【正文】 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。 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。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。 伺服電機(jī)內(nèi)部自帶有相應(yīng)的變 槳 位置 編碼 器 。 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)。 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。 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。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(dāng)大的差 矩 ?；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 問題 。 （ 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]。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。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。伺服電機(jī)通過主動(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。而活塞桿向右移動(dòng)最大位置時(shí)，槳 矩 角 為 00。 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]。也將增大，由式 ()可知扭矩系數(shù) mC也會(huì)增大。 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?，F(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。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。 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)。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。 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。 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)過齒輪箱傳遞到發(fā)電機(jī)。 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。針對(duì)上述情況，對(duì)控制電路作了相應(yīng)的改進(jìn)。 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。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)。 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。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。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。 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。稱槳葉的這一特性為自動(dòng)失速性能。 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)。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)。 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)。 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?？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。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]。 VSCF。 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。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。 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。從全球范圍來看，風(fēng)力發(fā)電 已 經(jīng)從試驗(yàn)研究 階段 迅速發(fā)展為一項(xiàng)成熟技術(shù)。 當(dāng) 前，單機(jī)容量越來越大，兆瓦級(jí)別的機(jī)組占據(jù)了主 要 位置，變槳 矩 技術(shù)已經(jīng)成為了風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)， 也對(duì) 風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用，而 且 風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)和管理水平以及規(guī)模也上升到嶄新的階段。 世界上的風(fēng)力發(fā)的廠家和發(fā)展情況如下 : 世界風(fēng)電廠家 Vestas， Aeciona， Enercon， Gamesa， Dewind， GE，三菱重工等。由于我國(guó)風(fēng)力發(fā)電起步慢，技術(shù)相對(duì)落后，在加快發(fā)展規(guī)模的同時(shí)，要引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，學(xué)習(xí)歐洲國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)。 4 第二章 風(fēng) 力發(fā) 電機(jī)組的 基本組成、 基本理論與變槳 矩 系統(tǒng) 隨著 風(fēng) 力發(fā) 電機(jī)組的單機(jī)容量的不斷增大，在額定風(fēng)速下能提高捕獲風(fēng)能效率，在額定風(fēng)速以上能保持額定功率穩(wěn)定輸出 成為 迫切需要解決的問題 。 (1)定槳 矩 系統(tǒng) 對(duì)于定槳 矩 系統(tǒng)，其槳葉與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之改變。 (2)變槳 矩 系統(tǒng) 就是葉片用可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸安裝在輪 轂 上，輪 轂 上安裝的幾個(gè)葉片可同步轉(zhuǎn)動(dòng)以改變?nèi)~片的安裝角，即同步改變?nèi)~片的迎角以滿足不同的風(fēng)速條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到最大功率。近年來國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障率最高的部件當(dāng)數(shù)齒輪箱，而齒輪箱的故障絕大多數(shù)是由于軸承的故障造成。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。 圖 雙反 饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制系統(tǒng) 與一般工業(yè)控制過程不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。 偏航系統(tǒng) 由于風(fēng)向經(jīng)常改變，偏航系統(tǒng)是用來調(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。在自動(dòng)解纜過程中，必須屏蔽自動(dòng)偏航動(dòng)作。大型的機(jī)組在極短的時(shí)間內(nèi)完成制動(dòng)過程，將會(huì)對(duì)機(jī)組的控制系統(tǒng)、齒輪箱、主軸和葉片以及塔架產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。 4) 充電速度快。 如圖 所示，氣流流經(jīng)葉素，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生氣動(dòng)力作用，在垂直于氣流方向產(chǎn)生一個(gè)氣動(dòng)力，即升力 Lf ，同時(shí)，還會(huì)在氣流方向產(chǎn)生一個(gè)阻力 Df 。 設(shè) 1v 為通過風(fēng)輪截面 A 的實(shí)際風(fēng)速， 2v 為風(fēng)輪后方遠(yuǎn)處的風(fēng)速，在單位時(shí)間內(nèi)，從風(fēng)輪前到風(fēng)輪后氣流動(dòng)能的變化量就是為風(fēng)輪所吸收并使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的風(fēng)能E ，即： ? ?22 222 1212 2 2mvmvE A v v v?? ? ? ? 式 () 12 圖 空氣流過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面及其前后的狀況 假設(shè)風(fēng)速 v 己知，而 E 可以看成是 v2的函數(shù)，按照求解一元函數(shù)極值方法，得到風(fēng)輪吸收風(fēng)能最大值為： 3max 827E Av?? 式 () 定義單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪吸收的風(fēng)能 E與通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能之比為風(fēng)能利用系數(shù) PC ，即： P inEC E? 式 () 由貝茲理論可知，理 想 風(fēng)輪的最大理論效率m ax 16 ??，就是說即使轉(zhuǎn)化風(fēng)能過程無損耗，也只能有 % 的風(fēng)能可以為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所用。 圖 不同槳 矩 角條件下，風(fēng)能利用系數(shù)與 葉 尖速比的關(guān)系曲線 14 風(fēng)速特性分析 上文對(duì)于風(fēng)速的空氣動(dòng)力學(xué) 的 分析是基于風(fēng)速在空間均勻分布， 不 隨時(shí) 域變化的前提條件下的。 圖 塔影效應(yīng)對(duì)于氣流的影響 15 對(duì)于上風(fēng)向機(jī)組來說，在塔影坐標(biāo)系下某點(diǎn)處垂直于風(fēng) 輪旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速可以表示為： ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ?22 2 2 2 21 1 1 1 111 2 2 2 21 1 1 1, 1 1 tR x y Y h x yv x y v vx y x y???? ? ? ?????? ? ? ????? ?? 式 () 式中： tR 為塔架半徑，隨塔架高度變化； th 為塔架某點(diǎn)的塔架高度； Y 為塔架半徑修正因子； (tx ， ty )為塔架坐標(biāo)系下的水平兩個(gè)方向坐標(biāo)。轉(zhuǎn)速控制器按照一定的速度上升斜率給出速度的參考值，變槳 矩 系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值， 進(jìn)而 調(diào)整槳葉的槳 矩 角，進(jìn)行速度控制。 欠功率狀態(tài) 欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機(jī) 并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī) 的輸出功率 在額定功率以下運(yùn)行 方式 。 17 變槳 矩 系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 變槳 矩 調(diào)節(jié)原理 變槳 矩 風(fēng)機(jī)的葉片與 輪轂之間采用非剛性聯(lián)結(jié)方式，這時(shí) 葉片可以繞葉片縱梁進(jìn)行 槳 矩 調(diào)節(jié)，使得葉片相對(duì)于風(fēng)向有不同的攻角。 由圖 可知，升力系數(shù) LC 和升阻比 LC / DC 隨攻角 i 的變化而變化。如果 i 減小， ? 將增大。 液壓伺服變槳 矩 執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理如圖 。如圖 所示 [19]。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，充分利用了有限的空間，實(shí)現(xiàn)了分散布置，且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單一槳葉進(jìn)行控制，但對(duì)于大功率風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性相對(duì)較差。其特點(diǎn)是三只葉片的驅(qū)動(dòng)由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，三只葉片的 槳 矩 角調(diào)節(jié)是同步的。液壓變槳系統(tǒng)與電動(dòng) 變 槳 系統(tǒng)的 特點(diǎn)及性能 比較 [21]見表 。國(guó)內(nèi)液壓油缸的整體水平還是與發(fā)達(dá)國(guó)家有著相當(dāng)大的差 矩 的 。液壓膠管是另一種常用的管路，中高端膠管總成中的軟管部分基本上是進(jìn)口軟管。目前 生產(chǎn)風(fēng)機(jī)的原件還是以進(jìn)口產(chǎn)品或跨國(guó)公司在華所設(shè)工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品為主。相比較液壓變槳系統(tǒng)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的優(yōu)勢(shì)也比較明顯。還對(duì)變 槳控制的兩項(xiàng)技術(shù)和四類工況進(jìn)行了論述，從而，設(shè)計(jì)了變槳 矩 控制系統(tǒng)的硬件電路。 額定功率 :要和伺服驅(qū)動(dòng)器相匹配。 PLC按照程序的要求，通過對(duì)來自設(shè)備外圍的按鈕、行程開關(guān)、接觸器點(diǎn)等開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，并控制外圍指示燈、電磁閥、接觸器線圈通斷等功能。 CPU模塊均集成 1 到 2 個(gè)串行通信接口，用于連接外部設(shè)備或組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)體系。 6）數(shù)字鍵：在參數(shù)設(shè)置畫面狀態(tài)，按此鍵則光標(biāo)閃爍位的數(shù)字增加 1；連續(xù)按此鍵，可以設(shè)置所需要的數(shù)值。20%50HZ，直流 12V、 5V可選。 各種傳感器的選型 一 、 風(fēng)速傳感器 FS10 1． 功能 1）液晶：開機(jī)，背光亮，顯示風(fēng)速值 2）工作指示燈：正常運(yùn)行時(shí)，綠燈閃爍。S7200 PLC 可以使用 56 條基本邏輯處理指令、 11 條定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器指令、 4 條實(shí)時(shí)鐘指令、 27 條數(shù)學(xué)運(yùn)算指令、 84 條其他指令，總計(jì)可達(dá) 182 條。