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風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)控制畢業(yè)論文-預(yù)覽頁(yè)

 

【正文】 從2010年到2020年,我國(guó)將掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。而海岸線附近的海域風(fēng)能資源豐富,風(fēng)力強(qiáng),風(fēng)速均勻,可大面積采獲能量,適合大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)電。美國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)261萬(wàn)kW,居世界第3位。從各國(guó)的風(fēng)力發(fā)電政策看,目前風(fēng)電機(jī)組成本仍比較高,但隨著生產(chǎn)批量的增大和技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn),成本將會(huì)繼續(xù)下降 () 。德國(guó)、丹麥、西班牙等國(guó)都制定了比較高的風(fēng)電收購(gòu)電價(jià),保持了穩(wěn)定高速的增長(zhǎng),1996年以后年增長(zhǎng)率超過(guò)30%,使風(fēng)電成為發(fā)展最快的清潔電能。聯(lián)邦政府和加利福尼亞州政府對(duì)可再生能源的投資者分別減免了25%的稅賦,規(guī)定有效期到1985年底,另外立法還規(guī)定電力公司必須得收購(gòu)風(fēng)電,并且價(jià)格應(yīng)是長(zhǎng)期穩(wěn)定的。德州政府規(guī)定,到2009年可再生能源的發(fā)電容量至少應(yīng)達(dá)到200萬(wàn)kW。全球風(fēng)力發(fā)電風(fēng)起云涌,方興未艾,呈現(xiàn)出一派欣欣向榮之勢(shì)。政府為改善電能結(jié)構(gòu),制定了一項(xiàng)強(qiáng)制性的可再生能源發(fā)電計(jì)劃,太陽(yáng)能—風(fēng)力電站將成為可再生能源利用的重要組成部分。從理論上說(shuō),僅美國(guó)北達(dá)科他一個(gè)州的風(fēng)力發(fā)電量就可滿足美國(guó)1/3的電力供應(yīng)。據(jù)測(cè)算,以歐洲和中國(guó)為例,如果完全開(kāi)發(fā),僅這兩個(gè)地區(qū)擁有的海岸風(fēng)能,能滿足區(qū)域內(nèi)全部的電力需求。(1)定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù)定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳葉節(jié)距角和轉(zhuǎn)速都是固定不變的,這一限制,使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線上只有一點(diǎn)具有最大功率系數(shù),這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于某一個(gè)葉尖速比。實(shí)際上,當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),很難做到功率恒定,通常有些下降。同時(shí),發(fā)電機(jī)本身也存在低負(fù)荷時(shí)的效率問(wèn)題,盡管目前用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)已能設(shè)計(jì)的非常理想,它們?cè)赑30%額定功率范圍內(nèi),均有高于90%的效率,但當(dāng)功率P25%額定功率時(shí),效率仍然會(huì)急劇下降。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比,具有在額定功率點(diǎn)以上輸出功率平穩(wěn)的特點(diǎn)。當(dāng)功率超過(guò)額定功率時(shí),變槳距機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作,調(diào)節(jié)葉片節(jié)距角,將發(fā)電機(jī)的輸入功率限制在額定值附近。對(duì)于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,一般在低風(fēng)速段風(fēng)能利用系數(shù)較高,風(fēng)速過(guò)額定點(diǎn)后,其風(fēng)能利用系數(shù),開(kāi)始大幅度下降。 圖21 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)總圖在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中,風(fēng)用在槳葉上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使其轉(zhuǎn)動(dòng),由此變成機(jī)械能,進(jìn)而通過(guò)其他機(jī)械結(jié)構(gòu)如增速齒輪箱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。其尖部安裝有葉尖擾流器,在需要制動(dòng)時(shí)打開(kāi)。增速箱的低速軸接槳葉,高速軸聯(lián)接發(fā)電機(jī)。國(guó)外一般采用24極的發(fā)電機(jī)。由于繞線式異步發(fā)電機(jī)有滑環(huán)電刷,這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)在風(fēng)力發(fā)電惡劣的運(yùn)行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。五:解纜裝置自然界中的風(fēng)是一種不穩(wěn)定的資源,它的速度與風(fēng)向是不定的。當(dāng)達(dá)到其規(guī)定的解纜圈數(shù)時(shí),系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)解纜,此時(shí)啟動(dòng)偏航電機(jī)向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞圈數(shù)解纜,將機(jī)艙返回電纜無(wú)纏繞位置。凸輪控制的自動(dòng)解纜過(guò)程如下:根據(jù)角度傳感器所記錄的偏轉(zhuǎn)角度情況,確定順時(shí)針解纜還是逆時(shí)針解纜。六:剎車系統(tǒng)其功能是當(dāng)風(fēng)力機(jī)需要停止運(yùn)轉(zhuǎn)或在大風(fēng)時(shí)使風(fēng)力機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)以達(dá)到維修或保護(hù)風(fēng)力機(jī)的目的。根據(jù)風(fēng)力機(jī)容量的大小,塔架可以制成實(shí)心鐵柱式,也可以制成鋼材晰架結(jié)構(gòu)或柔性塔架。由于功率輸出是由槳葉自身的性能來(lái)限制,槳葉的節(jié)距角在安裝時(shí)就已確定。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,并網(wǎng)后可對(duì)功率進(jìn)行控制,使風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著的改善。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型(1)水平軸風(fēng)力機(jī) 水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸與地面呈水平狀態(tài),風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí),風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面垂至于風(fēng)向, (a)所示。風(fēng)輪塔架后面旋轉(zhuǎn),氣流依次流經(jīng)塔架、風(fēng)輪,叫做下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。 控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的中樞,由它完成機(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。垂直軸風(fēng)力機(jī)的最突出的優(yōu)點(diǎn)是不需要塔架,發(fā)電機(jī)可以安裝在地面上,維護(hù)方便。 (3)變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力機(jī)依據(jù)風(fēng)速的大小,改變輪毅上槳葉節(jié)距角的大小,調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)在高風(fēng)階段的輸出輸出功率,降低風(fēng)力劇變對(duì)風(fēng)力機(jī)的沖擊。直到風(fēng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電;第二階段,當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí),節(jié)距角保持在0176。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,故障率相對(duì)較高,設(shè)備價(jià)格也相對(duì)升高。 (2)轉(zhuǎn)動(dòng)情況下葉片的受力 假設(shè)在理想狀態(tài)下,風(fēng)速與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面保持垂直,當(dāng)風(fēng)輪在某個(gè)風(fēng)速V下以角速度為ω穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),則取葉片上距轉(zhuǎn)軸中心r處一小段葉片元(葉素)為研究對(duì)象,來(lái)流風(fēng)速V與該葉片元繞輪毅軸向線速度ωr的矢量和即為此葉片元相對(duì)氣流的速度。如果參考?xì)饬飨鄬?duì)與葉片元的方向,F(xiàn)可分解為垂直于ωr方向的升力Fy和沿ωr方向阻力Fx。 旋轉(zhuǎn)槳葉的氣流速度及受力情況盡管如此,由于風(fēng)速是在經(jīng)常變化的,風(fēng)速的變化也將導(dǎo)致攻角的變化。(1)風(fēng)輪氣動(dòng)特性在系統(tǒng)中,我們假定可變距的槳葉是剛性的,則風(fēng)輪吸收的功率為: (21) 風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)模型由以下運(yùn)動(dòng)方程表示:       (22)其中: Jr一風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg/m2。 Tm一從轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳遞給剛性齒輪的扭矩,風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系為: (23)(2)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性風(fēng)輪將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成風(fēng)輪軸上的機(jī)械能,然后這個(gè)能量要變成所需要的電能,而電能由高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生。由于風(fēng)輪、輸入軸和增速器之間是剛性連接,因此忽略傳動(dòng)系統(tǒng)中的總摩擦力和輸出軸上的相對(duì)角位移。 失速功率調(diào)節(jié)方式機(jī)組的葉片是固定在輪毅上,不能改變節(jié)距角,通過(guò)失速型葉片自身的失速特性來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)組的葉片的攻角可以隨著風(fēng)速的變化始終保持在最佳角度,使風(fēng)輪運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)換效率,使輸出功率最大。 變槳距控制機(jī)構(gòu)主要分為統(tǒng)一槳葉控制和獨(dú)立槳葉控制,其中統(tǒng)一槳葉控制主要使用液壓方案,獨(dú)立槳葉控制主要使用電機(jī)方案。但其動(dòng)態(tài)特性相對(duì)較差,有較大的慣性,特別是對(duì)于大功率風(fēng)力機(jī)。 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性曲線(CpTSR)對(duì)節(jié)距角β和尖速比λ在大范圍內(nèi)取值計(jì)算,可以畫(huà)出變槳距風(fēng)力機(jī)特性曲線(Cp TSR)。 (2)在尖速比λ保持不變的情況下,節(jié)距角β=0176。在槳葉節(jié)距角β=0176。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí),增大槳葉節(jié)距角β,風(fēng)能利用系數(shù)Cp減小,發(fā)電機(jī)輸出功率降低;當(dāng)功率下降小于額定功率時(shí),再減小槳葉節(jié)距角β,以此保證了風(fēng)力機(jī)輸出功率維持在額定值。不產(chǎn)生力矩。在電機(jī)并網(wǎng)以前,變槳距系統(tǒng)對(duì)葉輪進(jìn)行速度控制。在本章的第5小節(jié)有詳細(xì)介紹。其中P為功率,T為扭矩,n為轉(zhuǎn)速。不做變化,發(fā)電機(jī)的功率隨風(fēng)速而變化。任何元件在轉(zhuǎn)矩的作用下,必定產(chǎn)生某種程度的扭轉(zhuǎn)變形。轉(zhuǎn)矩測(cè)量方法按照基本原理劃分為三類:傳遞法(扭軸法)、平衡力法(反力法)及能量轉(zhuǎn)換法。平衡力法對(duì)于任何一種勻速工作的動(dòng)力機(jī)械或制動(dòng)機(jī)械,當(dāng)它的主軸受扭矩作用時(shí),在其機(jī)體上必定同時(shí)作用著方向相反的平衡力矩(或稱為支座反力矩),測(cè)量機(jī)體上的平衡力矩以確定機(jī)器主軸上作用扭矩大小的方法,就是平衡法,亦稱為反力法。 應(yīng)變片的實(shí)物安裝圖電阻應(yīng)變計(jì)俗稱電阻應(yīng)變片,簡(jiǎn)稱應(yīng)變計(jì)(Strain Gauge),是一種能將被測(cè)試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件。用電阻應(yīng)變片作為傳感器件,測(cè)量應(yīng)變、應(yīng)力及與之相關(guān)的物理量,是一種常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。直接測(cè)量轉(zhuǎn)速的常用方法有:測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量法、斷電器測(cè)量、光電脈沖測(cè)量、編碼器及接近開(kāi)關(guān)等。斷電器測(cè)量轉(zhuǎn)速當(dāng)被測(cè)軸為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,且現(xiàn)場(chǎng)條件沒(méi)有測(cè)速的專用裝置(測(cè)速發(fā)電機(jī)等)時(shí),可采用斷電器方法來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。編碼器編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)多工作于戶外惡劣的環(huán)境下,因而不適合用旋轉(zhuǎn)編碼器等對(duì)環(huán)境要求高的測(cè)速傳感器,一般采用電感式接近開(kāi)關(guān)。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TZ設(shè)定為外部脈沖記數(shù)方式,每秒讀取T2計(jì)數(shù)器的值,就可測(cè)出發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。因此,轉(zhuǎn)矩控制對(duì)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行是至關(guān)重要的。當(dāng)所檢測(cè)的轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩時(shí),系統(tǒng)正常運(yùn)行;,輸出報(bào)警信號(hào);,輸出變槳距控制信號(hào),控制槳距角,從而實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)矩的功能。如果判斷兩者不滿足上述關(guān)系,則證明增速箱部分故障,輸出報(bào)警信號(hào)并剎車。 數(shù)據(jù)輸出 三相電壓Ua,Ub,Uc;三相電流Ia、Ib、Ic的真有效值;頻率F;有功功率P,無(wú)功功率Q,功率因數(shù)PF,每相有功功率Pa,Pb,Pc,有功電度?! ⌒D(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖,通過(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備來(lái)知道其位置,當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí),依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來(lái)記住位置。為此,在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn),開(kāi)機(jī)找零等方法。相位差的 A、B 兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻或更換高分辨率編碼器。 這種開(kāi)關(guān)有時(shí)也叫電感式接近開(kāi)關(guān)。當(dāng)有物體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí),不論它是否為導(dǎo)體,由于它的接近,總要使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化,從而使電容量發(fā)生變化,使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化,由此便可控制開(kāi)關(guān)的接通或斷開(kāi)。 霍爾元件是一種磁敏元件。當(dāng)有反光面(被檢測(cè)物體)接近時(shí),光電器件接收到反射光后便在信號(hào)輸出,由此便可“感知”有物體接近。這種開(kāi)關(guān)是將熱釋電器件安裝在開(kāi)關(guān)的檢測(cè)面上,當(dāng)有與環(huán)境溫度不同的物體接近時(shí),熱釋電器件的輸出便變化,由此便可檢測(cè)出有物體接近。聲納和雷達(dá)就是利用這個(gè)效應(yīng)的原理制成的。二、在測(cè)量技術(shù)中,如長(zhǎng)度,位置的測(cè)量;在控制技術(shù)中,如位移、速度、加速度的測(cè)量和控制,也都使用著大量的接近開(kāi)關(guān)。 接近開(kāi)關(guān)在風(fēng)力機(jī)上的安裝位置 PLC的簡(jiǎn)介可編程控制器(programmable controller)縮寫(xiě)為PC,為和個(gè)人計(jì)算機(jī)相區(qū)別,把可編程控制器縮寫(xiě)為PLC。 (1)可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)。(5)維修方便、維修工作量小。(2)運(yùn)動(dòng)控制PLC制造商目前已提供了拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。(3)過(guò)程控制(4)數(shù)據(jù)處理(5)通信與聯(lián)網(wǎng)3.PLC的基本組成 PLC實(shí)際上是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī),只不過(guò)它比一般的計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過(guò)程相連接的接口和更直接的適應(yīng)于控制要求的編程語(yǔ)言,故PLC與計(jì)算機(jī)的組成相似。S7200的用戶程序中包括了位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其它智能模塊通訊等指令內(nèi)容,從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài),改變輸出狀態(tài)以達(dá)到控制目的。 S7—200微型PLCSiemens公司提供多種類型的CPU以適應(yīng)各種應(yīng)用。 列出了現(xiàn)有的擴(kuò)展模塊。而直接檢測(cè)轉(zhuǎn)矩方法,測(cè)量精度很高,轉(zhuǎn)矩的控制也很精確實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)控制。第六章 總結(jié)與展望本章總結(jié)了全文所做工作、取得成果、以及不足之處,展望了轉(zhuǎn)矩矩測(cè)量與控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行與設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究能夠提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全和可靠性,對(duì)于我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展具有很大意義。首先,風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在惡劣的環(huán)境中,機(jī)組承受著隨機(jī)變化的載荷,長(zhǎng)期承受這種載荷容易使零部件產(chǎn)生疲勞,從而影響機(jī)組的安全運(yùn)行,依據(jù)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)合理安排風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行,可提高安全穩(wěn)定性能。參考文獻(xiàn)1.[J],船電技術(shù)2005年第5期,2363.2.[J],工程建設(shè)與設(shè)計(jì),1995年第5期,5478.3.[J],測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),1997,23(4),5255.4.[M],北京:國(guó)防工業(yè)出版,2000,154177.5.[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002,4060.6.〔J〕,北京:機(jī)電工程,1999年第5期,4589.7.〔J〕,北京:,1067.8.[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004年,187265.9.[M],北京:科學(xué)出版社,2000年,345440.10.[M],廣州:華南理工大學(xué)出版社,2001年2月第一版,170294.11.[J],太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2000年第5期.12.[D],北京:科技大學(xué)博士學(xué)位論文,2004.13.[M],機(jī)電工程,2003,210267.14.[J],電氣時(shí)代,2006,1620.致謝在本論文即將結(jié)束時(shí),我真心感謝很多給與我學(xué)習(xí)和生活關(guān)懷幫助的人
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