【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以分為：展開(kāi)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(fēng)力發(fā)電齒輪箱 偏航系統(tǒng)也稱作對(duì)風(fēng)裝置，被安裝在機(jī)艙座內(nèi)。它的作用是調(diào)控葉片隨著風(fēng)向變化而變化，快速平穩(wěn)地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，以便風(fēng)機(jī)獲得最大的風(fēng)能；當(dāng)機(jī)艙內(nèi)引出電纜發(fā)生纏繞時(shí)，它會(huì)自動(dòng)解纜。 塔架部件 塔架的功能是支撐位于空中的機(jī)艙、輪片等風(fēng)力發(fā)電主要器件，一般要求高度達(dá)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(qiáng)大的風(fēng)力沖擊以及有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行引起的不同載荷，將這些載荷接地消除，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全地運(yùn)行下去。塔架內(nèi)部配置線纜還必須將發(fā)電機(jī)運(yùn)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(nèi)部空間大，必須配有爬梯與安全導(dǎo)軌，備以工作人員操作、維護(hù)。塔架的幾種基本形式：?jiǎn)喂芾€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(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部分，它關(guān)系到系統(tǒng)中每一個(gè)部件的動(dòng)作和狀態(tài)。通常使用PLC，或者DSP微機(jī)處理器作為控制器件，它們功能強(qiáng)大，能夠應(yīng)付惡劣的工作環(huán)境，所以受到廣泛應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)的功能主要有對(duì)運(yùn)行過(guò)程的模擬量和數(shù)字量進(jìn)行采集、傳遞、分析、運(yùn)算，從而做出命令控制風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行，使得功率輸出穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速在合理的范圍內(nèi)；若出現(xiàn)故障或者遇到異常情況可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)到并且分析原因，做出相應(yīng)的保護(hù)措施或停機(jī)?？刂葡到y(tǒng)通常由各種傳感器，微機(jī)處理器，編程控制器，軟件系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。圖23為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)示意圖。圖23 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng) 風(fēng)能理論簡(jiǎn)介 風(fēng)速和風(fēng)能瞬時(shí)風(fēng)速是指風(fēng)速的瞬時(shí)值[8]。它只可給出相關(guān)風(fēng)的近似概念，并且因?yàn)閭鞲衅鞯膽T性作用，風(fēng)速的瞬時(shí)值只能近似地測(cè)量。瞬時(shí)風(fēng)速V用平均風(fēng)速Vm加上風(fēng)的波動(dòng)分v來(lái)表示：V=Vm+v （） 風(fēng)速為v，當(dāng)風(fēng)吹過(guò)葉輪時(shí)，葉輪受力轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)m為氣體質(zhì)量，ρ為空氣密度。根據(jù)空氣流體力學(xué)可知，在一秒中流向風(fēng)輪的空氣具有的動(dòng)能為：E=189。mv2 （）單位時(shí)間里氣體流過(guò)截面S的氣體體積是V，那么V=Sv （） 單位氣體體積的質(zhì)量為m=ρV=ρvS （） 流動(dòng)氣體具有的動(dòng)能為E=189。mv2=189。v3ρS （） 據(jù)風(fēng)能表達(dá)式可知，風(fēng)能的大小與流過(guò)截面的面積和氣體的密度相關(guān)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(dāng)?shù)卮髿鈮海瑃為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，則氣體密度計(jì)算公式：ρ= （） （） 本章小結(jié) 本章主要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的四個(gè)主要組成部分：風(fēng)輪及其組件、機(jī)艙及其組件、塔架部件和控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了它們的構(gòu)造和功能。最后還介紹了相關(guān)的風(fēng)能理論知識(shí)。3 設(shè)計(jì)方案和電氣元件選型 設(shè)計(jì)方案風(fēng)力發(fā)電的主要工作原理：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這也是發(fā)電機(jī)工作的原理?？刂品矫娴墓ぷ髟砑斑^(guò)程為：當(dāng)系統(tǒng)的總開(kāi)關(guān)合上后，可編程控制器初始化，測(cè)速傳感器感知到風(fēng)速模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換后并且傳輸給PLC，處理中心則將模擬量與額定參數(shù)進(jìn)行比較，若在參數(shù)范圍內(nèi)則啟動(dòng)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)，不在參數(shù)范圍內(nèi)則報(bào)警手動(dòng)停機(jī)。發(fā)電機(jī)運(yùn)作后，在運(yùn)作過(guò)程中溫度傳感器、風(fēng)向傳感器、測(cè)速傳感器將測(cè)得的各類參數(shù)模擬量A/D轉(zhuǎn)換后傳送給PLC進(jìn)行分析，PLC根據(jù)分析后的結(jié)果，做出相應(yīng)的動(dòng)作，例如啟動(dòng)發(fā)電機(jī)開(kāi)始工作，隨風(fēng)向的變化驅(qū)動(dòng)電機(jī)隨之旋轉(zhuǎn)，繞纜時(shí)自動(dòng)停機(jī)，運(yùn)行冷卻機(jī)當(dāng)機(jī)艙或塔架溫度過(guò)高時(shí)，變壓器運(yùn)作控制等。一般設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備如果遇到突發(fā)情況，沙塵暴或是暴風(fēng)，風(fēng)速突然加大，測(cè)速傳感器要及時(shí)傳送模擬量，經(jīng)PLC分析后立即做出停機(jī)措施。最后還有將輸出的直流電流經(jīng)過(guò)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(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)控制，偏航控制、溫度模糊控制以及變壓器控制著重進(jìn)行研究?？刂祈樞?yàn)?，首先系統(tǒng)初始化啟動(dòng)后，進(jìn)行發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，接著進(jìn)行偏航控制，然后控制溫度的變化，最后控制變壓器的啟動(dòng)與停止。了解該設(shè)計(jì)所需用到的電器元件，對(duì)各種元件進(jìn)行選型。在設(shè)計(jì)中四個(gè)基本控制要求是：（1）發(fā)電機(jī)啟動(dòng)之前，將外界風(fēng)速模擬量轉(zhuǎn)換后傳送至內(nèi)存單元，與正常發(fā)電的風(fēng)速范圍進(jìn)行比較，不在范圍內(nèi)則警報(bào)進(jìn)行手動(dòng)停機(jī)，在范圍內(nèi)則啟動(dòng)發(fā)電機(jī)；（2）事先編制好風(fēng)向標(biāo)夾角的角度區(qū)間，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)后，將外界風(fēng)向模擬量轉(zhuǎn)換后傳送給控制器，將角度數(shù)據(jù)分析后歸相應(yīng)角度區(qū)間進(jìn)行控制，運(yùn)作向左偏航電機(jī)或者向右偏航電機(jī)，使之偏轉(zhuǎn)到合適風(fēng)向范圍內(nèi)；（3）對(duì)機(jī)艙和塔架內(nèi)部的溫度進(jìn)行控制，因?yàn)槭菍?duì)模擬量的閉環(huán)控制，所以采用PID控制方法。系統(tǒng)內(nèi)分為機(jī)艙控制單元與塔架控制單元，打開(kāi)進(jìn)氣閥排放冷氣流，間隔一定時(shí)間檢測(cè)室溫，溫度太高則使得進(jìn)氣閥繼續(xù)進(jìn)氣，溫度低于設(shè)定值停止進(jìn)氣，使得溫度恒定在安全范圍內(nèi)；（4）根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)來(lái)控制變壓器的啟動(dòng)與停止。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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：?jiǎn)?dòng)后PLC開(kāi)始初始化，用風(fēng)速傳感器檢測(cè)外界風(fēng)力的大小，在發(fā)電允許范圍內(nèi)將控制發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，風(fēng)速檢測(cè)值過(guò)大，則要報(bào)警并且進(jìn)行手動(dòng)停機(jī)。在正常風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，接下來(lái)進(jìn)行各類控制，控制的目的是使風(fēng)力得到最大程度的利用。首先是偏航自動(dòng)控制，由于風(fēng)向不同導(dǎo)致風(fēng)能吸收率下降，控制航向使風(fēng)輪機(jī)頭部隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)，還可以防止繞纜的危險(xiǎn)；然后是溫度模糊控制，控制對(duì)象是機(jī)艙和塔架內(nèi)部這兩部分使溫度保持在恒定數(shù)值。因?yàn)槭菍?duì)模擬量的閉環(huán)控制，所以針對(duì)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(gè)系統(tǒng)流程框圖：Y啟動(dòng)控制器初始化采集風(fēng)速參數(shù)大于額定參數(shù) 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)偏航控制停機(jī)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(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)不同方面的功能，將整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)主要模塊：發(fā)電機(jī)啟動(dòng)模塊、偏航控制模塊、溫度控制模塊和變壓器控制模塊。下來(lái)具體說(shuō)明每個(gè)模塊的主要功能、控制過(guò)程以及控制流程圖。（1）發(fā)電機(jī)啟動(dòng)模塊這一模塊的功能是啟動(dòng)系統(tǒng)總開(kāi)關(guān)，PLC初始化。風(fēng)速傳感器采集了外界風(fēng)速模擬值，將風(fēng)速反饋給PLC，假如風(fēng)速過(guò)大，不符合發(fā)電的風(fēng)速要求，若風(fēng)速太大或者太小，不穩(wěn)定狀況時(shí)，PLC則可以向工作人員報(bào)警，工作人員可以選擇手動(dòng)停機(jī)；假如風(fēng)速在合理的范圍內(nèi)，系統(tǒng)則啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，并在此時(shí)發(fā)電機(jī)信號(hào)燈顯示發(fā)電機(jī)在工作，系統(tǒng)信號(hào)燈顯示表示系統(tǒng)運(yùn)行。N發(fā)電機(jī)啟動(dòng)模塊的順序控制流程圖如下：NY圖 32 初始化啟動(dòng)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(jī)構(gòu)與偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[5]。偏航控制機(jī)構(gòu)用于控制風(fēng)輪機(jī)葉片跟隨風(fēng)向的變化而變化；偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用于驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)運(yùn)作，停止的，它包含有偏航驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置以及偏航軸承。偏航驅(qū)動(dòng)裝置常用伺服電動(dòng)機(jī)和偏航減速齒輪。通常風(fēng)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)有三種控制方式：風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動(dòng)偏航、風(fēng)向標(biāo)控制90176。側(cè)風(fēng)和自動(dòng)解纜控制。其中風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動(dòng)偏航是偏航控制最主要的內(nèi)容。在本文中涉及到的偏航控制指的即為風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動(dòng)偏航。偏航控制系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)風(fēng)向傳感器檢測(cè)外界風(fēng)向，將風(fēng)向模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換后傳遞給PLC，PLC內(nèi)部計(jì)算風(fēng)向的夾角，與參定值進(jìn)行比較是否達(dá)到要求，不符要求的話調(diào)整航向，PLC需要發(fā)出信號(hào)給偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)艙轉(zhuǎn)變角度使之達(dá)到最佳的角度，從而使風(fēng)能的吸收率最大化[6]。這是個(gè)典型的位置伺服控制系統(tǒng)。偏航控制系統(tǒng)模塊主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)功能。在本文中，設(shè)計(jì)一個(gè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能達(dá)到最佳的效能，機(jī)艙必須對(duì)準(zhǔn)實(shí)時(shí)風(fēng)向。只有風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直于風(fēng)向，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪法線與風(fēng)向一致，風(fēng)電機(jī)吸收的功率最大。因此確定對(duì)風(fēng)目標(biāo)為風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面與風(fēng)向垂直。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變，超出允許誤差范圍時(shí)，控制器發(fā)出自動(dòng)偏航指令，風(fēng)向傳感器和偏左、偏右電動(dòng)機(jī)組成的自動(dòng)對(duì)風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動(dòng)作。使得機(jī)艙能夠準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)[7]。偏航電機(jī)是電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。電機(jī)接電源后，制動(dòng)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(jìn)行制動(dòng)，經(jīng)過(guò)摩擦力矩的阻礙，電動(dòng)機(jī)即會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)風(fēng)向傳感器信號(hào)得到的風(fēng)向標(biāo)夾角信號(hào)給出偏航控制指令，當(dāng)角度為180176。時(shí)，表明機(jī)艙位置已對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，在171176。189176。之間屬于測(cè)量傳感器誤差范圍內(nèi)，偏航系統(tǒng)將不做任何控制動(dòng)作。當(dāng)角度155176。時(shí)，向右偏航電機(jī)將連續(xù)工作90秒，當(dāng)角度在155176。165176。之間，向右偏航電機(jī)將連續(xù)工作50秒，當(dāng)角度在165176。171176。之間，向右偏航電機(jī)將連續(xù)工作20秒。當(dāng)角度在189176。195176。時(shí)，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作20秒，當(dāng)角度在195176。205176。之間，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作50秒，當(dāng)角度在205176。之間，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作90秒?？梢钥闯觯D(zhuǎn)10176。大約需要30秒，這是由電動(dòng)機(jī)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(jìn)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(jìn)行偏航控制，必須將機(jī)艙水平軸撥到與風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直的位置。其中偏航電機(jī)的工作是根據(jù)不同的風(fēng)向夾角度，控制電機(jī)向左或向右持續(xù)偏轉(zhuǎn)一定時(shí)間，使風(fēng)向夾角度保持在一定的角度范圍內(nèi)。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(cè)溫度，送入PLC的模擬量的輸入模塊，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為與溫度成比例的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，PLC將它與溫度參定值進(jìn)行比較，按照PID控制算法對(duì)誤差進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果再送入模擬量輸出模塊，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，將電力設(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生的熱氣排出室外，并且控制冷卻機(jī)運(yùn)作，向室內(nèi)傳送冷氣流進(jìn)行降溫，這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。這一過(guò)程中，被控對(duì)象為機(jī)艙的溫度[8]。由于氣體壓力波動(dòng)，各元器件溫度各不相同，溫度不勻等擾動(dòng)因素影響，會(huì)破壞機(jī)艙溫度的穩(wěn)定，通過(guò)閉環(huán)控制可以有效地抑制各種擾動(dòng)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?yàn)榫哂胁恍枰豢貙?duì)象的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，有很強(qiáng)的靈活性、實(shí)用性，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以將有效地提高PLC設(shè)計(jì)效率。c(t) pυ(t)M(t)sp(t)e (t)機(jī)艙溫度控制PLCA/D圖35為機(jī)艙和塔架內(nèi)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(guān)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(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)[9]。比例系數(shù)Kc反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使得系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢(shì)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(wú)差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無(wú)靜差跟蹤。微分系數(shù)TD反應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率，預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，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(méi)有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。在這個(gè)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(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，并且方法簡(jiǎn)單、容易掌握。實(shí)驗(yàn)湊試法是通過(guò)閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)曲線，從而確定PID控制參數(shù)。實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。第一進(jìn)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(yīng)，直至出現(xiàn)反應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)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(jìn)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(shí)，則需要加入積分控制。將第一個(gè)步驟中選擇的比例系數(shù)減少到原來(lái)的50%80%，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并且相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)湊試至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。P(k)KC*Et=0t()積分時(shí)間P(k)Td*Et=0t()微分時(shí)間第三進(jìn)行是微分環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)步驟二，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，此時(shí)應(yīng)該加入微分控制，構(gòu)成PID控制。首先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)湊試直至獲得滿意的控制效果。