【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 確提出了裝備先行、市場(chǎng)化的發(fā)展戰(zhàn)略。 其中 20xx 年 1 月 1 日正式實(shí)施的《中華人民共和國(guó)可再生能源法》。推動(dòng)了我國(guó)大型風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)。甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江、江蘇都紛紛開(kāi)始上馬動(dòng)輒 10 億元的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目 [7]。 課題研究的背景和意義 在傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，控制方法存在諸多不足，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程繁瑣，可靠性穩(wěn)定性不強(qiáng)等眾多因素引起較大的能量損失，致使風(fēng)力發(fā)電的成本仍高于常規(guī)電力成本。而控制系統(tǒng)以 PLC 為主控制器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程方便，可實(shí)施性強(qiáng)，并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可靠 性高，易于維護(hù)，能夠直觀的反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的變化狀態(tài)，通過(guò)編程工具能夠直接觀測(cè)出系統(tǒng)的運(yùn)行情況，為維護(hù)人員查找故障提供了極大的方便，從而縮短了對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)時(shí)間。新型的控制算法正在不斷的研究和應(yīng)用，可以大大的提高風(fēng)能的利用率，有效的提高了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量，從而不斷降低了風(fēng)力發(fā)電的成本。 在今后的幾十年內(nèi)，國(guó)際上風(fēng)力發(fā)電行業(yè)將是發(fā)展和增長(zhǎng)速度最快的行業(yè)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也將進(jìn)入其發(fā)展迅速的黃金時(shí)期；在我國(guó)國(guó)內(nèi)，并網(wǎng)型 風(fēng)電機(jī)組 裝機(jī)容量的增長(zhǎng)速度明顯在加快，離網(wǎng)型 風(fēng)電機(jī)組 的發(fā)展地域性廣，潛力大，裝機(jī)總?cè)萘繉⒆罱K超越并網(wǎng)型的 風(fēng)電機(jī)組 。與此同時(shí)，基于 PLC 為主控制器的控制系統(tǒng)也將會(huì)得到越來(lái)越廣闊的發(fā)展空間 [8]。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 系統(tǒng)構(gòu)成 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 圖 所示為風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對(duì)此控制系統(tǒng)，選用集散型或分布式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組選用的形式。 風(fēng)電機(jī)組 的控制系統(tǒng)包括 PLC 系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集接口、偏航系統(tǒng)、變槳距系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)、并網(wǎng)控制器和液壓控制系統(tǒng)。 PLC 是機(jī)組控制系統(tǒng)的核心，它與 風(fēng)電機(jī)組 的其他部分密切聯(lián)系，保證機(jī)組的效率和安全 [9]。 圖 21 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 偏航控制系統(tǒng) 風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)也稱為對(duì)風(fēng)裝置，它是 風(fēng)電機(jī)組 特有的伺服系統(tǒng) 。它 主要有以下兩個(gè)功能 ：一是要控制風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向，以便風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能；二是當(dāng) 風(fēng)電機(jī)組 由于偏航作用，機(jī)艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時(shí)，自動(dòng)解除纏繞。 小微型風(fēng)力機(jī) 指發(fā)電功率在 10 千瓦及其以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于小型風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體型較小，它 常用尾翼作為調(diào)向機(jī)構(gòu)。尾翼 裝在尾桿上與風(fēng)輪軸平行或成一定的角度。為了避免尾流的影響，也可將尾翼上翹，裝在較高的位置。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 中小型風(fēng)機(jī)可用舵輪作為調(diào)向系統(tǒng)。 當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，位于風(fēng)輪后面兩舵輪（其旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面相垂直）旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)一套齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)使風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)，當(dāng)風(fēng)輪重新對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向后，舵輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)， 偏航 結(jié)束 [10]。 大中型風(fēng)力機(jī)一般采用電動(dòng)的偏航系統(tǒng)來(lái)調(diào)整風(fēng)輪并使其對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。偏航系統(tǒng)一般包括感應(yīng)風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo) ，偏航電機(jī)，偏航行星齒輪減速器，回轉(zhuǎn)體大齒輪等。其工作原理如下： 主控制器接受完風(fēng)速風(fēng)向傳感器的風(fēng)信號(hào)后，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出風(fēng)向與機(jī)艙位置的夾角，從而判斷機(jī)艙向哪個(gè)方向進(jìn)行偏航。同時(shí)主控制器發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)偏航電機(jī)，以調(diào)整機(jī)艙的方向，達(dá)到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的目的 [11]。 關(guān)于偏航系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)將在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。 液壓控制系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的液壓系統(tǒng)屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一種動(dòng)力系統(tǒng)，它的主要功能是為變漿控制裝置、安全漿距控制裝置、偏航驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)裝置、停機(jī)制動(dòng)裝置提供液壓驅(qū)動(dòng)力。風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)是一個(gè)公共服務(wù)系統(tǒng)，它為風(fēng)力發(fā)電機(jī)上一切使用液壓作為驅(qū)動(dòng)力裝置提供動(dòng)力。在定槳距 風(fēng)電機(jī)組 中，液壓系統(tǒng)的主要任務(wù)是驅(qū)動(dòng) 風(fēng)電機(jī)組 的氣動(dòng)剎車和機(jī)械剎車；在變槳距 風(fēng)電機(jī)組 中，液壓系統(tǒng)主要控制變距機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) 風(fēng)電機(jī)組 的轉(zhuǎn)速控制、功率控制，同時(shí)也制控機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)。 定槳距 風(fēng)電機(jī)組 的液壓系統(tǒng) 定槳距 風(fēng)電機(jī)組 的液壓系統(tǒng)實(shí)際上是制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要用來(lái)執(zhí)行 風(fēng)電機(jī)組 的開(kāi)關(guān)機(jī)指令。通常它由兩個(gè)壓力保持回路組成，一路通過(guò)蓄能器供給葉尖擾流器，另一路通過(guò)蓄能器供給機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)。這兩個(gè)回路的工作任務(wù)是使機(jī)組運(yùn)行時(shí)制動(dòng)機(jī)構(gòu)始終保持壓力。當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，兩回路中的常開(kāi)電磁閥先后失電，葉尖擾流器一路壓力油被泄回油箱，葉尖動(dòng)作；稍后，機(jī)械剎車一路壓力油進(jìn)入剎車油缸，驅(qū)動(dòng)剎車夾鉗，使葉輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在兩個(gè)回路中各裝有兩個(gè)壓力傳感器，以指示系統(tǒng)壓力，控制液壓泵站補(bǔ)油和確定剎車機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。 變槳距 風(fēng)電 機(jī)組 的液壓系統(tǒng) 變槳距 風(fēng)電機(jī)組 的液壓系統(tǒng)與定槳距 風(fēng)電機(jī)組 的液壓系統(tǒng)很相似，也由兩個(gè)壓力保持回路組成。一路由蓄能器通過(guò)電液比例閥供給葉片變 漿距 油缸，另一路由蓄能器供給高速軸上的機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)。圖 22 為 VESTASV39 型 風(fēng)電機(jī)組 液壓系統(tǒng)。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 22 變槳距 風(fēng)電機(jī)組 液壓 系統(tǒng) 1— 油箱 2— 油位開(kāi)關(guān) 3— 空氣濾清器 4— 溫度傳感器 5— 液壓泵 6— 聯(lián)軸器 7— 電動(dòng)機(jī) 8— 主模塊 9— 壓力測(cè)試口 10— 濾清器 11— 單向閥 12 壓力傳感器 13— 溢流閥 14— 壓力表 15— 壓力表接口 16— 蓄能器 17— 節(jié)流閥 18— 可調(diào)節(jié)流閥 19— 電磁閥 20— 比例閥 21— 電磁閥 22— 減壓閥 23— 壓力開(kāi)關(guān) 24— 先導(dǎo)止回閥 （ 1） 液壓泵站 液壓泵站的動(dòng)力源是齒輪泵 5，為變距回路和制動(dòng)器回路所共 用 。液壓泵安裝在油箱油面以下并通過(guò)聯(lián)軸器 6，由油箱上部的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。泵的流量變化根據(jù)負(fù)載而定。 液壓泵由壓力傳感器 12 的信號(hào)控制。當(dāng)泵停止時(shí)，系統(tǒng)由蓄能器 16 保持壓力。系統(tǒng)的工作壓力設(shè)定范圍為 130— 145bar。當(dāng)壓力降至 130bar 以下時(shí)，泵起動(dòng)；在 145bar 時(shí)，泵停止。在運(yùn)行、暫停和停止?fàn)顟B(tài)，泵根據(jù)壓力傳感器的信號(hào)自動(dòng)工作，在緊急停機(jī)狀態(tài)，泵將被迅速 斷路而關(guān)閉。 （ 2） 變 漿 控制 液壓變槳距控制機(jī)構(gòu)屬于電液伺服系統(tǒng)，變槳距液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu) 是 槳葉通過(guò)機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)與液壓缸相連接 ,節(jié)距角的變化同液壓缸位移基本成正比。 變 漿 控制系統(tǒng)的節(jié)距控制是通過(guò)比例閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在圖 中，控制器根據(jù)功率或轉(zhuǎn)速信號(hào)給出一個(gè)（－ 10＋ 10） V 的控制電壓，通過(guò)比例閥控制器轉(zhuǎn)換成一定范圍的電流信號(hào)，控制比例閥輸出流量的方向和大小。點(diǎn)劃線內(nèi)是帶控制放大器的比例閥，設(shè)有內(nèi)部 LVDT 反饋。變距 油缸按比例閥輸出的方向和流量操縱葉片節(jié)距在－ 5176?！?88176。之間運(yùn)動(dòng)。為了提高整個(gè)變距系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在變距油缸上也設(shè)有 LVDT 位置傳感器。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 （ 3） 液壓系統(tǒng)在停機(jī) / 緊急停機(jī)時(shí)的工作情況 停機(jī)指令發(fā)出后，電磁閥 19— 1 和 192 斷電，油從蓄能器 161 通過(guò)閥 191和節(jié)流閥 17— 1及閥 24 傳送到油缸后端。缸筒的前端通過(guò)閥 192 和節(jié)流閥 172 排放到油箱，葉片變距到＋ 88176。機(jī)械端點(diǎn)而不受來(lái)自比例閥的影響。 電磁閥 211 斷電時(shí)，先導(dǎo)管路壓力油排放到油箱；先導(dǎo)止回閥 24 不再保持在雙向打開(kāi)位置，但仍然 保持止回閥的作用，只允許壓力油流進(jìn)缸筒。從而使來(lái)自風(fēng)的 變漿 力不能從油缸左端方向移動(dòng)活塞，避免向－ 5176。的方向調(diào)節(jié)葉片節(jié)距。 在停機(jī)狀態(tài)，液壓泵繼續(xù)自動(dòng)停 / 起運(yùn)轉(zhuǎn)。順槳由部分來(lái)自蓄能器 161，部分直接來(lái)自泵 5 的壓力油來(lái)完成。在緊急停機(jī)位時(shí)，泵很快斷開(kāi)，順槳只由來(lái)自蓄能器 161 的壓力油來(lái)完成。為了防止在緊急停機(jī)時(shí)，蓄能器內(nèi)油量不夠變距油缸一個(gè)行程，緊急順槳將由來(lái)自風(fēng)的自變 漿 力完成。油缸右端將由兩部分液壓油來(lái)填補(bǔ)： 一 部分來(lái)油缸左端通過(guò)電磁閥 19— 節(jié)流閥 17單向閥 115 和24 的重復(fù)循環(huán)油；另 一部分油來(lái)自油箱通過(guò)吸油管路及單向閥 115 和 24。 緊急順槳的速度由二個(gè)節(jié)流閥 171 和 172 控制并限制到約 9176。/s[12]。 變漿距控制系統(tǒng) 變槳距是指安裝在輪轂上的葉片可以借助控制技術(shù)改變其槳距角的大小，從而改變?nèi)~片氣動(dòng)特性，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善，其最重要的應(yīng)用是功率調(diào)節(jié)。變槳距風(fēng)電機(jī)組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為 3 種運(yùn)行狀態(tài)，即風(fēng)電機(jī)組的啟動(dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率狀態(tài)（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制） [13]。 啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) 變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，槳距角為 90176。，風(fēng)輪的空轉(zhuǎn)速度也最小。這時(shí)氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。整個(gè)槳葉實(shí)際上是一塊阻尼板，這個(gè)狀態(tài)成為“順槳”。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向 0176。方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪開(kāi)始啟動(dòng)。在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)以前，變槳距系統(tǒng)的槳距角給定值由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制。轉(zhuǎn)速控制器按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，相應(yīng)改變槳距角設(shè)定值的大小。變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的槳距角參考值，調(diào)整槳距角，進(jìn)行所謂的速度控制。其控制系統(tǒng)框圖如下圖 所示，轉(zhuǎn)速控制的給定值是恒定的，即同步轉(zhuǎn)速。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 轉(zhuǎn)速給定 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 圖 23 變槳控制啟動(dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）框圖 為了使控制過(guò)程比較簡(jiǎn)單，可以在轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速前對(duì)槳葉槳距并不加以控制。在這種情況下，槳葉槳距只是按所設(shè)定的變距速度將槳距角向 0176。方向打開(kāi)，直到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速附近，變槳距系統(tǒng)才開(kāi)始投入工作。轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，槳葉槳距就向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。當(dāng)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近保持一定時(shí)間后，發(fā)電機(jī)即并入電網(wǎng) [14]。 欠功率運(yùn)行狀態(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)在額定功率以下的低功率狀態(tài)運(yùn)行。與啟動(dòng)運(yùn)行相同的道理，在變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對(duì)欠功率狀態(tài)不加控制。這時(shí)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相同，其功率輸出完全取決于槳葉的氣動(dòng)性能。 額定功率運(yùn)行狀態(tài) 當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率狀態(tài)。在變槳距控制方式中，這時(shí)將進(jìn)行功率控制，變槳距系統(tǒng)開(kāi)始根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行控制?？刂菩盘?hào)的給定值是恒定的，即額定功率。功率反饋信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)功率超過(guò)額定功率時(shí)，槳葉槳距就向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度 [15]。 功率給定 發(fā)電機(jī)功率 圖 24 變槳控制額定功率運(yùn)行狀態(tài)框圖 轉(zhuǎn)速 控制器 槳距 控制器 變槳結(jié)構(gòu) 風(fēng)輪 增速器 發(fā)電機(jī) 功率控制器 槳距控制器 變槳結(jié)構(gòu) 風(fēng)輪 增速器 發(fā)電機(jī) 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 主控制 PLC 結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) PLC 是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 PLC 基本結(jié)構(gòu) （ 1） 電源 電源是構(gòu)成 PLC 控制系統(tǒng)的不可或缺的組成部分。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的。 PLC 可 直接連接到交流電網(wǎng)上去 ， 它將市電電壓（ AC 120V/230V）轉(zhuǎn)換成 DC 24V 的工作電壓。為 PLC 的 CPU 和 24V 直流負(fù)載電路提供電源。 （ 2） 中央處理單元 （ CPU) 中央處理單元（ CPU）是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、 I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng) 各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高 PLC 的可靠性，對(duì)大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行 [16]。 （ 3） 存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。 （ 4） 輸入輸出接口電路 現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是 PLC 與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道?，F(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用 PLC 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。 （ 5） 功能模塊 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。 （ 6） 通信模塊