【正文】 運行系統(tǒng)：工程的運行界面。其中 PROFIBUS 一 DP 應(yīng)用于現(xiàn)場級 ,它是一種高速低成本通信 ,用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式 1/0 之間的通訊 PROFIBUS 主要使用主一從方式 ,周期性地與傳動裝置進行數(shù)據(jù)交換 但經(jīng)過改進 ,現(xiàn)在擴展的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)傳送同時進行周期性數(shù)據(jù)傳送和報警過程功能 主站決定在總線上的數(shù)據(jù)傳送而且也被設(shè)計作為主動結(jié)點。計數(shù)器的計數(shù)值可以由用戶在編寫用戶程序時設(shè)定，實現(xiàn)計數(shù)控制。 PLC 具有強大的邏輯運算能力，可以實現(xiàn)各種簡單和復 27 雜的邏輯控制，常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。 國際電工委員會（ IEC）對可編程序控制器的定義為：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。 阻尼剎車 為了保證剎車過程的穩(wěn)定性，風力發(fā)電機的偏航系統(tǒng)中的阻尼剎車裝置都是成對對稱分布的，至少有兩組四個剎車盤組成。當達到其規(guī)定的解纜圈數(shù)時，系統(tǒng)應(yīng)自動解纜，此時啟動偏航電機向相反方向轉(zhuǎn)動纏繞圈數(shù)解纜，將機艙返回電纜無纏繞位置。 在實際的偏航控制中，帶有解纜傳感器的自動偏航控制過程分析：連續(xù)一段時間檢測風向情況；根據(jù)自動偏航風向標傳感器 ASS 信號給出偏航控制指令。 （ 2）風杯風速記錄 風速記錄通過信號的轉(zhuǎn)換方法來實現(xiàn)。風杯旋轉(zhuǎn)軸垂直于風的來向，螺旋槳葉片和平板葉片旋轉(zhuǎn)軸平行于風的來向。 風向標一般是由尾翼、指向桿、平衡錘以及旋轉(zhuǎn)主軸四部分組成的首尾不對稱的平衡裝置。 θWθeθWθe風 向葉 輪葉 輪風 向 圖 θw180176。被動偏航指的是依靠風力通過相關(guān)機構(gòu)完成機組風輪對風動作的偏航方式，常見的有尾舵、舵輪和下風向三種；主動偏航指的是采用電力或液壓拖動來完成對風動作的偏航方式，常見的有齒輪驅(qū)動和滑動兩種形式。 垂直軸風力機的風輪圍繞一個垂直軸旋轉(zhuǎn)，其主要優(yōu)點是可以接受來自任何方向的風，因而當風向改變時無需對風。這樣就避免了各類傳感器和艙內(nèi)執(zhí)行機構(gòu)與地面主控制器之間的通信線路及控制線路。根據(jù)風力機容量的大小，塔架可以制成實心鐵柱式，也可以制成鋼材晰架結(jié)構(gòu)或柔性塔架。 自動解纜包括計算機控制的凸輪自動解纜和紐纜開關(guān)控制的安全鏈動作計算機報警兩部分，以保證風電機組安全。 15 圖 雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 偏航系統(tǒng) 偏航系統(tǒng)是用來調(diào)整風力機的風輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與空氣流動方向相對位置的機構(gòu)，因為當風輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時，風力機從流動的空氣中獲取的能量最大，因而風力機的輸出功率最大。由于繞線式異步發(fā)電機有滑環(huán)電刷，這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)在風力發(fā)電惡劣的運行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。國外一般采用 24 極的發(fā)電機。葉尖擾流器是風力發(fā)電機組的主要制動器，每次制動時都是它起主要作用。如圖 所示風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)總圖。在正常運行時，風力機保持恒速運行，轉(zhuǎn)速由發(fā)電機的極數(shù)和齒輪箱決定。風機的控制系統(tǒng)，要在這樣惡劣的條件下，根據(jù)風速、風向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行，自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。上風式機組采用主動偏航，由偏航電機或液壓馬達驅(qū)動，由偏航控制系統(tǒng)控制。傳動系的設(shè)計按傳統(tǒng) 的機械工程方法，主要考慮特殊的受載荷情況。 （ 1） 葉輪由葉片和輪轂組成，是機組中最重要的部件：決定其性能和成本，目前多數(shù)是上風式，三葉片；也有下風式，兩葉片。 風力發(fā)電機特性系數(shù) 貝茨理論提供了風能的基本理論，但在討論風輪機的能量轉(zhuǎn)換與控制時有幾個特性系數(shù)具有特別重要的意義。 我們分析一個放置在移動的空氣中的 “理想風輪 ”葉片上所受到的力及移動的空氣對風輪葉片所做的功。參照過去 10年全球風能 %的平均發(fā)展速度，若 20xx年后我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展順利，至 20xx年前每年新增裝機超過 400萬千瓦，年均增長25%，則 20xx年風電裝機預(yù)計達到 3000萬千瓦， 2020年的目標可以提前 5年實現(xiàn)； 20xx年后年均新增 800萬千瓦，從而達到目前歐洲年均增長的水平，增長速度達到 19%（全球風能理事會 GWEC預(yù)測全球平均 14%），則在 2020年前，我國風電累計裝機達到 7000萬千瓦也有可能實現(xiàn)。為了提高風機的國產(chǎn)化率，我國也制定了一系列攻關(guān)計劃和優(yōu)惠政策，并取得了一定的成果，如新疆金風科技公司承擔的 600KW風力發(fā)電機國產(chǎn)化的 ?九五 ?科技攻關(guān)項目獲得成功，使600KW 定槳距風機的國產(chǎn)化達到 75%。按企業(yè)劃分，前10 位中中國占 4 位，歐洲占 4 位，其次是美國、印度各占 1 位，丹麥的 Vestas 居第一位（見表 ）。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 月世界風電總裝機容量 （ 2）風電成本逐年降低 盡管風電成本受很多因素的制約，但其發(fā)展趨勢是逐漸降低的。 全球可再生能源發(fā)電裝機容量中風電占有壓倒性優(yōu)勢，在被利用的可再生能源中風能占了一半以上，而風力發(fā)電也是可再生能源應(yīng)用技術(shù)中最為領(lǐng)先的。并且在風電場運行的風力發(fā)電機組全部可以實現(xiàn)集中控制和遠程控制 。 (4)風力發(fā)電場建設(shè)周期短。風力發(fā)電的優(yōu)越性可歸納為五點 : (1)風力發(fā)電是一種潔凈的自然能源。它包括太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能等。系統(tǒng)根據(jù)風向、風速傳感器采集的數(shù)據(jù)，采取邏輯控制主動對風，實現(xiàn)了對風過程可控。在當今世界，能源的發(fā)展，能源和環(huán)境，是全世界、全人類共同關(guān)心的話題，也是我國社會發(fā)展的重要問題。前者多用于小型的獨立風力發(fā)電系統(tǒng)，由尾舵控制，風向改變時，被動對風。 人類社會發(fā)展的歷史與能源的開發(fā)和利用水平密切相關(guān)，每一次新型能源的開發(fā)都使人類經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。風能密度是單位迎風面積可獲得的風的功率，與風速的三次方和空氣密度成正比關(guān)系。 (3)由于技術(shù)進步和產(chǎn)品批量增加，風力發(fā)電的經(jīng)濟性日益提高，風電成本持續(xù)下降，見表 。 由此可見，風力發(fā)電具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展受到世界各國政府的高度重視。 世界風力發(fā)電現(xiàn)狀 據(jù)世界風能協(xié)會（ CWEC）的統(tǒng)計， 20xx 年全世界風力發(fā)電裝機容量 （風車約 17104 臺），比 20xx 年的 增加了 %。亞洲的風電成為全球風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新生力量 ,印度則是發(fā)展中國家的典型。 單就過去 5 年而言，風電的成本已經(jīng)下降了 20％。預(yù)計到 20xx 年，歐洲海上風電的裝機容量將達到 10000MW。 我國的風力發(fā)電事業(yè)在近 20 年來取得了可喜的進展，對風力發(fā)電各項 技術(shù)的研究也有了很大進展。因此， 20xx年每年平均新增裝機 250萬 kW，至 20xx年年底累計裝機達到 1000萬～ 1200萬 kW。貝茨(Betz)建立的。 風作用在葉片上的力由歐拉定理求得 )()( 2121 vvmvvsvF ???? ? (24) 式中 ?——空氣當時的密度 風輪所接受的功率為 )( 212 vvsvFvP ??? ? (25) 所以經(jīng)過風輪葉片的風的動能轉(zhuǎn)化 )(21)(21 22212221 vvmvvsvT ????? ? (26) 式中 sv? ——空氣質(zhì)量 TP ?? (27) 8 2 21 vvv ?? (28) 因此 ， 風作用在風輪葉片上的力 F 和風輪輸出的功率 P 分別為 )(21 2221 vvsF ?? ? (29) ))((41 212221 vvvvsP ??? ? (210) 風速 1V 是給定的， P 的大小取決 于 2V ， P 是 2V 的函數(shù)，對 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 稱作貝茨功率系數(shù) pCsvP 31m a x 21 ?? (214) 而 3121 sv?正是風速為 1V 的風能 T ，故 pTCP ?max (215) PC =，說明風吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率 maxP 為風吹過葉片掃掠面積 S的風能的 ％。現(xiàn) 代風機為了解決風力發(fā)電機發(fā)出的電時有時無，電壓和頻率不穩(wěn)定的問題，增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，現(xiàn)代風機的示意如圖 。齒輪箱有兩種：平行軸式和行星式。 （ 3） 機艙與偏航機構(gòu) 包括機艙蓋，底板和偏航系統(tǒng)。然后，隨著風速的增加，一直控制在額定功率附近發(fā)電，直到風速達到 25 米 /秒時自動停機。 風 速 模 型傳 動 部 分風 力 機 控 制 器變 頻 器風 力 機發(fā) 電 機電 網(wǎng)變 頻 器發(fā) 電 機 與 換流 器 控 制變 壓 器w oPwTsPwwwsPcPr efrefPc 圖 風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 其中，風輪機理想運行功率輸出曲線見圖 。采用變速恒頻發(fā)電方式，能在風速變化的情況下實時調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速，使之始終在最佳轉(zhuǎn)速上運行，捕獲最大風能。為解決這樣的問題，制造商家通過改善葉輪的 制造材料，采用加強玻璃塑料、碳纖維強化塑料、鋼和鋁合成。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。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。直驅(qū)式風力發(fā)電機組在我國是一種新型的產(chǎn)品，但在國外已經(jīng)發(fā)展了很長時間。當達到其規(guī)定的解纜圈數(shù)時，系統(tǒng)應(yīng)自動解纜，此時啟動偏航電機向相反方向轉(zhuǎn)動纏繞圈數(shù)解纜，將機艙返回電纜無纏繞位置。 16 剎 車系統(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。相對于定槳距風力發(fā)電機組來說，變槳距風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)也不再是簡單的執(zhí)行機構(gòu)，作為變距系統(tǒng)，它自身是一個閉環(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)少的風力機通常稱為高速風力機。風力機偏航的原理是通過風傳感器檢測風向、風速，并將檢測到的風向信號送到微處理器，微處理器計算出風向信號與機艙位置的夾角，從而確定是否需要調(diào)整機艙方向以及朝哪個方向調(diào)整能盡快對準風向。 在偏航過程中，風力機總是按最短路徑將機艙轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度，才能夠提高發(fā)電效率，這樣就需要解決電機的起動和轉(zhuǎn)向問題。θw機艙逆時針調(diào)向 風向、風速信號的采集 風向測量 風向信號作為偏航控制 系統(tǒng)中最關(guān)鍵的輸入信號，對其準確的測量將影響整個控制系統(tǒng)的性能。 21 圖 常采用的風向傳感器 風速的測量 風速是單位時間內(nèi)空氣在水平方向上所移動的距離。角的十字形支架上，杯的凹面順著同一方向，整個橫臂架則固定在能旋轉(zhuǎn)的垂直軸上。當需要調(diào)整方向時，微處理器發(fā)出一定的信號給偏航驅(qū)動機構(gòu)，以調(diào)整機艙的方向，達到對準風向的目的。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)。首先松偏航閘，封鎖傳感器故障的報告，當需要解纜且記錄 CW 為 1 時，控制偏轉(zhuǎn)電機正轉(zhuǎn)，當需要解纜且記錄 CCW 為 1 時，控制偏轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)。 偏航控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖 運 行 時 監(jiān) 測 風速 和 風 向自 動 偏 航 還 是 手 動 偏 航 ?風 速 超 過 4 m / s ？左 偏 航 = 1 并 且 右 偏 航 = 1 ？計 算 風 向 角 與 偏 航角 的 角 度 差 θ左 偏 航 = 左 偏 航 手 動 信 號右 偏 航 = 右 偏 航 手 動 信 號θ 超 過 允 許 值 θ 1 ？偏 航 電 機 運 行左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0YYNY自動偏航手 動偏 航Y(jié)NNY開 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)計流程圖 如圖 所示偏航控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖，首先，通過 EWind Turbine 采集風速和風向；然后，判斷是采用手動偏航還是自動偏航；如果是采用手動