【文章內容簡介】 以分為：展開式，分流式，同軸式和混合式。圖22展示了齒輪箱的樣式。圖22 風力發(fā)電齒輪箱 偏航系統(tǒng)也稱作對風裝置，被安裝在機艙座內。它的作用是調控葉片隨著風向變化而變化，快速平穩(wěn)地對準風向，以便風機獲得最大的風能；當機艙內引出電纜發(fā)生纏繞時，它會自動解纜。 塔架部件 塔架的功能是支撐位于空中的機艙、輪片等風力發(fā)電主要器件，一般要求高度達到六十米以上，且塔架與地基相連接處要求牢固，能夠承受強大的風力沖擊以及有風力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的不同載荷，將這些載荷接地消除，使得整個系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全地運行下去。塔架內部配置線纜還必須將發(fā)電機運作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網(wǎng)。塔架內部空間大，必須配有爬梯與安全導軌，備以工作人員操作、維護。塔架的幾種基本形式：單管拉線式，衍架拉線式，衍架式和錐筒式。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是整個風力發(fā)電機組的核心部分，它關系到系統(tǒng)中每一個部件的動作和狀態(tài)。通常使用PLC，或者DSP微機處理器作為控制器件，它們功能強大，能夠應付惡劣的工作環(huán)境，所以受到廣泛應用?？刂葡到y(tǒng)的功能主要有對運行過程的模擬量和數(shù)字量進行采集、傳遞、分析、運算，從而做出命令控制風電機組的運行，使得功率輸出穩(wěn)定，轉速在合理的范圍內；若出現(xiàn)故障或者遇到異常情況可以快速準確地檢測到并且分析原因，做出相應的保護措施或停機?？刂葡到y(tǒng)通常由各種傳感器，微機處理器，編程控制器，軟件系統(tǒng)和執(zhí)行機構組成。圖23為風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)示意圖。圖23 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng) 風能理論簡介 風速和風能瞬時風速是指風速的瞬時值[8]。它只可給出相關風的近似概念，并且因為傳感器的慣性作用，風速的瞬時值只能近似地測量。瞬時風速V用平均風速Vm加上風的波動分v來表示：V=Vm+v （） 風速為v，當風吹過葉輪時，葉輪受力轉動。假設m為氣體質量，ρ為空氣密度。根據(jù)空氣流體力學可知，在一秒中流向風輪的空氣具有的動能為：E=189。mv2 （）單位時間里氣體流過截面S的氣體體積是V，那么V=Sv （） 單位氣體體積的質量為m=ρV=ρvS （） 流動氣體具有的動能為E=189。mv2=189。v3ρS （） 據(jù)風能表達式可知，風能的大小與流過截面的面積和氣體的密度相關且成正比，與氣體流速的立方也成正比。氣體密度和速度都隨著海拔高度的變化而變化。P為當?shù)卮髿鈮?，t為當?shù)卮髿鈮?，則氣體密度計算公式：ρ= （） （） 本章小結 本章主要介紹了風力發(fā)電機組的四個主要組成部分：風輪及其組件、機艙及其組件、塔架部件和控制系統(tǒng)，詳細介紹了它們的構造和功能。最后還介紹了相關的風能理論知識。3 設計方案和電氣元件選型 設計方案風力發(fā)電的主要工作原理：機械能轉化為電能，這也是發(fā)電機工作的原理?？刂品矫娴墓ぷ髟砑斑^程為：當系統(tǒng)的總開關合上后，可編程控制器初始化，測速傳感器感知到風速模擬信號A/D轉換后并且傳輸給PLC，處理中心則將模擬量與額定參數(shù)進行比較，若在參數(shù)范圍內則啟動系統(tǒng)中的發(fā)電機，不在參數(shù)范圍內則報警手動停機。發(fā)電機運作后，在運作過程中溫度傳感器、風向傳感器、測速傳感器將測得的各類參數(shù)模擬量A/D轉換后傳送給PLC進行分析，PLC根據(jù)分析后的結果，做出相應的動作，例如啟動發(fā)電機開始工作，隨風向的變化驅動電機隨之旋轉，繞纜時自動停機，運行冷卻機當機艙或塔架溫度過高時，變壓器運作控制等。一般設計的風力發(fā)電設備如果遇到突發(fā)情況，沙塵暴或是暴風，風速突然加大，測速傳感器要及時傳送模擬量，經(jīng)PLC分析后立即做出停機措施。最后還有將輸出的直流電流經(jīng)過濾波器濾波，送入電流變換裝置成為三相交流電，這兩部分控制要求在本文中不涉及。據(jù)系統(tǒng)功能的要求，本文將對風力發(fā)電系統(tǒng)的啟動，發(fā)電機控制，偏航控制、溫度模糊控制以及變壓器控制著重進行研究?？刂祈樞驗椋紫认到y(tǒng)初始化啟動后，進行發(fā)電機啟動，接著進行偏航控制，然后控制溫度的變化，最后控制變壓器的啟動與停止。了解該設計所需用到的電器元件，對各種元件進行選型。在設計中四個基本控制要求是：（1）發(fā)電機啟動之前，將外界風速模擬量轉換后傳送至內存單元，與正常發(fā)電的風速范圍進行比較，不在范圍內則警報進行手動停機，在范圍內則啟動發(fā)電機；（2）事先編制好風向標夾角的角度區(qū)間，啟動發(fā)電機后，將外界風向模擬量轉換后傳送給控制器，將角度數(shù)據(jù)分析后歸相應角度區(qū)間進行控制，運作向左偏航電機或者向右偏航電機，使之偏轉到合適風向范圍內；（3）對機艙和塔架內部的溫度進行控制，因為是對模擬量的閉環(huán)控制，所以采用PID控制方法。系統(tǒng)內分為機艙控制單元與塔架控制單元，打開進氣閥排放冷氣流，間隔一定時間檢測室溫，溫度太高則使得進氣閥繼續(xù)進氣，溫度低于設定值停止進氣，使得溫度恒定在安全范圍內；（4）根據(jù)發(fā)電機運行狀態(tài)來控制變壓器的啟動與停止。 系統(tǒng)整體設計本文中，控制方式將采取順序控制和中斷控制。主要流程如下：啟動后PLC開始初始化，用風速傳感器檢測外界風力的大小，在發(fā)電允許范圍內將控制發(fā)電機啟動，風速檢測值過大，則要報警并且進行手動停機。在正常風速范圍內，發(fā)電機啟動，接下來進行各類控制，控制的目的是使風力得到最大程度的利用。首先是偏航自動控制，由于風向不同導致風能吸收率下降，控制航向使風輪機頭部隨風向轉動，還可以防止繞纜的危險；然后是溫度模糊控制，控制對象是機艙和塔架內部這兩部分使溫度保持在恒定數(shù)值。因為是對模擬量的閉環(huán)控制，所以針對溫度的變化采用PID控制方法。最后是變壓器的控制。圖31表示這個系統(tǒng)流程框圖：Y啟動控制器初始化采集風速參數(shù)大于額定參數(shù) 啟動發(fā)電機偏航控制停機溫度控制N變壓器控制圖 31 系統(tǒng)程序流程圖 具體模塊設計根據(jù)系統(tǒng)不同方面的功能，將整個系統(tǒng)分為四個主要模塊：發(fā)電機啟動模塊、偏航控制模塊、溫度控制模塊和變壓器控制模塊。下來具體說明每個模塊的主要功能、控制過程以及控制流程圖。（1）發(fā)電機啟動模塊這一模塊的功能是啟動系統(tǒng)總開關，PLC初始化。風速傳感器采集了外界風速模擬值，將風速反饋給PLC，假如風速過大，不符合發(fā)電的風速要求，若風速太大或者太小，不穩(wěn)定狀況時，PLC則可以向工作人員報警，工作人員可以選擇手動停機；假如風速在合理的范圍內，系統(tǒng)則啟動發(fā)電機，發(fā)電機將風能轉換為電能，并在此時發(fā)電機信號燈顯示發(fā)電機在工作，系統(tǒng)信號燈顯示表示系統(tǒng)運行。N發(fā)電機啟動模塊的順序控制流程圖如下：NY圖 32 初始化啟動控制流程圖（2）偏航控制模塊偏航控制系統(tǒng)包含偏航控制機構與偏航驅動機構[5]。偏航控制機構用于控制風輪機葉片跟隨風向的變化而變化；偏航驅動機構是用于驅動偏航系統(tǒng)運作，停止的，它包含有偏航驅動裝置、制動裝置以及偏航軸承。偏航驅動裝置常用伺服電動機和偏航減速齒輪。通常風電機偏航控制系統(tǒng)有三種控制方式：風向標控制的迎風自動偏航、風向標控制90176。側風和自動解纜控制。其中風向標控制的迎風自動偏航是偏航控制最主要的內容。在本文中涉及到的偏航控制指的即為風向標控制的迎風自動偏航。偏航控制系統(tǒng)的工作原理是通過風向傳感器檢測外界風向，將風向模擬信號A/D轉換后傳遞給PLC，PLC內部計算風向的夾角，與參定值進行比較是否達到要求，不符要求的話調整航向，PLC需要發(fā)出信號給偏航驅動機構，偏航驅動機構驅動機艙轉變角度使之達到最佳的角度，從而使風能的吸收率最大化[6]。這是個典型的位置伺服控制系統(tǒng)。偏航控制系統(tǒng)模塊主要實現(xiàn)風輪機隨風向轉動功能。在本文中，設計一個偏航工作區(qū)間為145176。215176。的控制系統(tǒng)，控制次數(shù)僅為一次。為了保證風力發(fā)電機組吸收風能達到最佳的效能，機艙必須對準實時風向。只有風輪回轉面垂直于風向，即風力發(fā)電機的風輪法線與風向一致，風電機吸收的功率最大。因此確定對風目標為風輪回轉面與風向垂直。當風向發(fā)生改變，超出允許誤差范圍時，控制器發(fā)出自動偏航指令，風向傳感器和偏左、偏右電動機組成的自動對風系統(tǒng)執(zhí)行校正動作。使得機艙能夠準確地對風[7]。偏航電機是電磁制動三相異步電動機。電機接電源后，制動裝置的整流器也隨之接通電源，線圈通電產(chǎn)生磁力吸引銜鐵進行制動，經(jīng)過摩擦力矩的阻礙，電動機即會停止轉動。根據(jù)風向傳感器信號得到的風向標夾角信號給出偏航控制指令，當角度為180176。時，表明機艙位置已對準風向，在171176。189176。之間屬于測量傳感器誤差范圍內，偏航系統(tǒng)將不做任何控制動作。當角度155176。時，向右偏航電機將連續(xù)工作90秒，當角度在155176。165176。之間，向右偏航電機將連續(xù)工作50秒，當角度在165176。171176。之間，向右偏航電機將連續(xù)工作20秒。當角度在189176。195176。時，向左偏航電機將連續(xù)工作20秒，當角度在195176。205176。之間，向左偏航電機將連續(xù)工作50秒，當角度在205176。之間，向左偏航電機將連續(xù)工作90秒。可以看出，偏轉10176。大約需要30秒，這是由電動機的工作頻率與齒輪的齒數(shù)決定的[8]。以上所述的角度區(qū)間控制原理可以用圖33進行表示：圖 33 偏航角度區(qū)間控制原理圖偏航控制系統(tǒng)模塊的順序控制流程圖如圖34，從圖中可以看出，偏航控制的次數(shù)僅為一次，若要求再次進行偏航控制，必須將機艙水平軸撥到與風輪回轉面垂直的位置。其中偏航電機的工作是根據(jù)不同的風向夾角度，控制電機向左或向右持續(xù)偏轉一定時間，使風向夾角度保持在一定的角度范圍內。圖 34 偏航控制流程圖（3）溫度控制模塊在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用溫度傳感器檢測溫度，送入PLC的模擬量的輸入模塊，進行A/D轉換將傳感器輸出的模擬信號轉換為與溫度成比例的標準的數(shù)字信號，PLC將它與溫度參定值進行比較，按照PID控制算法對誤差進行運算，將運算結果再送入模擬量輸出模塊，進行D/A轉換為模擬信號，將電力設備運作產(chǎn)生的熱氣排出室外，并且控制冷卻機運作，向室內傳送冷氣流進行降溫，這樣實現(xiàn)對溫度的閉環(huán)控制。這一過程中，被控對象為機艙的溫度[8]。由于氣體壓力波動，各元器件溫度各不相同，溫度不勻等擾動因素影響，會破壞機艙溫度的穩(wěn)定，通過閉環(huán)控制可以有效地抑制各種擾動因素的影響，使控制更加有效。本文中，溫度控制模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)將采用PID控制。PID控制器因為具有不需要被控對象的數(shù)學模型，結構簡單容易實現(xiàn)，有很強的靈活性、實用性，使用方便等優(yōu)點，所以將有效地提高PLC設計效率。c(t) pυ(t)M(t)sp(t)e (t)機艙溫度控制PLCA/D圖35為機艙和塔架內部溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)：D/A溫度傳感器圖 35溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)圖圖中sp(t)是給定值，pυ(t)是反饋量，c(t)是系統(tǒng)的輸出量，PID控制的輸入輸出關系式如下：M(t)=Kc[e(t)+(1/TI)+(de(t)/)/dt]+Mo(t) ()其中Kc為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)[9]。比例系數(shù)Kc反應控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)作用立即產(chǎn)生調節(jié)作用，使得系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。積分系數(shù)TI使得系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現(xiàn)對設定值的無靜差跟蹤。微分系數(shù)TD反應系統(tǒng)偏差的變化率，預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。在這個溫控系統(tǒng)中，控制器的參數(shù)的整定方法是工程整定法，主要依賴于工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，并且方法簡單、容易掌握。實驗湊試法是通過閉環(huán)運行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應曲線，從而確定PID控制參數(shù)。實驗湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。第一進行整定比例控制。將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至出現(xiàn)反應快、超調量小的響應曲線。E(k)Et=0t()P(k)KC*Et=0t()(a)偏差階躍變化 (b)比例整定作用圖 36 偏差階躍變化經(jīng)比例整定圖第二進行整定積分環(huán)節(jié)。在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求時，則需要加入積分控制。將第一個步驟中選擇的比例系數(shù)減少到原來的50%80%，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并且相應調整比例系數(shù)，反復湊試至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。P(k)KC*Et=0t()積分時間P(k)Td*Et=0t()微分時間第三進行是微分環(huán)節(jié)。經(jīng)過步驟二，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，此時應該加入微分控制，構成PID控制。首先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，反復湊試直至獲得滿意的控制效果。