【正文】 le so that the wind power technology will be rapid development. Wind power technology involves the disciplines of aerodynamics, mechanical, electrical and automatic control theory. It is important to resolve a number of key techniques for largescale development of wind energy. Wind turbine pitch control is a challenging problem and indepth study has important practical significance. Reading a large number of domestic and foreign literatures to study working principle and to pare the pitch drives, and ultimately determine the pitch control system which is independent electric pitch in this paper. Design the control strategy of wind turbines on different wind speeds which based on the analysis of the wind motor aerodynamics,. The control stability of PID is good and the control algorithm is simple, fast response and can achieve without different adjustment, so this paper uses the PID control algorithm. PLC has many advantages in industrial control and reasonable price. Concerning about all round factors, we have chosen the S7200 as a controller in this paper. Subsequently, control hardware blocks diagram and schematic of the pitch controller based on PID control were designed. Based on the STEP 7 Micro WIN SP6, we design the pitch controller software. Key words: Wind turbine。 VSCF。它不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的大氣污染。 日前風(fēng)能是具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源之一。現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要包括進(jìn)一步提高可靠性 、提高效率 和降低成本。根據(jù) 不完全 數(shù)字 統(tǒng)計 ，在全國陸地上風(fēng)能的技術(shù)可開發(fā)量共計約 （根據(jù)地面以上 10m高度的風(fēng)力資料計算得出），在海上可開發(fā)利用的風(fēng)能資源約 ，風(fēng)能資源的總量高達(dá) 10億千瓦，所以我國開發(fā) 和 利用 風(fēng)能的 潛力非常大 [1]。 《全球風(fēng)能展望 2021》報告稱， 2021年，在每 3臺安裝完成的風(fēng)電機(jī)組中，就有 1臺 安裝 在中國。 隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷成熟和發(fā) 展，變槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性越來越突 顯 ； 于是 風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的可靠性有了大大的提高； 再加上 擁有高的風(fēng)能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線； 進(jìn)而 由于葉輪的重量有所減輕，因此風(fēng)力機(jī)的受力狀況有了極大的改善，這就使風(fēng)力機(jī)在不同的風(fēng)速下運(yùn)行時，始終保持著最佳的轉(zhuǎn)換效率，從而獲得最大的輸出功率，提高風(fēng)能利用率。 2 選題的意義 變槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很多的優(yōu)越性，變槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將會成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展的主流 [2]?？刂破髟O(shè)計的是否合理直接關(guān)系到變槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否能夠正常 、 可靠 、 安全的運(yùn)行。為了開發(fā)利用我國的風(fēng)力資源，應(yīng) 盡快研制生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電設(shè)備， 以 減少對進(jìn)口設(shè)備的依賴，降低風(fēng)電的制造成本對我國的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有 極其 重要的意義。 風(fēng)力發(fā)電變槳控 制系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展到 20世紀(jì) 80年代，風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)還 比較 少，技術(shù)也不夠成熟， 發(fā)展 到 90年代中期，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，設(shè)計 、 制造技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品進(jìn)入商品化階段，功率等級從幾十千瓦到幾百千瓦，逐漸發(fā)展為兆 瓦 級。 國外最早的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采用定槳 矩 系統(tǒng) [3]。 對于定槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用系數(shù)高，而當(dāng)風(fēng)速接近額定點(diǎn)，風(fēng)能利用系數(shù)開始 大 幅度下降，這時隨著風(fēng)速的升高，功率上升己趨緩，而過了額定點(diǎn)后，槳葉已開始失速，風(fēng)速升高，功率反而有所下降。 目前世界上風(fēng)力發(fā)電機(jī)上大多采用變槳 矩 控制系統(tǒng)。變槳系統(tǒng)按照原理有分為電動變槳和液壓 變槳兩種，主要是動力不一樣，電動變槳用伺服電機(jī)驅(qū) 3 動，液壓變槳用液壓缸驅(qū)動。 Vestas所占份額最大，超過百分之三十，他連同 Gamesa都主要采用液壓變槳系統(tǒng) [5]。 我國早在上個世紀(jì)七八十年代開始研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，但直到 90年代，風(fēng)力發(fā)電才真正從科研走向市場。雖然我國近幾年風(fēng)電發(fā)展快，但是相比國外，我國在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)上的研究比較落后。 本論文主要工作 隨著 常規(guī) 能源的消耗越來越大，越來越多的國家都在加快風(fēng)力發(fā)電的步伐，尤其是中國這樣的大國，能源消耗特別大，所以要積極開發(fā)新能源、綠色能源。隨著我國對風(fēng)電的越 來越重視，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將會快步前進(jìn)。本文的主要研究工作有以下幾點(diǎn)： 1）查閱 大量 相關(guān)風(fēng)力發(fā)電的國內(nèi)外相關(guān)資料，了解風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢和最新動態(tài)。 3） 對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動力學(xué)特性進(jìn)行分析，確定不同 風(fēng) 速段的不同控制策略。 5）對 本次設(shè)計進(jìn)行思考和總結(jié)。變槳 矩調(diào)速方式和變速恒頻技術(shù)， 在捕獲風(fēng)能效率和穩(wěn)定輸出功率等問題上 顯示出優(yōu)勢，逐漸占據(jù)了風(fēng)力發(fā)電 技術(shù) 的主導(dǎo)地位。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成 目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)有常見的幾種結(jié)構(gòu)形式如異步感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。 [6] 圖 永 磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī) 5 槳葉系統(tǒng) 風(fēng)輪是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部件，風(fēng)以一定的速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，進(jìn)而通過增速器驅(qū)動發(fā)電機(jī)。對于水平軸風(fēng)力機(jī)，功率調(diào)節(jié)方式可分為兩類，即變槳 矩 功率 調(diào)節(jié)與定槳 矩 失速功率調(diào)節(jié)。 就是根據(jù)計算所得的實(shí)際安裝角將其固定到輪 轂 上，不能變動葉片安裝角。稱槳葉的這一特性為自動失速性能。為解決這樣的問題，制造商家通過改善葉輪的制造材料，采用加強(qiáng)玻璃塑料、碳纖維強(qiáng)化塑料、鋼和鋁合成。由于葉尖部分處于 矩 離軸的最遠(yuǎn)點(diǎn)，整個葉片作為一個長的杠桿，擾流器產(chǎn)生的氣動阻力相當(dāng)高，足以使風(fēng)力機(jī)在幾乎沒有任何磨損的情況下迅速減速，這一過程即是槳葉空氣動力剎車。 隨著風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量的不斷 增加，風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率和可靠性的不斷改善，大中型風(fēng)力機(jī)的葉片材料逐漸由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維。 增速箱的低速軸接槳葉，高速軸 連接 發(fā)電機(jī)（直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)則沒有齒輪箱機(jī)構(gòu) ） 齒輪箱系統(tǒng)的特點(diǎn)是 ： （ 1） 低速軸采用行星架浮動，高速軸采用斜齒輪（螺旋齒輪）浮動，這種兩級或者三級的復(fù)合齒輪形式，使結(jié)構(gòu)簡化而緊湊，同時均載效果好。在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)的極數(shù)愈多，增速箱的傳動比就可以越小。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計通常要求在無人值班運(yùn)行條件下工作長達(dá) 20年之久，因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗(yàn)。在齒輪箱的使用中，應(yīng)根據(jù)使用地點(diǎn)的不同添加潤滑油冷卻或加溫機(jī)構(gòu)，以確保齒輪箱的潤滑，增加其使用壽命。開發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是我國日后風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造的趨勢之一。該齒輪箱系統(tǒng)是一個 3級行星 /螺旋（斜齒輪）復(fù)合機(jī)構(gòu)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的發(fā)電機(jī)一般采用異步發(fā)電機(jī)，對于定槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機(jī)，這一方案不僅解決了低功率時發(fā)電機(jī)的效率問題 ，而且還改善了低風(fēng)速時的葉尖速比。所以，有些風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用無刷雙反饋電機(jī)，該電機(jī)定子有兩套極數(shù)不同的繞組，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，無須滑環(huán)與電刷，可靠性高。但對于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，采用的是永磁同步發(fā)電機(jī)形式。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在我國是一種新型的產(chǎn)品，但在國外已經(jīng)發(fā)展了很長時間。 圖 為雙反饋異步感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)，通過軸承與齒輪箱機(jī)構(gòu) 連接 。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng) 狀況 和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，而且還要根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對機(jī)組 8 進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電量。 定槳 矩 風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制的，槳葉的節(jié) 矩 角在安裝時已經(jīng)固定；發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速則是由電網(wǎng)頻率限制。 變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，則在控制性能方面，大大改善，不但在起動時可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，在并網(wǎng)后則可對功率進(jìn)行控制。 使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。風(fēng)向標(biāo)是偏航系統(tǒng)的傳感器，將風(fēng)向信號發(fā)給控制器，經(jīng)過與機(jī)艙的方位進(jìn)行比較后，發(fā)出指令給偏航電機(jī)，驅(qū)動小齒輪沿著與塔架頂部固定的大齒圈移動，經(jīng)過偏航軸承使機(jī)艙轉(zhuǎn) 動，直到機(jī)艙對準(zhǔn)風(fēng)向后停止。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隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動而扭轉(zhuǎn)。不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要解纜時的纏繞圈數(shù)都有其規(guī)定。若因故障，自動解纜未起作用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也規(guī)定了一個極值 圈數(shù)，在紐纜達(dá)到極值圈數(shù)左右時，紐纜開關(guān)動作，報紐纜故障，停機(jī)等待人工解纜。 9 塔架 用來支撐風(fēng)力機(jī)及機(jī)艙內(nèi)各種設(shè)備，并使之離開地面一定高度，以使風(fēng)力機(jī)能處于良好的風(fēng)況環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)。 制動系統(tǒng) 其功能是當(dāng)風(fēng)力機(jī)需要停止運(yùn)轉(zhuǎn)或在大風(fēng)時使風(fēng)力機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)以達(dá)到維修或保護(hù)風(fēng)力機(jī)的目的。在大中型風(fēng)力機(jī)中多采用 液壓或電氣制動方式實(shí)現(xiàn)抱閘停車。緊急停機(jī)意味著在極短的時間內(nèi)，風(fēng)機(jī)的制動系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)由運(yùn)行時的額定轉(zhuǎn)速變?yōu)榱?。緊急停機(jī)的設(shè)置是為了在出現(xiàn)緊急情況時保護(hù)風(fēng)電機(jī)組安 全的。針對上述情況，對控制電路作了相應(yīng)的改進(jìn)。 1. UPS 儲能元件有蓄電池和超級電容 2 種 2. 超級電容作為一種新型儲能裝置，具有以下特點(diǎn)： 1) 電阻很小，壽命超長。 10 3) 儲能巨大。 5) 充放電能力強(qiáng)，對充放電電路要求簡單。 空氣動力學(xué)原理 葉素理論 葉素理論將葉片等效為若干個基本單元進(jìn)行研究， 將每個基本單元稱作葉素。 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度為r? ， 則 半徑為 r 處葉素的圓周速度為 rr? ，而風(fēng)輪平面的絕對風(fēng)速 為 v ，葉片的相對風(fēng)速 refv 和風(fēng)輪的圓周速度 rr? 三者之間的關(guān)系是 ref rv v r??? 。 I 是 refv 和風(fēng)輪掃掠面的夾角，稱作入流角。單個葉素受到的升力和阻力可以表示為升力系數(shù) LC 和阻 力系數(shù) DC 的 函數(shù) [8]： 圖 葉素受 力分析 ? ?212L re f Lf c v C??? 式 () ? ?212D ref Df c v C??? 式 () 其中 : c 為葉素弦長， ? 為空氣密度。 假設(shè)單位時間內(nèi)流經(jīng)截面積為 A 的氣體體積為 V ，則有： V Av? 式 () 該體積的空氣質(zhì)量為： mV?? 式 () 則氣流所具有的動能為： 312E Av?? 式 () 風(fēng)能利用系數(shù)與貝茲理論 風(fēng)輪作為 風(fēng)電機(jī)組的能量捕獲 和轉(zhuǎn)換 部件，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為主軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，該能量經(jīng)過齒輪箱傳遞到發(fā)電機(jī)。貝茲理論假定風(fēng)輪是一個平面槳盤 (即 無 輪轂 ，葉片無窮多 )，經(jīng)過風(fēng)輪的氣流沒有阻力，且整個風(fēng)輪掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向在通過風(fēng)輪前后都平行于風(fēng)輪軸線。由于風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)，在靠近 風(fēng)輪處及風(fēng)輪 后某 距離 處的氣流速度均有所降低，同時，氣流通過風(fēng)輪 前到達(dá)靠近風(fēng)輪處時，空氣壓力升高，而通過風(fēng)輪后壓力急劇下降，形成某種程度的“真空”，之后“真空”程度逐漸減弱，直到恢復(fù)原來的壓力 [11]。貝茲理論中，沒有 考慮渦流損失，而是假設(shè)在葉尖速比 3?? 時，葉片翼形優(yōu)化，渦流損失很小。 圖 風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線 風(fēng)能利用系數(shù) PC 在葉尖速比為 opt? ，時取到最大值。變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可以使機(jī)組在葉尖速比恒定的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使 PC 在較大風(fēng)速范圍內(nèi)保持最大值。對于任意葉尖速比λ，葉片 槳 矩 角