾類(lèi)：待機(jī)狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)、大風(fēng)停機(jī)方式、故障停機(jī)方式、人工停機(jī)方式和緊急停機(jī)方式、 維護(hù)狀態(tài)。 第 2章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作原理 本設(shè)計(jì)針對(duì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 T轉(zhuǎn) 子 側(cè) 變 流 器網(wǎng) 側(cè) 變 流 器控 制 系 統(tǒng)葉 片變 槳 距 控 制升 速 齒 輪 箱1 : 1 0 0制 動(dòng) 器發(fā) 電 機(jī)并 網(wǎng) 開(kāi) 關(guān)6 9 0 V干 式 變 壓 器6 9 0 V / 1 0 K V 或3 5 K V 圖 結(jié)構(gòu)示意圖 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般由葉片、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、變槳距裝置、塔架和控制系統(tǒng)等主要部分所組成。 葉片：風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，它由氣動(dòng)性能優(yōu)異的葉片 (目前大型商用風(fēng)電機(jī)組一般為 2～ 3 個(gè) )裝在輪轂上組成。低速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動(dòng)力傳遞給 發(fā)電機(jī) [12]。上述這些部件都安裝在機(jī)艙平面上，整個(gè)機(jī)艙由高大的搭架舉起，由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須要有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向標(biāo)測(cè)得的風(fēng)向信號(hào)，由控制器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動(dòng)與塔架上大齒輪嚙合的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)艙始終對(duì)風(fēng)。輪轂是風(fēng)輪的樞紐，是葉片根部與主軸的連接部分，也是控制葉片變槳距的所在。 增速齒輪箱：齒輪箱連接低速軸和高速軸的變速裝置，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的 100 倍。 發(fā)電機(jī)：風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)電機(jī)上的發(fā)電機(jī)與普通電網(wǎng)上的發(fā)電設(shè)備相比，有所不同：風(fēng) 電機(jī)發(fā)電機(jī)需要在波動(dòng)的機(jī)械能條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。通常使用的風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)是感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)，有的也使用永磁同步發(fā)電機(jī)。 偏航裝置：借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整風(fēng)向的最佳切入角度。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過(guò)風(fēng)向標(biāo)來(lái)探知風(fēng)向。通常，在風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)電機(jī)一次只會(huì)偏轉(zhuǎn)幾度。 變漿距裝置：變漿距是指安裝在輪轂上的葉片通過(guò)控制可以改變其槳距角的大小。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，槳距角保持在 0176。位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功 率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。此時(shí)控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制。 塔架：風(fēng)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡x地面越高，風(fēng)速越大。 600 千瓦風(fēng)電機(jī)的塔高為 40 至 60 米， 5 兆瓦級(jí)別的塔高則超過(guò) 100 米。根據(jù)底座的不同，支撐塔可以為管狀，也可以是格子狀。管狀的塔對(duì)于維修人員更為安全，因?yàn)樗麄兛梢酝ㄟ^(guò)內(nèi)部的梯子到達(dá)塔頂。格狀的塔的優(yōu)點(diǎn)在于它重量輕，技術(shù)相對(duì)成熟（與海上石油鉆井臺(tái)原理相同）。 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的“大腦”，由它自動(dòng)完成風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組的所有工作過(guò)程，并提供人機(jī)接口和遠(yuǎn)方監(jiān)控的接口?？刂葡到y(tǒng)的性能優(yōu)劣對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率和使用壽命有至關(guān)重要的影響 [13]。其控制軟件根據(jù)風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)理論研究成果和機(jī)組實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特殊控制要求，對(duì)機(jī)組的安全可靠性具有十分重要的意義。 系統(tǒng)工藝流程 控制模式介紹 風(fēng)力機(jī)控制模式主要有：初始化、待機(jī)、啟動(dòng)、運(yùn)行、發(fā)電、停機(jī)、維護(hù)、幾種模式間的轉(zhuǎn)換、停機(jī)條件、維護(hù)條件。 初始化：葉 片角度設(shè)定值為 89176。，變化范圍 85176。 ~96176。 待機(jī)：風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)初始化完成，延時(shí) 20s 后；或停機(jī)步驟完成后，轉(zhuǎn)速 2 rpm 與最小葉片角度 83176。，就會(huì)進(jìn)入待機(jī)模式；葉片角度設(shè)定值為 89176。；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活；允許進(jìn)行偏航解纜； 允許進(jìn)行故障復(fù)位。 啟動(dòng)：允許條件滿(mǎn)足，自啟動(dòng)程序發(fā)出啟動(dòng)指令或按下啟動(dòng)按鈕后，風(fēng)機(jī)由待機(jī)模式轉(zhuǎn)換到啟動(dòng)模式；進(jìn)入啟動(dòng)模式時(shí)，控制程序?qū)ο铝袇?shù)進(jìn)行設(shè)定： 如果檢測(cè)到有風(fēng)暴，則槳距角設(shè)定值為 89176。，否則槳距角設(shè)定值為 50176。；變槳 控制器激活；逆槳速度限值為 2deg/s，順槳速度限值為 5deg/s；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活。 運(yùn)行：當(dāng)轉(zhuǎn)速大于 延時(shí) 45s 且風(fēng)與機(jī)艙的位置偏差小于 45176。延時(shí) 20s 后，風(fēng)機(jī)由啟動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到運(yùn)行模式。 進(jìn)入運(yùn)行模式時(shí)，控制程序?qū)ο铝袇?shù)進(jìn)行設(shè)定：槳距角設(shè)定值為 0176。；變槳控制器激活；逆槳速度限值為 2deg/s，順槳速度限值為 5deg/s；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活。 發(fā) 電：當(dāng)轉(zhuǎn)速大于 ，風(fēng)機(jī)由運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到發(fā)電模式。進(jìn)入發(fā)電模式時(shí)，控制程序?qū)ο铝袇?shù)進(jìn)行設(shè)定：槳距角設(shè)定值為 0176。；轉(zhuǎn)矩控制器激 活；變槳控制器激活；逆槳速度限值為 2deg/s，順槳速度限值為 5deg/s；轉(zhuǎn)速限定值為 rpm；變頻器啟動(dòng)；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活。 停機(jī)：風(fēng)機(jī)處于啟動(dòng)、運(yùn)行或發(fā)電模式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)信號(hào)，或在維護(hù)模式下將維護(hù)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換到停機(jī)模式。 進(jìn) 入停機(jī)模式時(shí)，控制程序?qū)σ韵聟?shù)進(jìn)行設(shè)定：槳距角設(shè)定值為 89176。；逆槳速度限值為 0deg/s；轉(zhuǎn)速限定值為 0 rpm；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活（緊急停機(jī)時(shí)禁止自動(dòng)偏航）。 順槳速度限值根據(jù)觸發(fā)停機(jī)的故障級(jí)別不同，分為三種情況限制： 當(dāng)系統(tǒng)存在一級(jí) 故障時(shí)，風(fēng)機(jī)正常停機(jī)。速度為： 4176。 /s； 當(dāng)系統(tǒng)存在二級(jí)故障時(shí)，風(fēng)機(jī)快速停機(jī)。速度為： 176。 /s； 當(dāng) 系統(tǒng)存在三級(jí)故障（即安全鏈故障）時(shí)，風(fēng)機(jī)緊急停機(jī)。 速度為： 7176。 /s。 風(fēng)機(jī)進(jìn)入停機(jī)模式后， 35s 內(nèi)轉(zhuǎn)速未降到 10rpm 以下或 90s 內(nèi)轉(zhuǎn)速未降到 4rpm 以下，系統(tǒng)將觸發(fā)“停機(jī)程序出現(xiàn)故障”信號(hào)。 緊急停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速 5rpm 后轉(zhuǎn)子剎車(chē)機(jī)構(gòu)激活。 維護(hù)：當(dāng)控制面板上的維護(hù)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換到維護(hù)模式，進(jìn)入維護(hù)模式時(shí)，控制程序?qū)ο铝袇?shù)進(jìn)行設(shè)定：轉(zhuǎn)矩控制 器與變槳控制器禁用；槳距角設(shè)定值在 45176。96176。之間；變槳速度 3176。 /s：變頻器停止運(yùn)行：允許手動(dòng)偏航；允許手動(dòng)變槳。 幾 種模式間的轉(zhuǎn)換： 待機(jī) —— 〉啟動(dòng)：無(wú)故障、非解纜、非維護(hù)模式、機(jī)艙溫度超過(guò) 10 度、發(fā)電機(jī)繞組溫度超過(guò)機(jī)艙溫度、變槳系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)、變流器切出本地、產(chǎn)生手動(dòng)啟動(dòng)或自啟動(dòng)信號(hào)； 啟動(dòng) —— 〉運(yùn)行：轉(zhuǎn)速超過(guò) 維持 45s、對(duì)風(fēng)角度低于 45 度、齒輪箱油溫高于 10 度、未檢測(cè)到暴風(fēng)； 啟動(dòng)、運(yùn)行模式：分別對(duì)應(yīng)槳距角 50 度和 0 度； 運(yùn)行 —— 〉發(fā)電：轉(zhuǎn)速超過(guò) 轉(zhuǎn)； 停機(jī) —— 〉待機(jī)：進(jìn)入停機(jī)模式 45s 后。 停機(jī)條件：進(jìn)入停機(jī)模式觸發(fā)條件：全局故障；柜門(mén)停機(jī)或緊急停機(jī)按鍵、維護(hù)模式；偏航位置值大于 690 度；發(fā)電模式下轉(zhuǎn)速低于 10rpm 維持 15min，或低于 6rpm維持 5min，或低于 4rpm；運(yùn)行模式下維持 15min[14]。 維護(hù)條件：維護(hù)模式觸發(fā)條件：維護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作；風(fēng)機(jī)幾種模式 維護(hù)模式的過(guò)程；待機(jī)模式：直接轉(zhuǎn)換到維護(hù)模式；停機(jī)模式：風(fēng)機(jī)先進(jìn)入待機(jī)模式，再轉(zhuǎn)換到維護(hù)模式；其它模式：風(fēng)機(jī)先經(jīng)過(guò)停機(jī)程序進(jìn)入停模式，再經(jīng)待機(jī)進(jìn)入維護(hù)模式。 各部分控制介紹 齒輪箱及冷卻系統(tǒng)基本控制原理 油溫 5℃ ,加熱器啟動(dòng)， 5℃時(shí) 3 分鐘之后，加熱器停止； 低速軸轉(zhuǎn)速 或風(fēng)機(jī)進(jìn)入運(yùn)行、發(fā)電、停機(jī)狀態(tài)且油溫 5℃ 低速； 低速軸轉(zhuǎn)速 或油溫 40℃ 高速； 油溫 50℃，水泵啟動(dòng)，直到 45℃，水泵停止； 油溫 60℃，水空風(fēng)扇啟動(dòng) ,直到 55℃，水空風(fēng)扇停止； 油溫 60℃或軸溫 70℃，空冷風(fēng)扇（高速）啟動(dòng)，直到油溫 50℃或 軸溫 65℃，空冷風(fēng)扇停止； 油溫 80℃，風(fēng)機(jī)進(jìn)入正常停機(jī)模式； 高速軸溫 (葉輪、發(fā)電機(jī)側(cè) )90℃，風(fēng)機(jī)為正常停機(jī)模式。 發(fā)電機(jī)基本控制原理 發(fā)電機(jī)繞組溫度 80℃，空冷風(fēng)扇啟動(dòng)，直到 70℃，空冷風(fēng)扇停止； 發(fā)電機(jī)繞組溫度 機(jī)艙溫度且機(jī)艙溫度 10℃，發(fā)電機(jī)加熱器啟動(dòng)，直到機(jī)艙溫度 10℃或發(fā)電機(jī)繞組溫度 機(jī)艙溫度 10 分鐘后停止加熱； 液壓站 系統(tǒng)壓力低于 145bar 啟泵，高于 160bar 停泵。 偏航和解纜狀態(tài)： 偏航解纜和迎風(fēng)分別對(duì)應(yīng)的 閥置位，系統(tǒng)壓力 P4 為 150bar 左右，偏航壓力 P1維持在 25bar 左右。 高速軸剎車(chē)狀態(tài)： 兩閥同時(shí)復(fù)位 /置位。 系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)模式并且為緊急停機(jī)模式（故障等級(jí)三安全鏈動(dòng)作），保證葉輪速度降為小于 5rpm，抱閘動(dòng)作； 油位油溫開(kāi)關(guān)。 油位開(kāi)關(guān)：常開(kāi)觸點(diǎn)，達(dá)到指定高度開(kāi)關(guān)閉合， 輸入高電平（一通道亮）。 油溫開(kāi)關(guān)：常閉觸點(diǎn)，未達(dá)到警戒溫度 70 度