【正文】 ........................................................................................................ 70 1 第一章 緒論 論文的研究背景 和 意義 論文 的 研究背景 在 21世紀(jì)的今天， 能源、環(huán)境 已成為 人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問(wèn)題 ，常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主。 關(guān)鍵詞： 風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組 ；電動(dòng) 變槳 矩 控制 ； 變速恒頻； PLC II The wind turbine pitch control system Abstract With the increasing depletion of oil resources and the concerning human pay attention to global environmental degradation. Wind power as renewable green energy for its outstanding advantages bees the world39。 由于 PID 控制 穩(wěn)定性好、控制算法簡(jiǎn)單、 響應(yīng)速度快 且能實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié) ， 論文采用 PID 控制算法。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械、電機(jī)學(xué)和自動(dòng)控制理論等綜合性的學(xué)科。風(fēng)能開發(fā)的重要性已無(wú)可爭(zhēng)辯，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也隨之得到迅猛發(fā)展。 分析了風(fēng)力電機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同風(fēng)速段下的控制策略。 基于 STEP 7 MicroWIN SP6 軟件設(shè)計(jì) 了變槳 矩 控制器相應(yīng)的軟件 。 VSCF。 日前風(fēng)能是具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源之一。根據(jù) 不完全 數(shù)字 統(tǒng)計(jì) ，在全國(guó)陸地上風(fēng)能的技術(shù)可開發(fā)量共計(jì)約 （根據(jù)地面以上 10m高度的風(fēng)力資料計(jì)算得出），在海上可開發(fā)利用的風(fēng)能資源約 ，風(fēng)能資源的總量高達(dá) 10億千瓦，所以我國(guó)開發(fā) 和 利用 風(fēng)能的 潛力非常大 [1]。 隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷成熟和發(fā) 展，變槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性越來(lái)越突 顯 ； 于是 風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的可靠性有了大大的提高； 再加上 擁有高的風(fēng)能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線； 進(jìn)而 由于葉輪的重量有所減輕，因此風(fēng)力機(jī)的受力狀況有了極大的改善，這就使風(fēng)力機(jī)在不同的風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)，始終保持著最佳的轉(zhuǎn)換效率，從而獲得最大的輸出功率，提高風(fēng)能利用率?？刂破髟O(shè)計(jì)的是否合理直接關(guān)系到變槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否能夠正常 、 可靠 、 安全的運(yùn)行。 風(fēng)力發(fā)電變槳控 制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展到 20世紀(jì) 80年代，風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)還 比較 少，技術(shù)也不夠成熟， 發(fā)展 到 90年代中期，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，設(shè)計(jì) 、 制造技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品進(jìn)入商品化階段，功率等級(jí)從幾十千瓦到幾百千瓦，逐漸發(fā)展為兆 瓦 級(jí)。 對(duì)于定槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用系數(shù)高，而當(dāng)風(fēng)速接近額定點(diǎn)，風(fēng)能利用系數(shù)開始 大 幅度下降，這時(shí)隨著風(fēng)速的升高，功率上升己趨緩，而過(guò)了額定點(diǎn)后，槳葉已開始失速，風(fēng)速升高，功率反而有所下降。變槳系統(tǒng)按照原理有分為電動(dòng)變槳和液壓 變槳兩種，主要是動(dòng)力不一樣，電動(dòng)變槳用伺服電機(jī)驅(qū) 3 動(dòng)，液壓變槳用液壓缸驅(qū)動(dòng)。 我國(guó)早在上個(gè)世紀(jì)七八十年代開始研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，但直到 90年代，風(fēng)力發(fā)電才真正從科研走向市場(chǎng)。 本論文主要工作 隨著 常規(guī) 能源的消耗越來(lái)越大，越來(lái)越多的國(guó)家都在加快風(fēng)力發(fā)電的步伐，尤其是中國(guó)這樣的大國(guó)，能源消耗特別大，所以要積極開發(fā)新能源、綠色能源。本文的主要研究工作有以下幾點(diǎn)： 1）查閱 大量 相關(guān)風(fēng)力發(fā)電的國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，了解風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和最新動(dòng)態(tài)。 5）對(duì) 本次設(shè)計(jì)進(jìn)行思考和總結(jié)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成 目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)有常見(jiàn)的幾種結(jié)構(gòu)形式如異步感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)，功率調(diào)節(jié)方式可分為兩類，即變槳 矩 功率 調(diào)節(jié)與定槳 矩 失速功率調(diào)節(jié)。稱槳葉的這一特性為自動(dòng)失速性能。由于葉尖部分處于 矩 離軸的最遠(yuǎn)點(diǎn)，整個(gè)葉片作為一個(gè)長(zhǎng)的杠桿，擾流器產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力相當(dāng)高，足以使風(fēng)力機(jī)在幾乎沒(méi)有任何磨損的情況下迅速減速，這一過(guò)程即是槳葉空氣動(dòng)力剎車。 增速箱的低速軸接槳葉，高速軸 連接 發(fā)電機(jī)（直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)則沒(méi)有齒輪箱機(jī)構(gòu) ） 齒輪箱系統(tǒng)的特點(diǎn)是 ： （ 1） 低速軸采用行星架浮動(dòng)，高速軸采用斜齒輪（螺旋齒輪）浮動(dòng)，這種兩級(jí)或者三級(jí)的復(fù)合齒輪形式，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化而緊湊，同時(shí)均載效果好。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)通常要求在無(wú)人值班運(yùn)行條件下工作長(zhǎng)達(dá) 20年之久，因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗(yàn)。開發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是我國(guó)日后風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造的趨勢(shì)之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的發(fā)電機(jī)一般采用異步發(fā)電機(jī)，對(duì)于定槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機(jī)，這一方案不僅解決了低功率時(shí)發(fā)電機(jī)的效率問(wèn)題 ，而且還改善了低風(fēng)速時(shí)的葉尖速比。但對(duì)于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，采用的是永磁同步發(fā)電機(jī)形式。 圖 為雙反饋異步感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)軸承與齒輪箱機(jī)構(gòu) 連接 。 定槳 矩 風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)由于功率輸出是由槳葉自身的性能來(lái)限制的，槳葉的節(jié) 矩 角在安裝時(shí)已經(jīng)固定；發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速則是由電網(wǎng)頻率限制。 使控制系統(tǒng)的水平提高到一個(gè)新的階段。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)而扭轉(zhuǎn)。若因故障，自動(dòng)解纜未起作用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也規(guī)定了一個(gè)極值 圈數(shù)，在紐纜達(dá)到極值圈數(shù)左右時(shí)，紐纜開關(guān)動(dòng)作，報(bào)紐纜故障，停機(jī)等待人工解纜。 制動(dòng)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。緊急停機(jī)意味著在極短的時(shí)間內(nèi)，風(fēng)機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)由運(yùn)行時(shí)的額定轉(zhuǎn)速變?yōu)榱恪ａ槍?duì)上述情況，對(duì)控制電路作了相應(yīng)的改進(jìn)。 10 3) 儲(chǔ)能巨大。 空氣動(dòng)力學(xué)原理 葉素理論 葉素理論將葉片等效為若干個(gè)基本單元進(jìn)行研究， 將每個(gè)基本單元稱作葉素。 I 是 refv 和風(fēng)輪掃掠面的夾角，稱作入流角。 假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)截面積為 A 的氣體體積為 V ，則有： V Av? 式 () 該體積的空氣質(zhì)量為： mV?? 式 () 則氣流所具有的動(dòng)能為： 312E Av?? 式 () 風(fēng)能利用系數(shù)與貝茲理論 風(fēng)輪作為 風(fēng)電機(jī)組的能量捕獲 和轉(zhuǎn)換 部件，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為主軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，該能量經(jīng)過(guò)齒輪箱傳遞到發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)，在靠近 風(fēng)輪處及風(fēng)輪 后某 距離 處的氣流速度均有所降低，同時(shí)，氣流通過(guò)風(fēng)輪 前到達(dá)靠近風(fēng)輪處時(shí)，空氣壓力升高，而通過(guò)風(fēng)輪后壓力急劇下降，形成某種程度的“真空”，之后“真空”程度逐漸減弱，直到恢復(fù)原來(lái)的壓力 [11]。 圖 風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線 風(fēng)能利用系數(shù) PC 在葉尖速比為 opt? ，時(shí)取到最大值。對(duì)于任意葉尖速比λ，葉片 槳 矩 角 00?? 時(shí)的 風(fēng)能利用系數(shù)相對(duì)較大，而隨著槳 矩 角 ? 增大，風(fēng)能利用系數(shù) PC 變小，這為風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制提供了理論依據(jù)。風(fēng)速在豎直方向上的變化主要是由風(fēng)切變和塔影效應(yīng)導(dǎo)致的。氣流的塔影效應(yīng)描述如圖 所示。 塔影效應(yīng)引起的葉片載荷變化比風(fēng)切變效應(yīng)等 其他 因素導(dǎo)致的載荷變化更容 易引起 風(fēng)輪 葉片的振動(dòng)。在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)之前， 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào) 作為 變槳 矩 系統(tǒng)的槳 矩 角 的主要控制量 。在這種情況下，槳葉的槳 矩 角一直保持在同步 轉(zhuǎn) 速對(duì)應(yīng)的角度。當(dāng)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近保持一段時(shí)間 后，發(fā)電機(jī) 才 并入電網(wǎng)。現(xiàn)在多采用的雙饋異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在該狀態(tài)能夠通過(guò)風(fēng)速采集的低頻分量為參數(shù)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使其運(yùn)行在最佳葉尖速比， 進(jìn)而 達(dá)到對(duì)風(fēng)能的最大利用率。功率反饋信號(hào)與給定值 進(jìn)行 比較，當(dāng)功率超過(guò)額定功率的時(shí)，槳葉就向著迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向著迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng) 一個(gè)角度 。 風(fēng)機(jī)將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn) 換 為機(jī)械能傳遞給負(fù)載， 機(jī)械能表達(dá)式為 mP T P?? ? ? 式 () 式中： mP 為機(jī)械能； T 為風(fēng)機(jī)扭矩； ? 為風(fēng)機(jī)角速度。 根據(jù)力的平衡關(guān)系，葉片的扭矩為 212 mT C V AR?? 式 () 18 2sinr VW I? 式 () 21sin c o s/sinILDmC I ICCC I???????? 式 () 式中： mC 為扭矩系數(shù)； A 為風(fēng)輪的迎風(fēng)面積； R 為風(fēng)輪半徑； rW 為葉片的相對(duì)風(fēng)速。也將增大，由式 ()可知扭矩系數(shù) mC也會(huì)增大。 19 再由式 ()， Ii??? ，這里 i 增大， ? 將減小 。 變槳 矩 系統(tǒng)分類 （ 1） 變槳 矩 的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大致分為電液伺服系統(tǒng)和電動(dòng)伺服系統(tǒng)兩類 [18]。然而，液壓系統(tǒng)存在死區(qū)、滯環(huán)、庫(kù)倫摩擦，還有一些軟參量，如體積彈性模量、油的粘度、系統(tǒng)阻尼比等，有非線性特征，甚至?xí)霈F(xiàn)漏油、卡塞等現(xiàn)象。而活塞桿向右移動(dòng)最大位置時(shí)，槳 矩 角 為 00。電動(dòng)伺服變槳 矩 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可對(duì)每個(gè)槳葉采用獨(dú)立的調(diào)節(jié)方式，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)主動(dòng)齒輪與槳葉 輪轂 內(nèi)齒圈相嚙合， 進(jìn)而 直接對(duì)槳 矩 角進(jìn)行控制。伺服電機(jī)通過(guò)主動(dòng)齒輪與槳葉 輪轂內(nèi)齒圈相連，帶動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉的槳 矩 角的直接控制。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制電源斷電時(shí)，槳葉控制電動(dòng)機(jī)由 UPS 系統(tǒng) 供電，使槳葉調(diào)節(jié)到順槳位置。制動(dòng)系統(tǒng)還裝備了備用電源，用于故障或 維修時(shí)可以快速準(zhǔn)確地 控制 槳葉。這種變槳 矩 系統(tǒng)在早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的較為普遍。這種變槳 矩 系統(tǒng)在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的較為普遍。 變 槳 系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各組成部分 中是 22 非常重要的，其性能及質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響整臺(tái)風(fēng)機(jī)的性能。 （ 1）液壓變槳 矩 系統(tǒng) 風(fēng)電機(jī)組要求變槳系統(tǒng)具有較高的可靠性，而我國(guó)液壓行業(yè)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家 還存在 差 矩 ，因此，液壓變槳實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的難度非常高 [23]。 3）液壓油缸 ： 中高端的伺服 油缸在國(guó)內(nèi)基本都是進(jìn)口產(chǎn)品，其中還 包括安置在活塞桿中的位移傳感器，國(guó)內(nèi)的油缸廠商 提供 的產(chǎn)品主要 用于在工程機(jī)械、冶金等行業(yè)的中低端油缸?；钊叫钅芷骶哂懈L(zhǎng)的使用壽命，但其在國(guó)內(nèi) 遇到 與液壓油缸相似 問(wèn)題 。通常 是 無(wú)縫鋼管經(jīng)冷拔、折彎、表面處理等工序 后 制成 的 ，技術(shù)含量 較 低，國(guó)內(nèi)廠商 即 可滿足要求。國(guó)內(nèi)液壓行業(yè)的生產(chǎn)商相比國(guó)外的帕克 、伊頓、薩奧 、力士樂(lè)等知名廠 家，無(wú)論是從產(chǎn)品的系列化的廣度上，還是從做工質(zhì)量的深 度上來(lái)講，都有 相當(dāng)大的差 矩 。 1）伺服電機(jī)及減速器 ： 伺服電機(jī)是整個(gè)電動(dòng) 槳 系統(tǒng)的動(dòng)力源，減速機(jī)是調(diào)速傳動(dòng)裝置，二者都 要求 具 有很高的可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 3）蓄電池 ： 由 于 鉛酸蓄電池構(gòu)成 UPS電源，國(guó)產(chǎn)渠道 也 較多，國(guó)產(chǎn)化 比率高。 總體來(lái) 說(shuō) ，電動(dòng)變槳系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)渠道較多，進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化的可能性也較大，廠商掌握起來(lái)也較容易， 預(yù)計(jì)得到的推廣也較快。 本章小結(jié) 本章首先對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成進(jìn)行介紹，然后 對(duì)變槳 矩 風(fēng)電機(jī)組的空氣動(dòng)力學(xué)原理以及風(fēng)切變、塔影效應(yīng)等風(fēng)速特性進(jìn)行分析，得出結(jié)論 :對(duì)于某一確定的槳 矩 角，存在唯一的 CPmax；對(duì)于任意的 情況 ，槳 矩 角為 00時(shí) CP相對(duì)最大。由于本人還對(duì)風(fēng)電的具體情況不是特別了解 ，在此，僅對(duì)變 槳 系統(tǒng)的伺服電機(jī)、控制器和控制算法進(jìn)行了選擇。 步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)角與控制脈沖數(shù)成正比，可構(gòu)成直接數(shù)字控制；有定位轉(zhuǎn)矩；可構(gòu)成廉價(jià)的開環(huán)控制系統(tǒng)。 慣量 :和減速機(jī)配合在風(fēng)機(jī)起動(dòng)和停止時(shí)能夠滿足慣量要求。 伺服電機(jī)內(nèi)部自帶有相應(yīng)的變 槳 位置 編碼 器 。使用方便靈活，主要體現(xiàn)在硬件使用和軟件使用上。算速度快， 毫秒能執(zhí)行一條基本邏輯控制指令，可實(shí)現(xiàn)高速控制。 CPU 模塊有 46 個(gè)高速計(jì)數(shù)指定輸入端，用于轉(zhuǎn)速、 位置、速度等計(jì)數(shù)。 考慮到經(jīng)濟(jì)性，和功能的實(shí)現(xiàn)故選 用 S7200 PLC CPU226 作為本系統(tǒng)的控制器。 3）欠風(fēng)速指示燈：當(dāng)風(fēng)速 W≤Wmin時(shí) ,黃燈亮，同時(shí)報(bào)警； 4）過(guò)風(fēng)速指示燈：當(dāng)風(fēng)速 W≥Wmax時(shí) ,紅燈亮，同時(shí)報(bào)警； 5）功能鍵：按此鍵，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置畫面；此時(shí) 光標(biāo)在第一位數(shù)字上閃爍。 3．技術(shù)指標(biāo) 測(cè)量范圍：風(fēng)速： 0～ 60M/S 風(fēng)向： 0～ 3600 精 度 :177。 記錄間隔： 1 分鐘～ 60 分鐘連續(xù)可調(diào) 通訊接口： RS232 工作環(huán)境溫度： 40℃ ～ 50℃ 輸出信號(hào)： 420mA 4．接線端子： 29 表