【文章內(nèi)容簡介】 確提出了裝備先行、市場化的發(fā)展戰(zhàn)略。 其中 20xx 年 1 月 1 日正式實施的《中華人民共和國可再生能源法》。推動了我國大型風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)。甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江、江蘇都紛紛開始上馬動輒 10 億元的風(fēng)力發(fā)電項目 [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)簡單，編程方便，可實施性強，并且具有較強的抗干擾能力，可靠 性高，易于維護，能夠直觀的反應(yīng)現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，通過編程工具能夠直接觀測出系統(tǒng)的運行情況，為維護人員查找故障提供了極大的方便，從而縮短了對系統(tǒng)的維護時間。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)，國際上風(fēng)力發(fā)電行業(yè)將是發(fā)展和增長速度最快的行業(yè)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也將進入其發(fā)展迅速的黃金時期；在我國國內(nèi)，并網(wǎng)型 風(fēng)電機組 裝機容量的增長速度明顯在加快，離網(wǎng)型 風(fēng)電機組 的發(fā)展地域性廣，潛力大，裝機總?cè)萘繉⒆罱K超越并網(wǎng)型的 風(fēng)電機組 。與此同時，基于 PLC 為主控制器的控制系統(tǒng)也將會得到越來越廣闊的發(fā)展空間 [8]。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（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)電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對此控制系統(tǒng)，選用集散型或分布式工業(yè)控制計算機，是絕大多數(shù)風(fēng)電機組選用的形式。 風(fēng)電機組 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 是機組控制系統(tǒng)的核心，它與 風(fēng)電機組 的其他部分密切聯(lián)系，保證機組的效率和安全 [9]。 圖 21 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 偏航控制系統(tǒng) 風(fēng)力機的偏航系統(tǒng)也稱為對風(fēng)裝置，它是 風(fēng)電機組 特有的伺服系統(tǒng) 。它 主要有以下兩個功能 ：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 風(fēng)電機組 由于偏航作用，機艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時，自動解除纏繞。 小微型風(fēng)力機 指發(fā)電功率在 10 千瓦及其以下的風(fēng)力發(fā)電機。由于小型風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)簡單、體型較小，它 常用尾翼作為調(diào)向機構(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。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 中小型風(fēng)機可用舵輪作為調(diào)向系統(tǒng)。 當風(fēng)向變化時，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)，并通過一套齒輪傳動系統(tǒng)使風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)，當風(fēng)輪重新對準風(fēng)向后，舵輪停止轉(zhuǎn)動， 偏航 結(jié)束 [10]。 大中型風(fēng)力機一般采用電動的偏航系統(tǒng)來調(diào)整風(fēng)輪并使其對準風(fēng)向。偏航系統(tǒng)一般包括感應(yīng)風(fēng)向的風(fēng)向標 ，偏航電機，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)信號后，經(jīng)過運算得出風(fēng)向與機艙位置的夾角，從而判斷機艙向哪個方向進行偏航。同時主控制器發(fā)出指令驅(qū)動偏航電機，以調(diào)整機艙的方向，達到對準風(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)進行詳細介紹。 液壓控制系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電機的液壓系統(tǒng)屬于風(fēng)力發(fā)電機的一種動力系統(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)動和制動裝置、停機制動裝置提供液壓驅(qū)動力。風(fēng)機液壓系統(tǒng)是一個公共服務(wù)系統(tǒng)，它為風(fēng)力發(fā)電機上一切使用液壓作為驅(qū)動力裝置提供動力。在定槳距 風(fēng)電機組 中，液壓系統(tǒng)的主要任務(wù)是驅(qū)動 風(fēng)電機組 的氣動剎車和機械剎車；在變槳距 風(fēng)電機組 中，液壓系統(tǒng)主要控制變距機構(gòu)，實現(xiàn) 風(fēng)電機組 的轉(zhuǎn)速控制、功率控制，同時也制控機械剎車機構(gòu)。 定槳距 風(fēng)電機組 的液壓系統(tǒng) 定槳距 風(fēng)電機組 的液壓系統(tǒng)實際上是制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要用來執(zhí)行 風(fēng)電機組 的開關(guān)機指令。通常它由兩個壓力保持回路組成，一路通過蓄能器供給葉尖擾流器，另一路通過蓄能器供給機械剎車機構(gòu)。這兩個回路的工作任務(wù)是使機組運行時制動機構(gòu)始終保持壓力。當需要停機時，兩回路中的常開電磁閥先后失電，葉尖擾流器一路壓力油被泄回油箱，葉尖動作；稍后，機械剎車一路壓力油進入剎車油缸，驅(qū)動剎車夾鉗，使葉輪停止轉(zhuǎn)動。在兩個回路中各裝有兩個壓力傳感器，以指示系統(tǒng)壓力，控制液壓泵站補油和確定剎車機構(gòu)的狀態(tài)。 變槳距 風(fēng)電 機組 的液壓系統(tǒng) 變槳距 風(fēng)電機組 的液壓系統(tǒng)與定槳距 風(fēng)電機組 的液壓系統(tǒng)很相似，也由兩個壓力保持回路組成。一路由蓄能器通過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械剎車機構(gòu)。圖 22 為 VESTASV39 型 風(fēng)電機組 液壓系統(tǒng)。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 22 變槳距 風(fēng)電機組 液壓 系統(tǒng) 1— 油箱 2— 油位開關(guān) 3— 空氣濾清器 4— 溫度傳感器 5— 液壓泵 6— 聯(lián)軸器 7— 電動機 8— 主模塊 9— 壓力測試口 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— 壓力開關(guān) 24— 先導(dǎo)止回閥 （ 1） 液壓泵站 液壓泵站的動力源是齒輪泵 5，為變距回路和制動器回路所共 用 。液壓泵安裝在油箱油面以下并通過聯(lián)軸器 6，由油箱上部的電動機驅(qū)動。泵的流量變化根據(jù)負載而定。 液壓泵由壓力傳感器 12 的信號控制。當泵停止時，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。當壓力降至 130bar 以下時，泵起動；在 145bar 時，泵停止。在運行、暫停和停止狀態(tài)，泵根據(jù)壓力傳感器的信號自動工作，在緊急停機狀態(tài)，泵將被迅速 斷路而關(guān)閉。 （ 2） 變 漿 控制 液壓變槳距控制機構(gòu)屬于電液伺服系統(tǒng)，變槳距液壓執(zhí)行機構(gòu) 是 槳葉通過機械連桿機構(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)距控制是通過比例閥來實現(xiàn)的。在圖 中，控制器根據(jù)功率或轉(zhuǎn)速信號給出一個（－ 10＋ 10） V 的控制電壓，通過比例閥控制器轉(zhuǎn)換成一定范圍的電流信號，控制比例閥輸出流量的方向和大小。點劃線內(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。之間運動。為了提高整個變距系統(tǒng)的動態(tài)性能，在變距油缸上也設(shè)有 LVDT 位置傳感器。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 （ 3） 液壓系統(tǒng)在停機 / 緊急停機時的工作情況 停機指令發(fā)出后，電磁閥 19— 1 和 192 斷電，油從蓄能器 161 通過閥 191和節(jié)流閥 17— 1及閥 24 傳送到油缸后端。缸筒的前端通過閥 192 和節(jié)流閥 172 排放到油箱，葉片變距到＋ 88176。機械端點而不受來自比例閥的影響。 電磁閥 211 斷電時，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位置，但仍然 保持止回閥的作用，只允許壓力油流進缸筒。從而使來自風(fēng)的 變漿 力不能從油缸左端方向移動活塞，避免向－ 5176。的方向調(diào)節(jié)葉片節(jié)距。 在停機狀態(tài)，液壓泵繼續(xù)自動停 / 起運轉(zhuǎn)。順槳由部分來自蓄能器 161，部分直接來自泵 5 的壓力油來完成。在緊急停機位時，泵很快斷開，順槳只由來自蓄能器 161 的壓力油來完成。為了防止在緊急停機時，蓄能器內(nèi)油量不夠變距油缸一個行程，緊急順槳將由來自風(fēng)的自變 漿 力完成。油缸右端將由兩部分液壓油來填補： 一 部分來油缸左端通過電磁閥 19— 節(jié)流閥 17單向閥 115 和24 的重復(fù)循環(huán)油；另 一部分油來自油箱通過吸油管路及單向閥 115 和 24。 緊急順槳的速度由二個節(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)~片氣動特性，使槳葉和整機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)電機組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為 3 種運行狀態(tài)，即風(fēng)電機組的啟動狀態(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]。 啟動運行狀態(tài) 變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時，槳距角為 90176。，風(fēng)輪的空轉(zhuǎn)速度也最小。這時氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。整個槳葉實際上是一塊阻尼板，這個狀態(tài)成為“順槳”。當風(fēng)速達到啟動風(fēng)速時，槳葉向 0176。方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪開始啟動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變槳距系統(tǒng)的槳距角給定值由發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號控制。轉(zhuǎn)速控制器按照發(fā)電機轉(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。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 轉(zhuǎn)速給定 發(fā)電機轉(zhuǎn)速 圖 23 變槳控制啟動狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）框圖 為了使控制過程比較簡單，可以在轉(zhuǎn)速達到發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速前對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，直到發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速附近，變槳距系統(tǒng)才開始投入工作。轉(zhuǎn)速反饋信號與給定值進行比較，當轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時，槳葉槳距就向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。當轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近保持一定時間后，發(fā)電機即并入電網(wǎng) [14]。 欠功率運行狀態(tài) 欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。與啟動運行相同的道理，在變槳距風(fēng)力發(fā)電機組中，對欠功率狀態(tài)不加控制。這時的變槳距風(fēng)力發(fā)電機組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機組相同，其功率輸出完全取決于槳葉的氣動性能。 額定功率運行狀態(tài) 當風(fēng)速達到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)。在變槳距控制方式中，這時將進行功率控制，變槳距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制?？刂菩盘柕慕o定值是恒定的，即額定功率。功率反饋信號與給定值進行比較，當功率超過額定功率時，槳葉槳距就向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度 [15]。 功率給定 發(fā)電機功率 圖 24 變槳控制額定功率運行狀態(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 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 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 主控制 PLC 結(jié)構(gòu)與特點 PLC 是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 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)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。 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。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的。 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從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當 PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場 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器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(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)運行，直到停止運行。 為了進一步提高 PLC 的可靠性，對大型 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 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行 [16]。 （ 3） 存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 （ 4） 輸入輸出接口電路 現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是 PLC 與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道?，F(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用 PLC 通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。 （ 5） 功能模塊 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 如計數(shù)、定位等功能模塊。 （ 6） 通信模塊