【正文】 運(yùn)行系統(tǒng)：工程的運(yùn)行界面。其中 PROFIBUS 一 DP 應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí) ,它是一種高速低成本通信 ,用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式 1/0 之間的通訊 PROFIBUS 主要使用主一從方式 ,周期性地與傳動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 但經(jīng)過(guò)改進(jìn) ,現(xiàn)在擴(kuò)展的PROFIBUS 一 DP 除周期型數(shù)據(jù)傳送外 ,也具有非周期型數(shù)據(jù)傳送同時(shí)進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)傳送和報(bào)警過(guò)程功能 主站決定在總線上的數(shù)據(jù)傳送而且也被設(shè)計(jì)作為主動(dòng)結(jié)點(diǎn)。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以由用戶(hù)在編寫(xiě)用戶(hù)程序時(shí)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)控制。 PLC 具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)各種簡(jiǎn)單和復(fù) 27 雜的邏輯控制，常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。 國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）對(duì)可編程序控制器的定義為：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 阻尼剎車(chē) 為了保證剎車(chē)過(guò)程的穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航系統(tǒng)中的阻尼剎車(chē)裝置都是成對(duì)對(duì)稱(chēng)分布的，至少有兩組四個(gè)剎車(chē)盤(pán)組成。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。 在實(shí)際的偏航控制中，帶有解纜傳感器的自動(dòng)偏航控制過(guò)程分析：連續(xù)一段時(shí)間檢測(cè)風(fēng)向情況；根據(jù)自動(dòng)偏航風(fēng)向標(biāo)傳感器 ASS 信號(hào)給出偏航控制指令。 （ 2）風(fēng)杯風(fēng)速記錄 風(fēng)速記錄通過(guò)信號(hào)的轉(zhuǎn)換方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)軸垂直于風(fēng)的來(lái)向，螺旋槳葉片和平板葉片旋轉(zhuǎn)軸平行于風(fēng)的來(lái)向。 風(fēng)向標(biāo)一般是由尾翼、指向桿、平衡錘以及旋轉(zhuǎn)主軸四部分組成的首尾不對(duì)稱(chēng)的平衡裝置。 θWθeθWθe風(fēng) 向葉 輪葉 輪風(fēng) 向 圖 θw180176。被動(dòng)偏航指的是依靠風(fēng)力通過(guò)相關(guān)機(jī)構(gòu)完成機(jī)組風(fēng)輪對(duì)風(fēng)動(dòng)作的偏航方式，常見(jiàn)的有尾舵、舵輪和下風(fēng)向三種；主動(dòng)偏航指的是采用電力或液壓拖動(dòng)來(lái)完成對(duì)風(fēng)動(dòng)作的偏航方式，常見(jiàn)的有齒輪驅(qū)動(dòng)和滑動(dòng)兩種形式。 垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn)，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以接受來(lái)自任何方向的風(fēng)，因而當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)無(wú)需對(duì)風(fēng)。這樣就避免了各類(lèi)傳感器和艙內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與地面主控制器之間的通信線路及控制線路。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。 自動(dòng)解纜包括計(jì)算機(jī)控制的凸輪自動(dòng)解纜和紐纜開(kāi)關(guān)控制的安全鏈動(dòng)作計(jì)算機(jī)報(bào)警兩部分，以保證風(fēng)電機(jī)組安全。 15 圖 雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 偏航系統(tǒng) 偏航系統(tǒng)是用來(lái)調(diào)整風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與空氣流動(dòng)方向相對(duì)位置的機(jī)構(gòu)，因?yàn)楫?dāng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時(shí)，風(fēng)力機(jī)從流動(dòng)的空氣中獲取的能量最大，因而風(fēng)力機(jī)的輸出功率最大。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。國(guó)外一般采用 24 極的發(fā)電機(jī)。葉尖擾流器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要制動(dòng)器，每次制動(dòng)時(shí)都是它起主要作用。如圖 所示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)總圖。在正常運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力機(jī)保持恒速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速由發(fā)電機(jī)的極數(shù)和齒輪箱決定。風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)，要在這樣惡劣的條件下，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運(yùn)行，自動(dòng)地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。上風(fēng)式機(jī)組采用主動(dòng)偏航，由偏航電機(jī)或液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，由偏航控制系統(tǒng)控制。傳動(dòng)系的設(shè)計(jì)按傳統(tǒng) 的機(jī)械工程方法，主要考慮特殊的受載荷情況。 （ 1） 葉輪由葉片和輪轂組成，是機(jī)組中最重要的部件：決定其性能和成本，目前多數(shù)是上風(fēng)式，三葉片；也有下風(fēng)式，兩葉片。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性系數(shù) 貝茨理論提供了風(fēng)能的基本理論，但在討論風(fēng)輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與控制時(shí)有幾個(gè)特性系數(shù)具有特別重要的意義。 我們分析一個(gè)放置在移動(dòng)的空氣中的 “理想風(fēng)輪 ”葉片上所受到的力及移動(dòng)的空氣對(duì)風(fēng)輪葉片所做的功。參照過(guò)去 10年全球風(fēng)能 %的平均發(fā)展速度，若 20xx年后我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展順利，至 20xx年前每年新增裝機(jī)超過(guò) 400萬(wàn)千瓦，年均增長(zhǎng)25%，則 20xx年風(fēng)電裝機(jī)預(yù)計(jì)達(dá)到 3000萬(wàn)千瓦， 2020年的目標(biāo)可以提前 5年實(shí)現(xiàn)； 20xx年后年均新增 800萬(wàn)千瓦，從而達(dá)到目前歐洲年均增長(zhǎng)的水平，增長(zhǎng)速度達(dá)到 19%（全球風(fēng)能理事會(huì) GWEC預(yù)測(cè)全球平均 14%），則在 2020年前，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到 7000萬(wàn)千瓦也有可能實(shí)現(xiàn)。為了提高風(fēng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化率，我國(guó)也制定了一系列攻關(guān)計(jì)劃和優(yōu)惠政策，并取得了一定的成果，如新疆金風(fēng)科技公司承擔(dān)的 600KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)國(guó)產(chǎn)化的 ?九五 ?科技攻關(guān)項(xiàng)目獲得成功，使600KW 定槳距風(fēng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化達(dá)到 75%。按企業(yè)劃分，前10 位中中國(guó)占 4 位，歐洲占 4 位，其次是美國(guó)、印度各占 1 位，丹麥的 Vestas 居第一位（見(jiàn)表 ）。隨著技術(shù)設(shè)備的改善，成本還可以在目前的基礎(chǔ)上再減少 30%50%。 3 圖 截止到 20xx 年 10 月世界風(fēng)電總裝機(jī)容量 （ 2）風(fēng)電成本逐年降低 盡管風(fēng)電成本受很多因素的制約，但其發(fā)展趨勢(shì)是逐漸降低的。 全球可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量中風(fēng)電占有壓倒性?xún)?yōu)勢(shì)，在被利用的可再生能源中風(fēng)能占了一半以上，而風(fēng)力發(fā)電也是可再生能源應(yīng)用技術(shù)中最為領(lǐng)先的。并且在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部可以實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程控制 。 (4)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建設(shè)周期短。風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)越性可歸納為五點(diǎn) : (1)風(fēng)力發(fā)電是一種潔凈的自然能源。它包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等。系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速傳感器采集的數(shù)據(jù)，采取邏輯控制主動(dòng)對(duì)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)過(guò)程可控。在當(dāng)今世界，能源的發(fā)展，能源和環(huán)境，是全世界、全人類(lèi)共同關(guān)心的話題，也是我國(guó)社會(huì)發(fā)展的重要問(wèn)題。前者多用于小型的獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由尾舵控制，風(fēng)向改變時(shí)，被動(dòng)對(duì)風(fēng)。 人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷史與能源的開(kāi)發(fā)和利用水平密切相關(guān)，每一次新型能源的開(kāi)發(fā)都使人類(lèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。風(fēng)能密度是單位迎風(fēng)面積可獲得的風(fēng)的功率，與風(fēng)速的三次方和空氣密度成正比關(guān)系。 (3)由于技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品批量增加，風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益提高，風(fēng)電成本持續(xù)下降，見(jiàn)表 。 由此可見(jiàn)，風(fēng)力發(fā)電具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展受到世界各國(guó)政府的高度重視。 世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)（ CWEC）的統(tǒng)計(jì)， 20xx 年全世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量 （風(fēng)車(chē)約 17104 臺(tái)），比 20xx 年的 增加了 %。亞洲的風(fēng)電成為全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新生力量 ,印度則是發(fā)展中國(guó)家的典型。 單就過(guò)去 5 年而言，風(fēng)電的成本已經(jīng)下降了 20％。預(yù)計(jì)到 20xx 年，歐洲海上風(fēng)電的裝機(jī)容量將達(dá)到 10000MW。 我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)在近 20 年來(lái)取得了可喜的進(jìn)展，對(duì)風(fēng)力發(fā)電各項(xiàng) 技術(shù)的研究也有了很大進(jìn)展。因此， 20xx年每年平均新增裝機(jī) 250萬(wàn) kW，至 20xx年年底累計(jì)裝機(jī)達(dá)到 1000萬(wàn)～ 1200萬(wàn) kW。貝茨(Betz)建立的。 風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得 )()( 2121 vvmvvsvF ???? ? (24) 式中 ?——空氣當(dāng)時(shí)的密度 風(fēng)輪所接受的功率為 )( 212 vvsvFvP ??? ? (25) 所以經(jīng)過(guò)風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化 )(21)(21 22212221 vvmvvsvT ????? ? (26) 式中 sv? ——空氣質(zhì)量 TP ?? (27) 8 2 21 vvv ?? (28) 因此 ， 風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力 F 和風(fēng)輪輸出的功率 P 分別為 )(21 2221 vvsF ?? ? (29) ))((41 212221 vvvvsP ??? ? (210) 風(fēng)速 1V 是給定的， P 的大小取決 于 2V ， P 是 2V 的函數(shù)，對(duì) P 微分求最大值得 )32(41 2221212 vvvvsdvdP ??? ? (211) 令其等于 0，求解方程得 12 31vv ? (212) 3131m a x 271621278 svsvP ?? ??? (213) 16/27=， PC 稱(chēng)作貝茨功率系數(shù) pCsvP 31m a x 21 ?? (214) 而 3121 sv?正是風(fēng)速為 1V 的風(fēng)能 T ，故 pTCP ?max (215) PC =，說(shuō)明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率 maxP 為風(fēng)吹過(guò)葉片掃掠面積 S的風(fēng)能的 ％。現(xiàn) 代風(fēng)機(jī)為了解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電時(shí)有時(shí)無(wú)，電壓和頻率不穩(wěn)定的問(wèn)題，增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車(chē)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的示意如圖 。齒輪箱有兩種：平行軸式和行星式。 （ 3） 機(jī)艙與偏航機(jī)構(gòu) 包括機(jī)艙蓋，底板和偏航系統(tǒng)。然后，隨著風(fēng)速的增加，一直控制在額定功率附近發(fā)電，直到風(fēng)速達(dá)到 25 米 /秒時(shí)自動(dòng)停機(jī)。 風(fēng) 速 模 型傳 動(dòng) 部 分風(fēng) 力 機(jī) 控 制 器變 頻 器風(fēng) 力 機(jī)發(fā) 電 機(jī)電 網(wǎng)變 頻 器發(fā) 電 機(jī) 與 換流 器 控 制變 壓 器w oPwTsPwwwsPcPr efrefPc 圖 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 其中，風(fēng)輪機(jī)理想運(yùn)行功率輸出曲線見(jiàn)圖 。采用變速恒頻發(fā)電方式，能在風(fēng)速變化的情況下實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終在最佳轉(zhuǎn)速上運(yùn)行，捕獲最大風(fēng)能。為解決這樣的問(wèn)題，制造商家通過(guò)改善葉輪的 制造材料，采用加強(qiáng)玻璃塑料、碳纖維強(qiáng)化塑料、鋼和鋁合成。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。開(kāi)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。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在我國(guó)是一種新型的產(chǎn)品，但在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展了很長(zhǎng)時(shí)間。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。 16 剎 車(chē)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。相對(duì)于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)也不再是簡(jiǎn)單的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作為變距系統(tǒng)，它自身是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了電液比例閥或電液伺服閥，控制系統(tǒng)水平得到了極大的改善和提高，并逐漸發(fā)展成熟。葉片數(shù)少的風(fēng)力機(jī)通常稱(chēng)為高速風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)偏航的原理是通過(guò)風(fēng)傳感器檢測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速，并將檢測(cè)到的風(fēng)向信號(hào)送到微處理器，微處理器計(jì)算出風(fēng)向信號(hào)與機(jī)艙位置的夾角，從而確定是否需要調(diào)整機(jī)艙方向以及朝哪個(gè)方向調(diào)整能盡快對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。 在偏航過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)總是按最短路徑將機(jī)艙轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)角度，才能夠提高發(fā)電效率，這樣就需要解決電機(jī)的起動(dòng)和轉(zhuǎn)向問(wèn)題。θw機(jī)艙逆時(shí)針調(diào)向 風(fēng)向、風(fēng)速信號(hào)的采集 風(fēng)向測(cè)量 風(fēng)向信號(hào)作為偏航控制 系統(tǒng)中最關(guān)鍵的輸入信號(hào)，對(duì)其準(zhǔn)確的測(cè)量將影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。 21 圖 常采用的風(fēng)向傳感器 風(fēng)速的測(cè)量 風(fēng)速是單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上所移動(dòng)的距離。角的十字形支架上，杯的凹面順著同一方向，整個(gè)橫臂架則固定在能旋轉(zhuǎn)的垂直軸上。當(dāng)需要調(diào)整方向時(shí)，微處理器發(fā)出一定的信號(hào)給偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以調(diào)整機(jī)艙的方向，達(dá)到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的目的。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)。首先松偏航閘，封鎖傳感器故障的報(bào)告，當(dāng)需要解纜且記錄 CW 為 1 時(shí)，控制偏轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)需要解纜且記錄 CCW 為 1 時(shí)，控制偏轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 運(yùn) 行 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 風(fēng)速 和 風(fēng) 向自 動(dòng) 偏 航 還 是 手 動(dòng) 偏 航 ?風(fēng) 速 超 過(guò) 4 m / s ？左 偏 航 = 1 并 且 右 偏 航 = 1 ？計(jì) 算 風(fēng) 向 角 與 偏 航角 的 角 度 差 θ左 偏 航 = 左 偏 航 手 動(dòng) 信 號(hào)右 偏 航 = 右 偏 航 手 動(dòng) 信 號(hào)θ 超 過(guò) 允 許 值 θ 1 ？偏 航 電 機(jī) 運(yùn) 行左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0YYNY自動(dòng)偏航手 動(dòng)偏 航Y(jié)NNY開(kāi) 始θ ＞ = 0 ？θ ＞ = 允 許 的 角 度 差 θ 2 ？ θ ＜ = 允 許 的 角 度 差 θ 2 * （ 1 ） ？左 偏 航 = 0右 偏 航 = 1左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 1右 偏 航 = 0YNYNYN 圖 偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 如圖 所示偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖，首先，通過(guò) EWind Turbine 采集風(fēng)速和風(fēng)向；然后，判斷是采用手動(dòng)偏航還是自動(dòng)偏航；如果是采用手動(dòng)