【導讀】高速、無刷勵磁旋轉(zhuǎn)、全功率的逆變”為核心的技術(shù)路線。主要的控制信號變送器，確定了傳感器的類型以及各硬件的配置；出了控制原理和結(jié)構(gòu)組成。

　　

【正文】 驅(qū)動裝置來實現(xiàn)風機對葉片 的異步控制。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 22 圖 變槳距系統(tǒng)的構(gòu)成框圖 傳動裝置是以法蘭連接鑄在輪轂壁的托架上。葉片軸承的內(nèi)齒和小齒輪互相嚙合并且在電機旋轉(zhuǎn)的時候調(diào)節(jié)葉片。驅(qū)動裝置是由脈沖發(fā)送器的交流伺服電機和一個有從動小齒輪的三級行星式傳動裝置以及一個有制動裝置和構(gòu)成。該系統(tǒng)使用減速比 ，造成漿距角的變化比較慢，由于一般的伺服電機的轉(zhuǎn)速比較高，因此需要減速機構(gòu)。 2葉片之間的最大許可相對偏差為 。葉片的同步運轉(zhuǎn)是由控制裝置來調(diào)節(jié)的。 機艙內(nèi)的主控制器與輪轂內(nèi)的變槳控制器之間 通過 DP總線連接，另外，變槳控制的供電電源是有機艙提供三相供電電源， DP總線及三相供電電源都是通過滑環(huán)連接。當風速高于啟動風速需要由停機狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機狀態(tài)；或者是當風速高于并網(wǎng)風速，需要并網(wǎng)時；還有當風速高于額定風速且滿足運行條件時，主控制器根據(jù)采集來的風速計算每個葉片需要調(diào)節(jié)的槳距角，由主控制器發(fā)出槳葉調(diào)節(jié)命令，通過 DP總線轉(zhuǎn)到變槳控制器然后由伺服電機通過減速箱帶動葉片轉(zhuǎn)動。圖中虛線部分為 UPS電源，機艙內(nèi)的三相供電電源經(jīng)過滑環(huán)連接 UPS一方面對伺服電機供電，另一方面，將交流電整流成 24V直流做變槳控制器的 電源，同時對蓄電池充電，這是變槳部分能夠安全運行的保障，當風力發(fā)電機組突然出現(xiàn)故障或者外接電源突然斷開，要能使槳葉在蓄電池作用下短時間內(nèi)達到順槳狀態(tài)，本系統(tǒng)要求以 9deg,／ s的速度在 8s內(nèi)完成作 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 23 變槳伺服電機是變槳伺服機構(gòu)的主要執(zhí)行器件，所以它的合理的選型尤為重要。在變槳距機構(gòu)設(shè)計分析中，驅(qū)動力是一個非常重要的參數(shù)，只有在它確定的情況下，才能進行變槳距機構(gòu)中各個部件的選擇，同時為下一步的計算提供依據(jù)．風力發(fā)電機組在不同工作狀態(tài)下，作用于槳葉變距軸上的阻力距變化很大，但是因為電動變槳距執(zhí)行機構(gòu)在緊急順槳時 比正常工作時大的多，所以只需考慮緊急順槳時的槳葉驅(qū)動力 131，基于本系統(tǒng)中葉片的實際情況以及此緊急順槳要求得出電機轉(zhuǎn)矩 T≥ 15 NM。本系統(tǒng)中選額定轉(zhuǎn)速為 2500R／ M的電機，為求得電機功率進行如下計算： P=F V T=F R V=2Π R N P=Nπ T/30 其中， P為電機額定功率， T為電機輸出轉(zhuǎn)矩， v是電機轉(zhuǎn)動線速度，將 T≥ 15N。M， N=2500rad／ min代入上式求的得 P=3927W,所以選擇額定功率為 4kW的電機；另一方面，因為輪轂內(nèi)空間非常有限，所以要選擇功率密度較大的伺服電機 H1?；谝陨?考慮，本系統(tǒng)采用功率為 4kW，轉(zhuǎn)矩為 15 N． M的三相永磁同步電機做伺服電機。 變槳系統(tǒng)的控制策略 PID控制是當前工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣泛的控制策略，變槳作為一個復雜的系統(tǒng)，在對槳距角的調(diào)節(jié)過程中正好需要應(yīng)用到工業(yè)當中最常用的 PID控制。PID控制器具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、魯棒性強等優(yōu)點。 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 主控系統(tǒng)的系統(tǒng)控制程序主要使用了 SIEMENS STEP7軟件為開發(fā)的工具開發(fā)，程序主要包含故障判斷、實時控制、報警聯(lián)鎖、信息采集、數(shù)據(jù)通信等部分系統(tǒng)控制 程序的主流程如圖 。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 24 圖 控制系統(tǒng)主流程 當系統(tǒng)開始執(zhí)行控制程序，首先是收集機艙溫度、風向、環(huán)境溫度、風力、電機繞組溫度、液壓系統(tǒng)壓力、電機軸承溫度等狀態(tài)和環(huán)境信息，并且存儲為后續(xù)的程序提供應(yīng)用。進入運行的狀態(tài)后，控制程序?qū)⒏鶕?jù)參數(shù)的大小對電池電量、風力、風速等信息作出判斷，選擇是否偏航、變漿、充電、解纜并觸發(fā)相對動作來完成對應(yīng)的功能。系統(tǒng)自檢作為保障風電系統(tǒng)正常運行的非常重要部分將逐個用收集到的信息和正常值進行對比來最大限度的保障風電機組的安全。 系統(tǒng)還定時的和變流系統(tǒng)互通信息 ，將發(fā)電的功率之靈傳遞給對方并且將接收到的電壓電流電功率等參數(shù)，假如發(fā)電參數(shù)滿足了發(fā)電的指標要求，發(fā)電系統(tǒng)將供電上網(wǎng)，閉合并網(wǎng)開關(guān)。電網(wǎng)自身的變量或參數(shù)也可以接入到發(fā)電系統(tǒng)中檢測并判斷運行是否正常。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 25 變槳控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 作為風電機組的輸入功率調(diào)節(jié)裝置變漿系統(tǒng)在風機系統(tǒng)中占據(jù)了重要的地位。如圖 。 圖 變漿控制框圖 在系統(tǒng)由停機狀態(tài)轉(zhuǎn)變到啟動狀態(tài)的過程之中，主要根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速反饋信號和風速信號來確定槳葉在待機或是順漿位置。在系統(tǒng)并網(wǎng)后，為了使系統(tǒng)保 持在恒功率的狀態(tài)下，需要根據(jù)發(fā)電機的輸出功率的變化來調(diào)節(jié)漿距角，這是功率控制器在起作用。 系統(tǒng)的控制算法全部是由 SETP7這款軟件來實現(xiàn)的，而系統(tǒng)的功能則是由 PLC來完成的額定風速之上，可以通過調(diào)整漿距角來使輸出功率保持額定功率上；當滿足了風力發(fā)電機的啟動條件的時候，主控制器則通過變漿控制器來發(fā)出的指令來使得葉片漿距角勻速的減小；當有故障或是急停的信號的時候，使變漿電機迅速帶動槳葉順漿。 如圖 。當風速高于起動風速的時候，槳距角從 90176。減小到了 0176。這個時候，當葉片連 接的低速軸的轉(zhuǎn)速大于 8rad／ s時，槳距角將繼續(xù)進槳到 3176。的位置，這時一旦低速轉(zhuǎn)速持續(xù) 10分鐘大于 10rad／ s那么并網(wǎng)，否則的話退槳到 10176。的位置。在變槳距控制系統(tǒng)之中，高風速段變槳距的調(diào)節(jié)功率是非常重要的一部分。系統(tǒng)在高風速階段采用 PID控制進行調(diào)節(jié)。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 26 圖 變漿控制流程圖 偏航控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 偏航系統(tǒng)總共包含了 5 個模塊如圖 所示。他是風力發(fā)電機組中的重要功能系統(tǒng)。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 27 圖 偏航系統(tǒng)功能模塊 自然風經(jīng)過了葉輪之后，會產(chǎn)生湍流，而風向傳感器會因為湍流的作用不停擺 動，風力發(fā)電機組中的名為 CPU315— 2DP的中央處理單元中得到的風向值將會不停的進行變化，因此為了要實現(xiàn)系統(tǒng)的偏航過程自動正確確的校正，一方面，為了使機艙轉(zhuǎn)至正確的位置后偏航電機會停止動作，增量式的編碼器會實時的采集機艙的位置并利用了閉環(huán)控制來實現(xiàn)。另一方面，只有在風向的改變不在被允許的角度的范圍內(nèi)一段時間后才能夠去命令偏航電機的動作。基本工作流程圖如圖 ： 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 28 圖 基本控制流程圖 故障報警和聯(lián)鎖保護 聯(lián)鎖保護和報警系統(tǒng)是保證發(fā)電機組安全的一個重要環(huán)節(jié)，安全補救措施可以分為一 般故障、重要的故障和錯誤警報。當控制程序把實時收集到的風電機的數(shù)據(jù)和安全值相比較后，萬一出現(xiàn)了故障，控制程序會依據(jù)不同的故障級別實行不同的安全補救措施。出現(xiàn)一般的故障狀態(tài)時風電機會自然停止因為系統(tǒng)會實行慢速停機的方法。一旦風電機緊急抱死的時候是出現(xiàn)了重要故障系統(tǒng)實行了快速停機。而當出項錯誤警報的時候，系統(tǒng)會在人機界面顯現(xiàn)出故障的類型和故障點。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 29 第 5 章 總結(jié)與展望 風能是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發(fā)展清潔能源是世界各國的戰(zhàn)略選擇。風電技術(shù)裝備是風電產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和 保障，世界各國紛紛采取激勵措施推動本國風電技術(shù)裝備行業(yè)發(fā)展 。為了推進風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，最重要的一項任務(wù)是研究出運行可靠、邏輯清晰的風電控制系統(tǒng)，本文具體分析了風電機控制系統(tǒng)的控制過程，還對直驅(qū)式永磁風力發(fā)電控制系統(tǒng)進行了比較深入的系統(tǒng)的應(yīng)用研究，并且已經(jīng)取得了一些比較優(yōu)異的成果，本文的主要工作可以歸納為： 1. 理解了風機的運行過程，還詳細分析了控制系統(tǒng)的控制要求和功能，并且的除了風電機組的整體控制策略和變漿控制策略。 2. 簡單介紹了幾種風電控制系統(tǒng)并深入理解了。 3. 使用 SIEMENS STEP7 作為風電機控制系 統(tǒng)的控制器，進行了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和硬件選型。 4. 軟件則設(shè)計了主程序流程圖、偏航系統(tǒng)控制流程圖、變漿控制流程圖和安全保護設(shè)計。 風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計不僅工作量大而且很多地方需要細致的研究，由于時間有限并且本人能力限制，該系統(tǒng)還需進一步的改進。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 30 參考文獻 [1]孫浩然 .風力發(fā)電技術(shù)綜述 .江蘇電機工程 29卷第四期 . 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