【正文】 編碼器，選型為HEIDENHAIN公司ROQ425的絕對(duì)型多轉(zhuǎn)編碼器。 偏航控制機(jī)構(gòu)偏航控制平臺(tái)擁有四層結(jié)構(gòu),包括網(wǎng)絡(luò)層,主站層,從站層和現(xiàn)場(chǎng)層。網(wǎng)絡(luò)層通過TCP/IP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、資源共享及網(wǎng)絡(luò)化。主站層由嵌入式PC、電源模塊 、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊以及其他I/O模塊等組成，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制；從站層是智能化I/O模塊，帶內(nèi)置ProfibusDP接口的總線耦合器，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、控制信號(hào)輸出等功能?，F(xiàn)場(chǎng)層由變頻器、偏航電機(jī)、風(fēng)向傳感器及電磁閥等組成，完成物理量的檢測(cè)與變送、接收并執(zhí)行控制量、實(shí)現(xiàn)對(duì)偏航電機(jī)的控制。 控制器和通訊模塊置表名稱型號(hào)數(shù)量控制器CX102000001PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線主站接口CX1500M3101電源模塊CX110000021數(shù)字量輸入模塊KL14081數(shù)字量輸出模塊KL21343總線耦合器BK31501安全總線端子模塊KL19041SSI 編碼器接口模塊KL50011模擬量輸入模塊KL31221總線末端模塊KL90102這些功能模塊可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線ProfibusDP與上位機(jī)進(jìn)行通信及數(shù)據(jù)交換；接收控制量，并將控制量送給控制對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；采集現(xiàn)場(chǎng)過程值送入上位機(jī)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制等功能。 偏航控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖為了使偏航系統(tǒng)達(dá)到很好的控制效果，為避免在不同的風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動(dòng)而造成整機(jī)的共振，設(shè)計(jì)中選用的變頻器，實(shí)現(xiàn)了在不同風(fēng)速下的變頻控制， 風(fēng)速與頻率對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線設(shè)計(jì)中選用了SINAMICS G120變頻器，該變頻器是一個(gè)由多種不同功能單元組成的模塊化變頻器。兩種主要的單元是：控制單元（CU）、功率模塊（PM）。在設(shè)計(jì)中選用CU240S DPF型號(hào)的控制單元。功率模塊選用了PM240功率模塊具體型號(hào)為6SL32240BE315AA0。由于在偏航系統(tǒng)中采用Bonfiglioli公司4個(gè)100LB電磁抱閘一體化的三相異步電動(dòng)機(jī)。在選擇變頻器時(shí)，依據(jù)電流相加計(jì)算，總電流 i=4=， i==25A,同時(shí)考慮了輸出功率的問題，最終選擇型號(hào)為6SL32240BE315AA0的功率模塊。同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及制動(dòng)電阻的選型手冊(cè)，選用了選型為6SE64004BD165CA0的制動(dòng)電阻。 偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)針對(duì)的偏航軸承采用的是回轉(zhuǎn)軸承是一種特殊結(jié)構(gòu)的大型軸承，必須定時(shí)給軸承潤滑。針對(duì)軸承的潤滑，設(shè)計(jì)了自動(dòng)潤滑系統(tǒng)，其由潤滑泵、油脂分配器、潤滑小齒輪、潤滑管等組成如圖，主要用于偏航軸承滾道及齒面的潤滑。選型：電機(jī)選用了單相交流電動(dòng)機(jī)，為力士德YL8014型號(hào)的電機(jī)，額定功率：； 額定電壓：220V ；額定電流：4A 額定轉(zhuǎn)速：1400rpm。 自動(dòng)潤滑系統(tǒng)原理圖偏航驅(qū)動(dòng)裝置包括偏航電機(jī)和偏航減速齒輪機(jī)構(gòu)。偏航電機(jī)：為電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，在三相異步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上附加一個(gè)直流電磁鐵制動(dòng)器組成，電磁鐵的直流勵(lì)磁電源由安放在電機(jī)接線盒內(nèi)的整流裝置供給，制動(dòng)器具有手動(dòng)釋放裝置。偏航時(shí)，電磁剎車通電，剎車釋放。偏航停止時(shí)，電磁剎車斷電，剎車釋放將電機(jī)鎖死。附加的電磁剎車手動(dòng)釋放裝置，在需要時(shí)可將手柄抬起剎車釋放。設(shè)計(jì)中選用了Bonfiglioli公司100LB電磁抱閘一體化的三相異步電動(dòng)機(jī)。為了得到對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)扭矩，在設(shè)計(jì)中用四臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)。通過行星齒輪減速機(jī)得到合適的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，由于偏航速度很慢，減速器傳動(dòng)比很大，通常在1：1000左右，因此采用多級(jí)減速器，在設(shè)計(jì)中選用Bonfiglioli 700T系列的711T行星齒輪減速機(jī)。 為了保證風(fēng)力機(jī)停止偏航時(shí)不會(huì)因葉片受風(fēng)載荷而被動(dòng)偏離風(fēng)向的情況，風(fēng)力機(jī)上多裝有偏航制動(dòng)器,在設(shè)計(jì)中采用了電磁抱閘制動(dòng)和液壓制動(dòng)兩套制動(dòng)系統(tǒng)，以防止停止偏航時(shí)機(jī)艙被動(dòng)偏離風(fēng)向。制動(dòng)器在液壓驅(qū)動(dòng)管路上一般裝有一個(gè)預(yù)壓閥，以使在松閘狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)液壓缸仍保持有很小的壓力，使偏航過程中仍有一定的阻力，以保證偏航的穩(wěn)定性。 液壓制動(dòng)系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)中機(jī)組選用用10臺(tái)制動(dòng)器，每臺(tái)制動(dòng)器由上下兩個(gè)閘體組成。剎車閘為液壓卡鉗形式，在偏航剎車時(shí)，電磁K1關(guān)閉，先導(dǎo)溢流閥溢流值設(shè)定為150bar的壓力，此時(shí)剎車盤約具有150bar的壓力，使剎車片緊壓在剎車盤上，提供制動(dòng)力。當(dāng)需要偏航時(shí)，電磁閥K1得電打開，先導(dǎo)溢流閥維持在23 bar左右的一個(gè)設(shè)定值，產(chǎn)生一定的阻尼力矩，使偏航運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，減小機(jī)組振動(dòng)。液壓泵電機(jī)為三相異步電機(jī)，品牌：恒碩 ；型號(hào)：Y80M2 ；電流： A ； 極數(shù)：2 ；額定轉(zhuǎn)速：2830 r/min ； 額定功率： 。電磁抱閘制動(dòng)有兩部分組成：閘片部分和電磁部分，安裝在電動(dòng)機(jī)的主軸上，當(dāng)需要偏航時(shí)，電磁部分通電閘片松開，停止偏航時(shí)電磁線圈斷開，閘片抱住電動(dòng)機(jī)主軸進(jìn)行制動(dòng)。在設(shè)計(jì)中也選用Bonfiglioli的抱閘系統(tǒng)，該抱閘系統(tǒng)通過整流模塊線圈最終得到24V的直流電來開啟閘片。同時(shí)在閘片上聯(lián)動(dòng)了一個(gè)常開開關(guān)，將電磁抱閘分合狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)，來確保電機(jī)在電磁抱閘打開情況下啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，使設(shè)備的安全性和可靠性得到大大提高。 電磁抱閘制動(dòng)原理圖 風(fēng)力機(jī)偏航軟件設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)偏航控制系統(tǒng)工作原理是通過測(cè)風(fēng)傳感器檢測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速，并將檢測(cè)到的風(fēng)向信號(hào)送到控制器。當(dāng)需要調(diào)整方向時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)給偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以調(diào)整機(jī)艙的方向，達(dá)到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的目的。為了實(shí)現(xiàn)這樣的伺服控制，通過對(duì)整個(gè)偏航系統(tǒng)的控制過程進(jìn)行分析。偏航系統(tǒng)的控制過程可以分為：自動(dòng)潤滑、自動(dòng)解纜、人工偏航、自動(dòng)偏航。由于大自然中風(fēng)的隨機(jī)性，風(fēng)傳感器的測(cè)量值隨機(jī)干擾很大，為了消除干擾，保證系統(tǒng)的可靠性，綜合考慮各種濾波的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中選用了一階滯后濾波法，器程序設(shè)計(jì)如下（結(jié)構(gòu)文本語言編寫）函數(shù)體：out := (old_value * ( ( / time_factor))) + ( in / time_factor) 。old_value := out 。根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速的特性和經(jīng)驗(yàn)值，在調(diào)用該函數(shù)塊濾波時(shí)，風(fēng)向測(cè)量值的濾波平滑系數(shù)取300，風(fēng)速測(cè)量值的濾波平滑系數(shù)取60。,主程序采用了連續(xù)功能圖（CFC）編寫。 主程序流程圖風(fēng)電發(fā)電機(jī)組因其工作環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行方式的特殊性，對(duì)機(jī)組的潤滑提出了較高的要求。自動(dòng)潤滑系統(tǒng)通過油脂潤滑泵定時(shí)定量的將偏航潤滑油脂以及偏航小齒潤滑脂連續(xù)的輸入軸承及偏航齒輪外齒面，最終到達(dá)連續(xù)潤滑效果，避免了手動(dòng)潤滑的間隔性以及潤滑不均問題（過潤滑，欠潤滑）的產(chǎn)生。只有這樣才能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在惡劣多變的復(fù)雜工況下長期保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。① 潤滑計(jì)時(shí)及計(jì)算潤滑偏航的停止位置程序在程序設(shè)計(jì)時(shí)，潤滑時(shí)間可以自由設(shè)定，從上次執(zhí)行潤滑時(shí)開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間到，啟動(dòng)潤滑系統(tǒng)，潤滑時(shí)間從新計(jì)時(shí)。在執(zhí)行潤滑時(shí)，若機(jī)艙位置0；潤滑偏航停止位置=機(jī)艙位置355；反之，潤滑偏航停止位置=機(jī)艙位置+355。② 判斷是否需要潤滑當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)定自動(dòng)潤滑時(shí)間，在機(jī)組運(yùn)行過程中，從上次潤滑開始計(jì)時(shí)，若機(jī)組運(yùn)行時(shí)間大于潤滑設(shè)定時(shí)間，運(yùn)行時(shí)間+120h, 此時(shí)機(jī)組必須潤滑。③ 判斷是否滿足潤滑的條件當(dāng)機(jī)組需要潤滑時(shí)，且風(fēng)速在8m/s以下，將自行自動(dòng)潤滑程序；當(dāng)機(jī)組必須潤滑時(shí)，且風(fēng)速在16m/s以下，將自行自動(dòng)潤滑程序。④ 開始自動(dòng)潤滑當(dāng)機(jī)組滿足潤滑條件時(shí)，運(yùn)行時(shí)間置零從新計(jì)時(shí)、屏蔽自動(dòng)解纜和自動(dòng)偏航，根據(jù)機(jī)艙的具體位置，判斷潤滑是的偏航方向以及計(jì)算潤滑結(jié)束時(shí)停車的位置，啟動(dòng)偏航電機(jī)，當(dāng)?shù)玫狡诫姍C(jī)運(yùn)行的反饋信號(hào)后，啟動(dòng)潤滑電機(jī)，同時(shí)打開潤滑電磁閥。該過程是以風(fēng)向傳感器輸出為基準(zhǔn)，當(dāng)風(fēng)向改變超過允許誤差范圍時(shí)，控制器發(fā)出自動(dòng)偏航指令?？刂七^程如下： 連續(xù)一段時(shí)間檢測(cè)風(fēng)向情況，為了達(dá)到很好的控制效果，在不同的角度差值下設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間，如控制流程圖所示，根據(jù)風(fēng)向傳感器信號(hào)θ給出偏航控制指令。當(dāng)θ=1800，表明機(jī)艙已處于準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)位置，若1710≤θ≤1890，屬于誤差范圍之內(nèi)，偏航系統(tǒng)將不對(duì)稱做出任何調(diào)節(jié)。差值大于250時(shí)延時(shí)20s執(zhí)行自動(dòng)偏航動(dòng)作；差值小于250大于150時(shí)延時(shí)50s執(zhí)行自動(dòng)偏航動(dòng)作；差值小于150時(shí)延時(shí)90s執(zhí)行自動(dòng)偏航動(dòng)作，這樣實(shí)現(xiàn)了大角度快速執(zhí)行，小角度精確檢測(cè)執(zhí)行。在此基礎(chǔ)上，若θ1800表明機(jī)艙相對(duì)風(fēng)向標(biāo)有一個(gè)向右偏離的夾角，偏航電機(jī)啟動(dòng)，機(jī)艙右偏自動(dòng)對(duì)風(fēng)。若θ1800表明機(jī)艙相對(duì)風(fēng)向標(biāo)有一個(gè)向左偏離的夾角，偏航電機(jī)啟動(dòng)，機(jī)艙左偏自動(dòng)對(duì)風(fēng)。由于風(fēng)向的不確定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就需要經(jīng)常偏航對(duì)風(fēng)，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會(huì)隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而扭轉(zhuǎn)。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)多次向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)造成電纜纏繞，絞死，甚至絞斷，因此必須設(shè)法解纜。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)電纜的特性和機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境，當(dāng)其某個(gè)方向達(dá)到5800時(shí)，若此時(shí)風(fēng)速小于3m/s，即風(fēng)機(jī)組不運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)解纜，此時(shí)啟動(dòng)偏航電機(jī)向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞圈數(shù)解纜，將機(jī)艙返回電纜無纏繞位置。當(dāng)其某個(gè)方向達(dá)到8000時(shí)，無論機(jī)組是否運(yùn)行，機(jī)組都將執(zhí)行自動(dòng)解纜。若因故障，自動(dòng)解纜未起作用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組方向達(dá)到9000極值時(shí)，紐纜開關(guān)將動(dòng)作，此開關(guān)動(dòng)作將會(huì)觸發(fā)安全鏈動(dòng)作，向中心控制器發(fā)出緊急停機(jī)信號(hào)和不可自復(fù)故障信號(hào)，等待進(jìn)行人工解纜操作。6制動(dòng)程序風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要停車時(shí)，按圖所示流程進(jìn)行，變槳時(shí)有兩個(gè)槳距角控制信號(hào)，一個(gè)是模擬量，可以在0~45176。內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，另一個(gè)是數(shù)字量信號(hào)，當(dāng)該量從0（低電平）變?yōu)?（高電平）以后，槳距角就一直向45176。轉(zhuǎn)動(dòng)，最后的槳距角是這兩個(gè)量的合成值。如圖61所示：啟動(dòng)剎車變槳系統(tǒng)向45176。方向轉(zhuǎn)動(dòng) （模擬量信號(hào)）槳距角大于42176。變槳距開關(guān)量信號(hào)置1，變槳距始終向45176。方向轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于一定轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)停機(jī)N結(jié) 論本論文通過變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)，對(duì)加入控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)進(jìn)行分析。由于風(fēng)能的不規(guī)則特性，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定有很大的影響，也使功率曲線的優(yōu)化產(chǎn)生了一定的困難。我們通過利用變槳距控制系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)速的大小來調(diào)整槳葉節(jié)距，使系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，并使輸出功率曲線得到了優(yōu)化，提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略是以風(fēng)速的變化為依據(jù)，風(fēng)能的最大利用效率為目的，為優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性提出的控制方案。變槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用PI控制器，根據(jù)發(fā)電機(jī)有功功率輸出和風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速反饋來調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距。通過風(fēng)輪機(jī)槳距角控制系統(tǒng)對(duì)葉片槳距角進(jìn)行控制，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械部分與發(fā)電機(jī)的電氣部分配合，達(dá)到提高風(fēng)能利用效率及改善供電質(zhì)量的目的。利用風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)來驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可用性，并對(duì)各種仿真曲線進(jìn)行分析，從而得出結(jié)論。 根據(jù)風(fēng)速模型的仿真曲線，分析風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)各部分曲線的變化情況和整個(gè)系統(tǒng)的仿真曲線圖。在并網(wǎng)以前電壓的波形基本上是正弦形狀的，轉(zhuǎn)速基本上是穩(wěn)定的。并網(wǎng)以后雖然受到了電網(wǎng)的干擾，但轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速后再?zèng)]有多大變化；電流的波形雖然是正弦的，但整體的趨向也發(fā)生了相應(yīng)的波動(dòng)。變槳距控制系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)時(shí)，通過變距來獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；起動(dòng)以后，當(dāng)?shù)陀陬~定風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的機(jī)組狀態(tài)控制為轉(zhuǎn)速,當(dāng)高于額定風(fēng)速運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保持穩(wěn)定。額定風(fēng)速之后的機(jī)組狀態(tài)控制主要由槳距角調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。得到的控制系統(tǒng)保持了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。參考文獻(xiàn)[1]黃素逸. 能源與節(jié)能技術(shù). 北京中國電力出版社. 2004[2]葉杭冶. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社. 2002[3]宮靖遠(yuǎn). 風(fēng)電場(chǎng)工程技術(shù)手冊(cè). 機(jī)械工業(yè)出版社. 2004[4]王承煦 張?jiān)? 風(fēng)力發(fā)電. 中國電力出版社. 2002[5]李俊峰. 風(fēng)力12在中國. 北京化學(xué)工業(yè)出版社. 2005[6]趙鳳山. 風(fēng)力發(fā)電論文集. 金盾出版社. 2002[7]. 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