【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題 ，常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主。 關(guān)鍵詞： 風 力發(fā)電機組 ；電動 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、控制算法簡單、 響應(yīng)速度快 且能實現(xiàn)無差調(diào)節(jié) ， 論文采用 PID 控制算法。風力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動力學、機械、電機學和自動控制理論等綜合性的學科。風能開發(fā)的重要性已無可爭辯，風力發(fā)電技術(shù)也隨之得到迅猛發(fā)展。 分析了風力電機的空氣動力學特性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了風力發(fā)電機組在不同風速段下的控制策略。 基于 STEP 7 MicroWIN SP6 軟件設(shè)計 了變槳 矩 控制器相應(yīng)的軟件 。 VSCF。 日前風能是具有大規(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 ，在全國陸地上風能的技術(shù)可開發(fā)量共計約 （根據(jù)地面以上 10m高度的風力資料計算得出），在海上可開發(fā)利用的風能資源約 ，風能資源的總量高達 10億千瓦，所以我國開發(fā) 和 利用 風能的 潛力非常大 [1]。 隨著風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷成熟和發(fā) 展，變槳 矩 風力發(fā)電機的優(yōu)越性越來越突 顯 ； 于是 風力機運行的可靠性有了大大的提高； 再加上 擁有高的風能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線； 進而 由于葉輪的重量有所減輕，因此風力機的受力狀況有了極大的改善，這就使風力機在不同的風速下運行時，始終保持著最佳的轉(zhuǎn)換效率，從而獲得最大的輸出功率，提高風能利用率?？刂破髟O(shè)計的是否合理直接關(guān)系到變槳 矩 風力發(fā)電機組是否能夠正常 、 可靠 、 安全的運行。 風力發(fā)電變槳控 制系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 風力發(fā)電發(fā)展到 20世紀 80年代，風力發(fā)電機裝機還 比較 少，技術(shù)也不夠成熟， 發(fā)展 到 90年代中期，世界風力發(fā)電技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，設(shè)計 、 制造技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品進入商品化階段，功率等級從幾十千瓦到幾百千瓦，逐漸發(fā)展為兆 瓦 級。 對于定槳 矩 風力發(fā)電機組，在低風速段的風能利用系數(shù)高，而當風速接近額定點，風能利用系數(shù)開始 大 幅度下降，這時隨著風速的升高，功率上升己趨緩，而過了額定點后，槳葉已開始失速，風速升高，功率反而有所下降。變槳系統(tǒng)按照原理有分為電動變槳和液壓 變槳兩種，主要是動力不一樣，電動變槳用伺服電機驅(qū) 3 動，液壓變槳用液壓缸驅(qū)動。 我國早在上個世紀七八十年代開始研制風力發(fā)電機組，但直到 90年代，風力發(fā)電才真正從科研走向市場。 本論文主要工作 隨著 常規(guī) 能源的消耗越來越大，越來越多的國家都在加快風力發(fā)電的步伐，尤其是中國這樣的大國，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： 1）查閱 大量 相關(guān)風力發(fā)電的國內(nèi)外相關(guān)資料，了解風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢和最新動態(tài)。 5）對 本次設(shè)計進行思考和總結(jié)。 風力發(fā)電機組的基本組成 目前，風力發(fā)電機組系統(tǒng)有常見的幾種結(jié)構(gòu)形式如異步感應(yīng)風力發(fā)電機系統(tǒng)，同步風力發(fā)電機系統(tǒng)和雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)。對于水平軸風力機，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失速性能。由于葉尖部分處于 矩 離軸的最遠點，整個葉片作為一個長的杠桿，擾流器產(chǎn)生的氣動阻力相當高，足以使風力機在幾乎沒有任何磨損的情況下迅速減速，這一過程即是槳葉空氣動力剎車。 增速箱的低速軸接槳葉，高速軸 連接 發(fā)電機（直驅(qū)式風力發(fā)電機則沒有齒輪箱機構(gòu) ） 齒輪箱系統(tǒng)的特點是 ： （ 1） 低速軸采用行星架浮動，高速軸采用斜齒輪（螺旋齒輪）浮動，這種兩級或者三級的復合齒輪形式，使結(jié)構(gòu)簡化而緊湊，同時均載效果好。 風力發(fā)電機組的設(shè)計通常要求在無人值班運行條件下工作長達 20年之久，因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗。開發(fā)直驅(qū)式風力發(fā)電機組是我國日后風力發(fā)電機制造的趨勢之一。風力發(fā)電機所用的發(fā)電機一般采用異步發(fā)電機，對于定槳 矩 風力發(fā)電機組，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機，這一方案不僅解決了低功率時發(fā)電機的效率問題 ，而且還改善了低風速時的葉尖速比。但對于直驅(qū)式風力發(fā)電機系統(tǒng)，采用的是永磁同步發(fā)電機形式。 圖 為雙反饋異步感應(yīng)電機系統(tǒng)，通過軸承與齒輪箱機構(gòu) 連接 。 定槳 矩 風力機控制系統(tǒng)由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制的，槳葉的節(jié) 矩 角在安裝時已經(jīng)固定；發(fā)電機的轉(zhuǎn)速則是由電網(wǎng)頻率限制。 使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。由于風向的不確定性，風力發(fā)電機就需要經(jīng)常偏航對風，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會隨風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動而扭轉(zhuǎn)。若因故障，自動解纜未起作用，風力發(fā)電機也規(guī)定了一個極值 圈數(shù)，在紐纜達到極值圈數(shù)左右時，紐纜開關(guān)動作，報紐纜故障，停機等待人工解纜。 制動系統(tǒng) 其功能是當風力機需要停止運轉(zhuǎn)或在大風時使風力機停止運轉(zhuǎn)以達到維修或保護風力機的目的。緊急停機意味著在極短的時間內(nèi)，風機的制動系統(tǒng)將風機葉輪轉(zhuǎn)數(shù)由運行時的額定轉(zhuǎn)速變?yōu)榱?。針對上述情況，對控制電路作了相應(yīng)的改進。 10 3) 儲能巨大。 空氣動力學原理 葉素理論 葉素理論將葉片等效為若干個基本單元進行研究， 將每個基本單元稱作葉素。 I 是 refv 和風輪掃掠面的夾角，稱作入流角。 假設(shè)單位時間內(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 () 則氣流所具有的動能為： 312E Av?? 式 () 風能利用系數(shù)與貝茲理論 風輪作為 風電機組的能量捕獲 和轉(zhuǎn)換 部件，將風能轉(zhuǎn)換為主軸旋轉(zhuǎn)機械能，該能量經(jīng)過齒輪箱傳遞到發(fā)電機。由于風輪的旋轉(zhuǎn)，在靠近 風輪處及風輪 后某 距離 處的氣流速度均有所降低，同時，氣流通過風輪 前到達靠近風輪處時，空氣壓力升高，而通過風輪后壓力急劇下降，形成某種程度的“真空”，之后“真空”程度逐漸減弱，直到恢復原來的壓力 [11]。 圖 風能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線 風能利用系數(shù) PC 在葉尖速比為 opt? ，時取到最大值。對于任意葉尖速比λ，葉片 槳 矩 角 00?? 時的 風能利用系數(shù)相對較大，而隨著槳 矩 角 ? 增大，風能利用系數(shù) PC 變小，這為風電機組的運行控制提供了理論依據(jù)。風速在豎直方向上的變化主要是由風切變和塔影效應(yīng)導致的。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切變效應(yīng)等 其他 因素導致的載荷變化更容 易引起 風輪 葉片的振動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)之前， 發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號 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) 速對應(yīng)的角度。當轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近保持一段時間 后，發(fā)電機 才 并入電網(wǎng)?，F(xiàn)在多采用的雙饋異步發(fā)電機的風力發(fā)電機在該狀態(tài)能夠通過風速采集的低頻分量為參數(shù)調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，使其運行在最佳葉尖速比， 進而 達到對風能的最大利用率。功率反饋信號與給定值 進行 比較，當功率超過額定功率的時，槳葉就向著迎風面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向著迎風面積增大的方向轉(zhuǎn)動 一個角度 。 風機將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn) 換 為機械能傳遞給負載， 機械能表達式為 mP T P?? ? ? 式 () 式中： mP 為機械能； T 為風機扭矩； ? 為風機角速度。 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 為風輪的迎風面積； R 為風輪半徑； rW 為葉片的相對風速。也將增大，由式 ()可知扭矩系數(shù) mC也會增大。 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)行機構(gòu)大致分為電液伺服系統(tǒng)和電動伺服系統(tǒng)兩類 [18]。然而，液壓系統(tǒng)存在死區(qū)、滯環(huán)、庫倫摩擦，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，甚至會出現(xiàn)漏油、卡塞等現(xiàn)象。而活塞桿向右移動最大位置時，槳 矩 角 為 00。電動伺服變槳 矩 執(zhí)行機構(gòu)可對每個槳葉采用獨立的調(diào)節(jié)方式，伺服電動機通過主動齒輪與槳葉 輪轂 內(nèi)齒圈相嚙合， 進而 直接對槳 矩 角進行控制。伺服電機通過主動齒輪與槳葉 輪轂內(nèi)齒圈相連，帶動槳葉轉(zhuǎn)動， 從而 實現(xiàn)對槳葉的槳 矩 角的直接控制。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制電源斷電時，槳葉控制電動機由 UPS 系統(tǒng) 供電，使槳葉調(diào)節(jié)到順槳位置。制動系統(tǒng)還裝備了備用電源，用于故障或 維修時可以快速準確地 控制 槳葉。這種變槳 矩 系統(tǒng)在早期風力發(fā)電機組中采用的較為普遍。這種變槳 矩 系統(tǒng)在現(xiàn)代風力發(fā)電機組中采用的較為普遍。 變 槳 系統(tǒng)在風力發(fā)電機組各組成部分 中是 22 非常重要的，其性能及質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響整臺風機的性能。 （ 1）液壓變槳 矩 系統(tǒng) 風電機組要求變槳系統(tǒng)具有較高的可靠性，而我國液壓行業(yè)水平與發(fā)達國家 還存在 差 矩 ，因此，液壓變槳實現(xiàn)國產(chǎn)化的難度非常高 [23]。 3）液壓油缸 ： 中高端的伺服 油缸在國內(nèi)基本都是進口產(chǎn)品，其中還 包括安置在活塞桿中的位移傳感器，國內(nèi)的油缸廠商 提供 的產(chǎn)品主要 用于在工程機械、冶金等行業(yè)的中低端油缸?；钊叫钅芷骶哂懈L的使用壽命，但其在國內(nèi) 遇到 與液壓油缸相似 問題 。通常 是 無縫鋼管經(jīng)冷拔、折彎、表面處理等工序 后 制成 的 ，技術(shù)含量 較 低，國內(nèi)廠商 即 可滿足要求。國內(nèi)液壓行業(yè)的生產(chǎn)商相比國外的帕克 、伊頓、薩奧 、力士樂等知名廠 家，無論是從產(chǎn)品的系列化的廣度上，還是從做工質(zhì)量的深 度上來講，都有 相當大的差 矩 。 1）伺服電機及減速器 ： 伺服電機是整個電動 槳 系統(tǒng)的動力源，減速機是調(diào)速傳動裝置，二者都 要求 具 有很高的可靠性、穩(wěn)定性和準確性。 3）蓄電池 ： 由 于 鉛酸蓄電池構(gòu)成 UPS電源，國產(chǎn)渠道 也 較多，國產(chǎn)化 比率高。 總體來 說 ，電動變槳系統(tǒng)的國內(nèi)渠道較多，進行國產(chǎn)化的可能性也較大，廠商掌握起來也較容易， 預計得到的推廣也較快。 本章小結(jié) 本章首先對風力發(fā)電機組的基本組成進行介紹，然后 對變槳 矩 風電機組的空氣動力學原理以及風切變、塔影效應(yīng)等風速特性進行分析，得出結(jié)論 :對于某一確定的槳 矩 角，存在唯一的 CPmax；對于任意的 情況 ，槳 矩 角為 00時 CP相對最大。由于本人還對風電的具體情況不是特別了解 ，在此，僅對變 槳 系統(tǒng)的伺服電機、控制器和控制算法進行了選擇。 步進電機 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)成廉價的開環(huán)控制系統(tǒng)。 慣量 :和減速機配合在風機起動和停止時能夠滿足慣量要求。 伺服電機內(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，可實現(xiàn)高速控制。 CPU 模塊有 46 個高速計數(shù)指定輸入端，用于轉(zhuǎn)速、 位置、速度等計數(shù)。 考慮到經(jīng)濟性，和功能的實現(xiàn)故選 用 S7200 PLC CPU226 作為本系統(tǒng)的控制器。 3）欠風速指示燈：當風速 W≤Wmin時 ,黃燈亮，同時報警； 4）過風速指示燈：當風速 W≥Wmax時 ,紅燈亮，同時報警； 5）功能鍵：按此鍵，進入?yún)?shù)設(shè)置畫面；此時 光標在第一位數(shù)字上閃爍。 3．技術(shù)指標 測量范圍：風速： 0～ 60M/S 風向： 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： 420mA 4．接線端子： 29 表