【正文】 節(jié)方式是目前大多數(shù)風力發(fā)電機組風能的收集和轉換的主要功率調節(jié)方式。采用失速功率調節(jié)方式的風力發(fā)電機組的葉片不能繞其軸線轉動，功率調節(jié)通過葉片自身的失速特性實現(xiàn)。這種方式有結構簡單、故障概率底的優(yōu)點，一度在風電機組中很受歡迎得到普遍采用 [9]。其缺點主要是風力發(fā)電機組的性能受葉片失速性能的限制，額定風速較高，在風速超過額定值時發(fā)電功 率有所下降。另一個缺點是葉片形狀和結構復雜、重量大，引起風輪轉動慣量大，在研制大型風力發(fā)電機組時更為突出。 從定轉速向可變轉速機組發(fā)展。采用變速恒頻技術的風力發(fā)電機組允許其風輪的轉速是可變的，風輪轉速可根據(jù)風電機組受風的風速進行調整，以最大限度地吸收風 的能量，提高了風輪（特別是在低風速區(qū)）的轉換效率?？勺兒泐l技術采用了雙饋異步感應發(fā)電機技術可以使發(fā)電機始終工作在最佳工作狀態(tài)，機電轉換效率提高。 單機容量大型化發(fā)展趨勢。風電機組單機容量逐年增大的趨勢愈來愈明顯。風力發(fā)電機組大型化、單機裝機功率 的提高，是所有風電機組研究、設計和制造商不斷最求的目標。最近幾年，各種新型大型風電機組不斷出現(xiàn)并得到迅速推廣應用。 8MW、10MW 的風電機組也已研制成功，即將投入商業(yè)應用 [10]。 海上風電場的興起 盡管海上風電項目起步較晚，但越來越受到重視。其原因在于，海上風電場的優(yōu)勢明顯：具有較高的風速；對環(huán)境的負面影響較少；風電機組距離海岸較遠，視覺干擾很??；允許機組制造更為大型化，從而可以增加單位面積的總裝機量；機組噪聲排放的控制問題也不那樣突出。 當然，與陸上風電場的建設相比，還上風電場 的建設又面臨新的問題，如風電機組的海上選用問題，海上風電場工程建設施工問題，海上風電場的電量送出問題和海上風電場的運行維護問題，這些問題都在不斷探索和解決之中。 研究設想及方法 本次設計要求是設計一個風力發(fā)電機組主控系統(tǒng)，主控制器為 PLC，主要完成的功能有風車具有適應風向的功能、在風機轉動超出設定角度值時，具有自動解纜功能、能對風力的大小進行監(jiān)測，并根據(jù)需要采取相應的措施。 根據(jù)設計的要求，主要設計內(nèi)容擬包括風力發(fā)電機組控制系統(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 計從工業(yè)實用角度出發(fā)，研究基于 PLC 的風力發(fā)電控制系統(tǒng)。這就要求既要掌握 PLC 相關知識和特定 PLC 的編程語言，也要有懂得一定的風力發(fā)電方面的知識 [11]。此外，還必須涉及硬件電路的設計，才能將 PLC 控制和風力發(fā)電電路成功連接。 預期成果及意義 我國風電產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前對變速風電機組的運行特性及規(guī)律缺乏深入研究，在控制系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化項目中，缺乏最優(yōu)的控制策略依據(jù)。深入研究風電機組及風力機的運行特性和規(guī)律對于控制系統(tǒng)的分析與設計具有十分重要的指導意義。 本設計主要依據(jù)風力發(fā)電機組的控制目標和控制 策略，由于風的不穩(wěn)定性和風力發(fā)電機單機容量的不斷增大，使風力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響也越來越復雜，因此， 對風力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性提出了更高的要求。控制系統(tǒng)對提高風力發(fā)電系統(tǒng)功 率輸出的穩(wěn)定性有很大的作用，所以有必要對控制系統(tǒng)和控制過程進行分析。 控制系統(tǒng)利用西門子 plc200 通過對運行過程中輸入信號的采集、傳輸、分析，來控制風電機組的轉速和功率；如發(fā)生故障或其他異常情況能自動地檢測并分析確定原因，自動調整排除故障或進入保護狀態(tài)。 控制系統(tǒng)的主要任務就是自動控制風電機組運行，依據(jù)其特性自動 檢測故障并根據(jù)情況采取相應措施。 控制系統(tǒng)包括控制和監(jiān)測兩部分。控制部分設置了手動和自動兩種模式。監(jiān)測部分將各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)送到控制器，經(jīng)過處理作為控制參數(shù)或作為原始記錄儲存起來，在機組控制器的顯示屏上可以查詢。現(xiàn)場數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡或電信系統(tǒng)送到風電場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)風電機組的結構和載荷狀況、風況、變槳變色特點及其他外部條件，將風電機組的運行情況主要分為以下幾類：待機狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)、大風停機方式、故障停機方式、人工停機方式和緊急停機方式、 維護狀態(tài)。 第 2章 系統(tǒng)整體方案設計 系統(tǒng)工作原理 本設計針對的風力發(fā)電機機型是變速恒頻雙饋風力發(fā)電機，其控制系統(tǒng)結構示意圖如圖 所示。 T轉 子 側 變 流 器網(wǎng) 側 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 器發(fā) 電 機并 網(wǎng) 開 關6 9 0 V干 式 變 壓 器6 9 0 V / 1 0 K V 或3 5 K V 圖 結構示意圖 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機一般由葉片、增速齒輪箱、發(fā)電機、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：風輪的作用是將風能轉換為機械能，它由氣動性能優(yōu)異的葉片 (目前大型商用風電機組一般為 2～ 3 個 )裝在輪轂上組成。低速轉動的風輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給 發(fā)電機 [12]。上述這些部件都安裝在機艙平面上，整個機艙由高大的搭架舉起，由于風向經(jīng)常變化，為了有效地利用風能，必須要有迎風裝置，它根據(jù)風向標測得的風向信號，由控制器控制偏航電機，驅動與塔架上大齒輪嚙合的小齒輪轉動，使機艙始終對風。輪轂是風輪的樞紐，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速提高至低速軸的 100 倍。 發(fā)電機：風電機發(fā)電機將機械能轉化為電能。風電機上的發(fā)電機與普通電網(wǎng)上的發(fā)電設備相比，有所不同：風 電機發(fā)電機需要在波動的機械能條件下運轉。通常使用的風電機發(fā)電機是感應電機或異步發(fā)電機，有的也使用永磁同步發(fā)電機。 偏航裝置：借助電動機轉動機艙，以使轉子葉片調整風向的最佳切入角度。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來探知風向。通常，在風改變其方向時，風電機一次只會偏轉幾度。 變漿距裝置：變漿距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制可以改變其槳距角的大小。在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在 0176。位置不變，不作任何調節(jié)；當發(fā)電機輸出功率達到額定功率以后，調節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功 率的變化調整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。此時控制系統(tǒng)參與調節(jié)，形成閉環(huán)控制。 塔架：風電機塔載有機艙及轉子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大。 600 千瓦風電機的塔高為 40 至 60 米， 5 兆瓦級別的塔高則超過 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。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內(nèi)部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優(yōu)點在于它重量輕，技術相對成熟（與海上石油鉆井臺原理相同）。 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機組的“大腦”，由它自動完成風力發(fā) 電機組的所有工作過程，并提供人機接口和遠方監(jiān)控的接口?？刂葡到y(tǒng)的性能優(yōu)劣對風機運行的效率和使用壽命有至關重要的影響 [13]。其控制軟件根據(jù)風力發(fā)電基礎理論研究成果和機組實際運營過程中的數(shù)據(jù)，能夠準確的實現(xiàn)風力發(fā)電機組的特殊控制要求，對機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 風力機控制模式主要有：初始化、待機、啟動、運行、發(fā)電、停機、維護、幾種模式間的轉換、停機條件、維護條件。 初始化：葉 片角度設定值為 89176。，變化范圍 85176。 ~96176。 待機：風機經(jīng)過初始化完成，延時 20s 后；或停機步驟完成后，轉速 2 rpm 與最小葉片角度 83176。，就會進入待機模式；葉片角度設定值為 89176。；自動偏航系統(tǒng)激活；允許進行偏航解纜； 允許進行故障復位。 啟動：允許條件滿足，自啟動程序發(fā)出啟動指令或按下啟動按鈕后，風機由待機模式轉換到啟動模式；進入啟動模式時，控制程序對下列參數(shù)進行設定： 如果檢測到有風暴，則槳距角設定值為 89176。，否則槳距角設定值為 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；自動偏航系統(tǒng)激活。 運行：當轉速大于 延時 45s 且風與機艙的位置偏差小于 45176。延時 20s 后，風機由啟動模式轉換到運行模式。 進入運行模式時，控制程序對下列參數(shù)進行設定：槳距角設定值為 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；自動偏航系統(tǒng)激活；自動偏航系統(tǒng)激活。 發(fā) 電：當轉速大于 ，風機由運行模式轉換到發(fā)電模式。進入發(fā)電模式時，控制程序對下列參數(shù)進行設定：槳距角設定值為 0176。；轉矩控制器激 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；轉速限定值為 rpm；變頻器啟動；自動偏航系統(tǒng)激活。 停機：風機處于啟動、運行或發(fā)電模式，當系統(tǒng)發(fā)出停機信號，或在維護模式下將維護開關關閉，風機轉換到停機模式。 進 入停機模式時，控制程序對以下參數(shù)進行設定：槳距角設定值為 89176。；逆槳速度限值為 0deg/s；轉速限定值為 0 rpm；自動偏航系統(tǒng)激活（緊急停機時禁止自動偏航）。 順槳速度限值根據(jù)觸發(fā)停機的故障級別不同，分為三種情況限制： 當系統(tǒng)存在一級 故障時，風機正常停機。速度為： 4176。 /s； 當系統(tǒng)存在二級故障時，風機快速停機。速度為： 176。 /s； 當 系統(tǒng)存在三級故障（即安全鏈故障）時，風機緊急停機。 速度為： 7176。 /s。 風機進入停機模式后， 35s 內(nèi)轉速未降到 10rpm 以下或 90s 內(nèi)轉速未降到 4rpm 以下，系統(tǒng)將觸發(fā)“停機程序出現(xiàn)故障”信號。 緊急停機時，轉速 5rpm 后轉子剎車機構激活。 維護：當控制面板上的維護開關打開時，風機轉換到維護模式，進入維護模式時，控制程序對下列參數(shù)進行設定：轉矩控制 器與變槳控制器禁用；槳距角設定值在 45176。96176。之間；變槳速度 3176。 /s：變頻器停止運行：允許手動偏航；允許手動變槳。 幾 種模式間的轉換： 待機 —— 〉啟動：無故障、非解纜、非維護模式、機艙溫度超過 10 度、發(fā)電機繞組溫度超過機艙溫度、變槳系統(tǒng)進入準備狀態(tài)、變流器切出本地、產(chǎn)生手動啟動或自啟動信號； 啟動 —— 〉運行：轉速超過 維持 45s、對風角度低于 45 度、齒輪箱油溫高于 10 度、未檢測到暴風； 啟動、運行模式：分別對應槳距角 50 度和 0 度； 運行 —— 〉發(fā)電：轉速超過 轉； 停機 —— 〉待機：進入停機模式 45s 后。 停機條件：進入停機模式觸發(fā)條件：全局故障；柜門停機或緊急停機按鍵、維護模式；偏航位置值大于 690 度；發(fā)電模式下轉速低于 10rpm 維持 15min，或低于 6rpm維持 5min，或低于 4rpm；運行模式下維持 15min[14]。 維護條件：維護模式觸發(fā)條件：維護開關動作；風機幾種模式 維護模式的過程；待機模式：直接轉換到維護模式；停機模式：風機先進入待機模式，再轉換到維護模式；其它模式：風機先經(jīng)過停機程序進入停模式，再經(jīng)待機進入維護模式。 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， 5℃時 3 分鐘之后，加熱器停止； 低速軸轉速 或風機進入運行、發(fā)電、停機狀態(tài)且油溫 5℃ 低速； 低速軸轉速 或油溫 40℃ 高速； 油溫 50℃，水泵啟動，直到 45℃，水泵停止； 油溫 60℃，水空風扇啟動 ,直到 55℃，水空風扇停止； 油溫 60℃或軸溫 70℃，空冷風扇（高速）啟動，直到油溫 50℃或 軸溫 65℃，空冷風扇停止； 油溫 80℃，風機進入正常停機模式； 高速軸溫 (葉輪、發(fā)電機側 )90℃，風機為正常停機模式。 發(fā)電機基本控制原理 發(fā)電機繞組溫度 80℃，空冷風扇啟動，直到 70℃，空冷風扇停止； 發(fā)電機繞組溫度 機艙溫度且機艙溫度 10℃，發(fā)電機加熱器啟動，直到機艙溫度 10℃或發(fā)電機繞組溫度 機艙溫度 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)： 偏航解纜和迎風分別對應的 閥置位，系統(tǒng)壓力 P4 為 150bar 左右，偏航壓力 P1維持在 25bar 左右。 高速軸剎車狀態(tài)： 兩閥同時復位 /置位。 系統(tǒng)進入停機模式并且為緊急停機模式（故障等級三安全鏈動作），保證葉輪速度降為小于 5rpm，抱閘動作； 油位油溫開關。 油位開關：常開觸點，達到指定高度開關閉合， 輸入高電平（一通道亮）。 油溫開關：常閉觸點，未達到警戒溫度 70 度