【正文】 ............................................................ 16 IV 額定功率狀態(tài) ....................................................................................... 16 變槳矩系統(tǒng)的原理與結構 ............................................................................. 17 變槳矩調(diào)節(jié)原理 ................................................................................... 17 變槳矩系統(tǒng)分類 ................................................................................... 19 風力發(fā)電機組變槳矩驅(qū)動裝置比較和選擇 ................................................ 21 液壓變槳與電動變槳技術比較 .......................................................... 21 液壓變槳與電動變槳供應鏈分析 ...................................................... 22 本章小結 ......................................................................................................... 24 第三章 變槳系統(tǒng)設備選型與硬件電路設計 ............................................................ 25 變槳系統(tǒng)設備選型 ......................................................................................... 25 伺服電機的選型 ................................................................................... 25 控制器的選型 ....................................................................................... 26 各種傳感器的選型 ............................................................................... 27 控制算法的選擇 ................................................................................... 31 變槳矩控制系統(tǒng) ............................................................................................. 32 本章小結 ......................................................................................................... 35 第四章 變槳系統(tǒng)軟件設計 ........................................................................................ 36 PLC 的介紹和選擇 ........................................................................................ 36 PLC 的定義、特點及組成 .................................................................. 36 PLC 的基本工作原理 .......................................................................... 38 PLC 主要部件的選擇 .......................................................................... 39 編程條件設計 ................................................................................................ 39 控制流程圖設計 ............................................................................................. 42 變槳矩系統(tǒng)程序設計 ..................................................................................... 43 第五章 總結與展望 .................................................................................................... 44 參考文獻： .................................................................................................................. 45 附錄 A .......................................................................................................................... 47 附錄 B .......................................................................................................................... 53 致 謝 ............................................................................................................................ 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。 由于 PID 控制 穩(wěn)定性好、控制算法簡單、 響應速度快 且能實現(xiàn)無差調(diào)節(jié) ， 論文采用 PID 控制算法。風能開發(fā)的重要性已無可爭辯，風力發(fā)電技術也隨之得到迅猛發(fā)展。 基于 STEP 7 MicroWIN SP6 軟件設計 了變槳 矩 控制器相應的軟件 。 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。 隨著風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術的不斷成熟和發(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換效率，從而獲得最大的輸出功率，提高風能利用率。 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，技術也不夠成熟， 發(fā)展 到 90年代中期，世界風力發(fā)電技術取得了突飛猛進的發(fā)展，設計 、 制造技術日趨成熟，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。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。 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。 5）對 本次設計進行思考和總結。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)。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。 風力發(fā)電機組的設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。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。 圖 為雙反饋異步感應電機系統(tǒng)，通過軸承與齒輪箱機構 連接 。 使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。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，紐纜開關動作，報紐纜故障，停機等待人工解纜。緊急停機意味著在極短的時間內(nèi)，風機的制動系統(tǒng)將風機葉輪轉數(shù)由運行時的額定轉速變?yōu)榱恪? 10 3) 儲能巨大。 I 是 refv 和風輪掃掠面的夾角，稱作入流角。由于風輪的旋轉，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]。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)。氣流的塔影效應描述如圖 所示。在發(fā)電機并入電網(wǎng)之前， 發(fā)電機轉速信號 作為 變槳 矩 系統(tǒng)的槳 矩 角 的主要控制量 。當轉速在同步轉速附近保持一段時間 后，發(fā)電機 才 并入電網(wǎng)。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動一個角度，反之則向著迎風面積增大的方向轉動 一個角度 。 根據(jù)力的平衡關系，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。 19 再由式 ()， Ii??? ，這里 i 增大， ? 將減小 。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。電動伺服變槳 矩 執(zhí)行機構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。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。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。 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。 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。通常 是 無縫鋼管經(jīng)冷拔、折彎、表面處理等工序 后 制成 的 ，技術含量 較 低，國內(nèi)廠商 即 可滿足要求。 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。 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。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。 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。使用方便靈活，主要體現(xiàn)在硬件使用和軟件使用上。 CPU 模塊有 46 個高速計數(shù)指定輸入端，用于轉速、 位置、速度等計數(shù)。 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)設置畫面；此時 光標在第一位數(shù)字上閃爍。 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