【導(dǎo)讀】生綠色能源以其突出的優(yōu)點(diǎn)成為全世界普遍重視的能源。風(fēng)能開發(fā)的重要性已無?？蔂?zhēng)辯，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也隨之得到迅猛發(fā)展。機(jī)械、電機(jī)學(xué)和自動(dòng)控制理論等綜合性的學(xué)科。而進(jìn)行大規(guī)模風(fēng)能開發(fā)首先必須?？刂茊栴}，對(duì)其進(jìn)行深入研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。分析了風(fēng)力電機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同。風(fēng)速段下的控制策略。由于PID控制穩(wěn)定性好、控制算法簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快且。能實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，論文采用PID控制算法。由于PLC在工業(yè)控制上有許多優(yōu)勢(shì)，且價(jià)格合理，綜合各方面因素，本文選擇S7-200作為控制器。于PID控制的變槳矩控制器的控制框圖和硬件電路圖。

　　

【正文】 整復(fù)雜，安全冗度小。 2）獨(dú)立驅(qū)動(dòng)變槳 矩 系統(tǒng)。這種變槳 矩 系統(tǒng)在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的較為普遍。其特點(diǎn)是三只葉片的驅(qū)動(dòng)由同三個(gè)相同的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，三只葉片的 槳矩 角調(diào)節(jié)是相互獨(dú)立的。它需要三套控制系統(tǒng)、成本較高，但結(jié)構(gòu)緊 湊、可靠 、控制靈活 ，安全 余 度大。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳 矩 驅(qū)動(dòng)裝置比較和選擇 液壓變槳與電動(dòng)變槳技術(shù)比較 由于 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多安裝在環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這 為 風(fēng) 力發(fā) 電機(jī)組的維護(hù) 和 保養(yǎng)增加了許多困難，這就要求風(fēng)力機(jī)組具有高度的可靠性，因此要求風(fēng)機(jī)的各個(gè)部件要有穩(wěn)定 且 可靠的質(zhì)量。 變 槳 系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各組成部分 中是 22 非常重要的，其性能及質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響整臺(tái)風(fēng)機(jī)的性能。液壓變槳系統(tǒng)與電動(dòng) 變 槳 系統(tǒng)的 特點(diǎn)及性能 比較 [21]見表 。 表 液壓變槳系統(tǒng)與電動(dòng)變槳系統(tǒng)的比較 項(xiàng)目 液壓變槳 矩 系統(tǒng) 電動(dòng)變槳 矩 系統(tǒng) 槳 矩 調(diào)節(jié) 響應(yīng)速度慢 響應(yīng)速度快 緊急情況下的保護(hù) 儲(chǔ)存能量小 儲(chǔ)存能量較大 使用壽命 蓄能器的使用壽命大約 6年 蓄電池的使用壽命大約 3年 外部配套需求 占用空間小 占用空間相對(duì)較大 環(huán)境清潔 容易漏油，造成機(jī)艙及輪轂內(nèi)部油污 機(jī)艙及輪轂內(nèi)部清潔 維護(hù) 液壓油、濾清器進(jìn)行更換，維護(hù)困難 蓄電池的更換，易維護(hù) 液壓變槳與電動(dòng)變槳供應(yīng)鏈分析 在軟件方面，國(guó)內(nèi)的變槳控制 技術(shù) 基本 上 被國(guó)外廠商壟斷，國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)開始 對(duì) 變槳軟件系統(tǒng) 進(jìn)行研究，但 由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，與國(guó)外的變槳控制策 略 還相比差 矩 很大 [22]。 在硬件方面，我們 的 分析 從 變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的供應(yīng)鏈 的 情況來進(jìn)行。 （ 1）液壓變槳 矩 系統(tǒng) 風(fēng)電機(jī)組要求變槳系統(tǒng)具有較高的可靠性，而我國(guó)液壓行業(yè)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家 還存在 差 矩 ，因此，液壓變槳實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的難度非常高 [23]。 1）液壓泵站 ： 液壓柱塞泵是泵站的核心，國(guó)外品牌的液壓柱塞泵質(zhì)量大多比較可靠，國(guó)內(nèi)品牌 中， 北京華德品質(zhì)較好。 2）控制閥 摸 塊 ： 控制閥塊的制造難度較低，但 基本上是國(guó)外設(shè)計(jì) 在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。 問題是大尺寸的擠壓鋁及其相應(yīng)的熱處理在國(guó)內(nèi)很難找到合適渠道。 3）液壓油缸 ： 中高端的伺服 油缸在國(guó)內(nèi)基本都是進(jìn)口產(chǎn)品，其中還 包括安置在活塞桿中的位移傳感器，國(guó)內(nèi)的油缸廠商 提供 的產(chǎn)品主要 用于在工程機(jī)械、冶金等行業(yè)的中低端油缸。國(guó)內(nèi)液壓油缸的整體水平還是與發(fā)達(dá)國(guó)家有著相當(dāng)大的差 矩 的 。 4）蓄能器 ： 蓄能器分 皮囊式蓄能器與活塞式蓄能器。皮囊式蓄能器在國(guó) 23 內(nèi)應(yīng)用較多， 但皮囊是影響其壽命的關(guān)鍵部件，中高端產(chǎn)品還 多為進(jìn)口?；钊叫钅芷骶哂懈L(zhǎng)的使用壽命，但其在國(guó)內(nèi) 遇到 與液壓油缸相似 問題 。 5）管路 ： 標(biāo)準(zhǔn)接頭在國(guó)內(nèi)有很多優(yōu)秀的廠商，如伊頓永華的系列產(chǎn)品，質(zhì)量穩(wěn)定，性價(jià)比高。 所以 標(biāo)準(zhǔn)接頭在國(guó)內(nèi)容易 很 找到合適的渠 道，國(guó)產(chǎn)化率較高。液壓管系統(tǒng)中常用的管路種類 是液壓鋼制彎管 。通常 是 無縫鋼管經(jīng)冷拔、折彎、表面處理等工序 后 制成 的 ，技術(shù)含量 較 低，國(guó)內(nèi)廠商 即 可滿足要求。液壓膠管是另一種常用的管路，中高端膠管總成中的軟管部分基本上是進(jìn)口軟管。液壓旋轉(zhuǎn)接頭是風(fēng)機(jī)管路中較為關(guān)鍵的連接部件，市場(chǎng) 基本上也是進(jìn)口產(chǎn)品壟斷著 。 可以看出 ，我國(guó)的液壓行業(yè)普遍服務(wù)于普通工程機(jī)械領(lǐng)域，高精度、高穩(wěn)定性的液壓產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的發(fā)展還 比較 落后。國(guó)內(nèi)液壓行業(yè)的生產(chǎn)商相比國(guó)外的帕克 、伊頓、薩奧 、力士樂等知名廠 家，無論是從產(chǎn)品的系列化的廣度上，還是從做工質(zhì)量的深 度上來講，都有 相當(dāng)大的差 矩 。風(fēng)機(jī)中液壓變槳系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)國(guó)產(chǎn)化率按價(jià)值算不超過 10%，高精度核心部件基本全部是進(jìn)口產(chǎn)品，技術(shù)含量較低的如緊固件、泵站油箱等可在國(guó)內(nèi)找到合適渠道 [24]。 （ 2）電動(dòng)變槳系統(tǒng) 相對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)變槳系統(tǒng) 而言 ，電動(dòng)變槳系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多，國(guó)內(nèi)渠道培養(yǎng) 以及 發(fā)展的時(shí)間也較長(zhǎng)，可選擇度也較大。由于電動(dòng)行業(yè)在國(guó)內(nèi)發(fā)展的較好，各部件的國(guó)產(chǎn)化率較高，但在高可靠性、高穩(wěn)定性的部件上 某些 進(jìn)口產(chǎn)品仍居主導(dǎo) 地位 [25]。 1）伺服電機(jī)及減速器 ： 伺服電機(jī)是整個(gè)電動(dòng) 槳 系統(tǒng)的動(dòng)力源，減速機(jī)是調(diào)速傳動(dòng)裝置，二者都 要求 具 有很高的可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。目前 生產(chǎn)風(fēng)機(jī)的原件還是以進(jìn)口產(chǎn)品或跨國(guó)公司在華所設(shè)工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品為主。但這方面 基本上可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，且國(guó)內(nèi)供應(yīng)廠商較多，渠道明朗，價(jià)格也較透明。 2）控制器等電子設(shè)備 ： 控制器 相當(dāng)于 整個(gè)電動(dòng)變槳系統(tǒng)的大腦，技術(shù)含量較高，基本被國(guó)外公司壟斷，成為 發(fā)展 電動(dòng)變槳系統(tǒng)主要的瓶頸之一。 3）蓄電池 ： 由 于 鉛酸蓄電池構(gòu)成 UPS電源，國(guó)產(chǎn)渠道 也 較多，國(guó)產(chǎn)化 比率高。 4）位移傳感器和接近開關(guān) ： 位移傳感器和接近開關(guān)是安裝在軸承內(nèi)齒輪部位的 主要 檢測(cè)裝置，要求可靠 性高 、精準(zhǔn)度好， 也 都是進(jìn)口 產(chǎn)品。 5）電路 ： 電 路 的國(guó)內(nèi)渠道很多，質(zhì)量也很好，其他的電器元件國(guó)內(nèi)都有 24 很成熟的渠道。 然而值得一提的是電滑環(huán)，由于變槳 矩 系統(tǒng)對(duì)電滑環(huán)的要求比較高，因此， 高性能的電滑環(huán)還值得關(guān)注的。 總體來 說 ，電動(dòng)變槳系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)渠道較多，進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化的可能性也較大，廠商掌握起來也較容易， 預(yù)計(jì)得到的推廣也較快。相比較液壓變槳系統(tǒng)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的優(yōu)勢(shì)也比較明顯。 而且 電動(dòng)變槳 矩 系統(tǒng) 與 液壓變槳系統(tǒng) 相比 具有更多的優(yōu)點(diǎn)，不僅可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立變槳，還具有定位精度高的優(yōu)勢(shì)，且無溫漂、調(diào)速范圍大、 無零漂、承載范圍大、 控制方便、動(dòng)作滯后小、適應(yīng)性強(qiáng)、配套簡(jiǎn) 單， 為大載荷 變槳 提供高精度 的 控制 [26]。 因此，本文選擇的研究對(duì)象是基于獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)變槳系統(tǒng)。 本章小結(jié) 本章首先對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成進(jìn)行介紹，然后 對(duì)變槳 矩 風(fēng)電機(jī)組的空氣動(dòng)力學(xué)原理以及風(fēng)切變、塔影效應(yīng)等風(fēng)速特性進(jìn)行分析，得出結(jié)論 :對(duì)于某一確定的槳 矩 角，存在唯一的 CPmax；對(duì)于任意的 情況 ，槳 矩 角為 00時(shí) CP相對(duì)最大。隨著槳 矩 角的增加，風(fēng)輪受力 明顯減小，由此得出變槳 矩 風(fēng)力發(fā)電 電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)原理 ： 當(dāng)風(fēng)速低于額定值時(shí)，槳 矩 角在 00附 近，通過變速恒頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲 ；當(dāng) 風(fēng)速高于額定值時(shí)，調(diào)節(jié)槳 矩 角實(shí)現(xiàn)機(jī)組輸出功率穩(wěn)定在額定值附近。此外，本 章對(duì)于變槳 矩 控制原理和系統(tǒng)的類型進(jìn)行介紹，對(duì)比分析液壓變槳和電動(dòng)變槳 的工作原理，得出結(jié)論 ： 電動(dòng)變槳 矩 伺服可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單一槳葉進(jìn)行控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，充分利用有限的空間，實(shí)現(xiàn)分散布置，對(duì)于迅速發(fā)展的大型風(fēng)電機(jī)組來說，更容易實(shí)施獨(dú)立變槳 矩 調(diào)節(jié)方式，具有更好的應(yīng)用前景。 25 第 三 章 變 槳 系統(tǒng)設(shè)備選型與硬件電路設(shè)計(jì) 設(shè)備選型對(duì)任何一個(gè)系統(tǒng)來說都顯得非常重要，因?yàn)樗葲Q定了本系統(tǒng)的控制效果的優(yōu)劣，又與經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)。由于本人還對(duì)風(fēng)電的具體情況不是特別了解 ，在此，僅對(duì)變 槳 系統(tǒng)的伺服電機(jī)、控制器和控制算法進(jìn)行了選擇。還對(duì)變 槳控制的兩項(xiàng)技術(shù)和四類工況進(jìn)行了論述，從而，設(shè)計(jì)了變槳 矩 控制系統(tǒng)的硬件電路。 變 槳 系統(tǒng)設(shè)備選型 伺服電機(jī) 的選 型 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變 槳 系統(tǒng)伺服電機(jī) 屬于控制電機(jī)， 常見的有 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，無刷直流電動(dòng)機(jī) ， 三相永磁同步電動(dòng)機(jī) 和步進(jìn)電機(jī)四 種，其 各自特點(diǎn) [27]如表 所示 下面是 四 種伺服電機(jī)的比較： 表 伺服電機(jī)的種類和特點(diǎn) 電機(jī)種類 主要特點(diǎn) DC 伺服電機(jī) 高響應(yīng)特性；高功率密度（體積小，重量輕）；可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字控制；接觸換相器件， 需要維護(hù)。 AC 永磁同步伺服電機(jī) 具有 DC 伺服電機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)；無接觸換相器件；需要磁極位置檢測(cè)器 AC 感應(yīng)伺服電機(jī) 具有 DC 伺服電機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)；對(duì)定子電流的激磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制。 步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)角與控制脈沖數(shù)成正比，可構(gòu)成直接數(shù)字控制；有定位轉(zhuǎn)矩；可構(gòu)成廉價(jià)的開環(huán)控制系統(tǒng)。 變 槳 伺服電機(jī)要求 : 根據(jù)驅(qū)動(dòng)器指令運(yùn)轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)帶動(dòng)槳葉回轉(zhuǎn)軸承旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)槳葉的轉(zhuǎn) 矩 角 ； 通過編碼器將電機(jī)的位置信號(hào)反饋至驅(qū)動(dòng)器。 額定轉(zhuǎn)速 :和減速機(jī)配合能夠以較快的速度轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉，在迅速順槳時(shí)使槳葉以 7 度每秒的速度順槳， 以確保風(fēng)機(jī)安全。 26 轉(zhuǎn)矩 :和減速機(jī)配合之后足以驅(qū)動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)。 慣量 :和減速機(jī)配合在風(fēng)機(jī)起動(dòng)和停止時(shí)能夠滿足慣量要求。 額定功率 :要和伺服驅(qū)動(dòng)器相匹配。通常驅(qū)動(dòng)器的功率略大于電機(jī)功率。 帶制動(dòng)器。 伺服電機(jī)內(nèi)部自帶有相應(yīng)的變 槳 位置 編碼 器 。 由于輪轂內(nèi)空間限制，安裝法蘭至軸端尺寸應(yīng)滿足空間要求。 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)變 槳 電機(jī)的要求，結(jié)合電機(jī)自身的特點(diǎn)，選擇交流永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM)作為變槳系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。 控制器的選型 PLC作為一種通用的工業(yè)控制器有它的特點(diǎn)：可靠性高，必須能夠在各種不同的工業(yè)環(huán)境中 正常工作，抗干擾能力強(qiáng)，平均無故障工作時(shí)間長(zhǎng)，能適應(yīng)惡劣的環(huán)境。使用方便靈活，主要體現(xiàn)在硬件使用和軟件使用上。 PLC按照程序的要求，通過對(duì)來自設(shè)備外圍的按鈕、行程開關(guān)、接觸器點(diǎn)等開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，并控制外圍指示燈、電磁閥、接觸器線圈通斷等功能。 PLC能適應(yīng)風(fēng)電的惡劣環(huán)境，對(duì)于風(fēng)電的穩(wěn)定、安全運(yùn)行有了保障。 S7200 PLC 是家族中 I/O 點(diǎn)數(shù)最少、功能最精簡(jiǎn)的微型 PLC 產(chǎn)品，主要有以下特點(diǎn)： 采用整體式 I/O 型與基本單元加擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)， CPU、電源、輸入輸出安裝于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)單；編程指 令、元件豐富，性價(jià)比高。算速度快， 毫秒能執(zhí)行一條基本邏輯控制指令，可實(shí)現(xiàn)高速控制。均帶有固定點(diǎn)數(shù)的高速計(jì)數(shù)輸入和高速脈沖輸出，輸入 /輸出頻率可以達(dá)到 20100kHz。 S7200PLC 的 CPU 模塊共有五種基本規(guī)格： CPU22 CPU22 CPU22 CPU22 CPU224XP。S7200 PLC 可以使用 56 條基本邏輯處理指令、 11 條定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器指令、 4 條實(shí)時(shí)鐘指令、 27 條數(shù)學(xué)運(yùn)算指令、 84 條其他指令，總計(jì)可達(dá) 182 條。 CPU 模塊有 46 個(gè)高速計(jì)數(shù)指定輸入端，用于轉(zhuǎn)速、 位置、速度等計(jì)數(shù)。 CPU模塊均集成 1 到 2 個(gè)串行通信接口，用于連接外部設(shè)備或組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)體系。 圖 為CPU226 外觀圖： 27 圖 CPU226 PLC 外形圖 最新 S7200 PLC 除 （ CPU221） 可由 25 中不同的擴(kuò)展模塊，來增加 PLC 的I/O 點(diǎn)數(shù)以及功能，模擬量模塊會(huì)增加 PLC 的溫度、轉(zhuǎn)速、位置等的測(cè)量與顯示調(diào)節(jié)功能。通過與模塊 CP2431 來連接到工業(yè)以太網(wǎng)上，能通過遠(yuǎn)程編輯器，對(duì) PLC 進(jìn)行程序編輯、傳送、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)交換、存儲(chǔ)、讀取數(shù)據(jù)等。 考慮到經(jīng)濟(jì)性，和功能的實(shí)現(xiàn)故選 用 S7200 PLC CPU226 作為本系統(tǒng)的控制器。 對(duì)應(yīng)風(fēng)速的兩個(gè)運(yùn)行范圍，設(shè)計(jì)兩個(gè)不同的控制器，風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時(shí)，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制輸入量，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)，由 PLC 發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使得葉尖速比維持在最佳值不變，同時(shí)保持葉片 槳 矩 角為 00,使得風(fēng)力機(jī)追蹤最佳功率曲線，具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時(shí)，以發(fā)電機(jī)輸出功率作為控制輸入量，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，有 PLC 發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得變槳 矩 機(jī)構(gòu)動(dòng)作來調(diào)節(jié)葉片 槳 矩 角的變化 ，保持額定功率不變 [28]。 各種傳感器的選型 一 、 風(fēng)速傳感器 FS10 1． 功能 1）液晶：開機(jī)，背光亮，顯示風(fēng)速值 2）工作指示燈：正常運(yùn)行時(shí)，綠燈閃爍。 3）欠風(fēng)速指示燈：當(dāng)風(fēng)速 W≤Wmin時(shí) ,黃燈亮，同時(shí)報(bào)警； 4）過風(fēng)速指示燈：當(dāng)風(fēng)速 W≥Wmax時(shí) ,紅燈亮，同時(shí)報(bào)警； 5）功能鍵：按此鍵，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置畫面；此時(shí) 光標(biāo)在第一位數(shù)字上閃爍。 6）數(shù)字鍵：在參數(shù)設(shè)置畫面狀態(tài)，按此鍵則光標(biāo)閃爍位的數(shù)字增加 1；連續(xù)按此鍵，可以設(shè)置所需要的數(shù)值。 7）移位鍵：在參數(shù)設(shè)置畫面狀態(tài)，按此鍵 ，則光標(biāo)在不同位數(shù)字之間切換； 28 結(jié)合數(shù)字鍵，可以設(shè)置所需要的欠風(fēng)速（minW）、過風(fēng)速（ maxW ）及回差值。 風(fēng) 速 儀功 能 數(shù) 字 位 移欠 風(fēng) 速過 風(fēng) 速工 作68734512圖 風(fēng)速儀平面圖 2． 參數(shù)設(shè)置： 進(jìn)入欠風(fēng)速、過風(fēng)速設(shè)置畫面 ，再按一下 功能鍵 ；進(jìn)入欠風(fēng)速、過風(fēng)速回差設(shè)置畫面， ，按再按一下功能鍵：液晶顯示主畫面；到參數(shù)設(shè)置完畢。 3．技術(shù)指標(biāo) 測(cè)量范圍：風(fēng)速： 0～ 60M/S 風(fēng)向： 0～ 3600 精 度 :177。177。30 工作電源： AC220V177。20%50HZ，直流 12V、 5V可選。 記錄間隔： 1 分鐘～ 60 分鐘連續(xù)可調(diào) 通訊接口： RS232 工作環(huán)境溫度： 40℃ ～ 50℃ 輸出信號(hào)： 420mA 4．接線端子： 29