【正文】 機(jī)等作為風(fēng)電專用發(fā)電機(jī)。葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過齒輪的傳動(dòng)遞給發(fā)電機(jī)。 齒輪箱按照傳動(dòng)的方式可以分為：展開式，分流式，同軸式和混合式。 圖 22 風(fēng)力發(fā)電齒輪箱 偏航系統(tǒng)也稱作對(duì)風(fēng)裝置 ，被安裝在機(jī)艙座內(nèi)。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 8頁(yè) 共 46頁(yè) 塔架部件 塔架的功能是支撐位于空中的機(jī)艙 、 輪片等風(fēng)力發(fā)電主要器件，一般要求高度達(dá)到六十米以上，且塔架與地基相連接處要求牢固，能夠承受強(qiáng)大的風(fēng)力沖擊以及有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行引起的不同載荷，將這些載荷接地消除，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全地運(yùn)行下去。塔架 內(nèi)部空間大，必須配有爬梯與安全導(dǎo)軌，備以工作人員操作、維護(hù)。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部分，它關(guān)系到系統(tǒng)中每一個(gè)部件的動(dòng)作和狀態(tài)。控制系統(tǒng)的功能主要有對(duì)運(yùn)行過程的模擬量和數(shù)字量進(jìn)行采集、傳遞、分析、運(yùn)算，從而做出命令控制風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行，使得功率輸出穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速在合理的范圍內(nèi)；若出現(xiàn)故障或者遇到異常情況可以快速準(zhǔn)確地檢 測(cè)到并且分析原因，做出相應(yīng)的保護(hù)措施或停機(jī)。 圖 23 為 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組 控制系統(tǒng)示意圖。它只可給出相關(guān)風(fēng)的近似概念，并且因?yàn)閭鞲衅鞯膽T性作用，風(fēng)速的瞬時(shí)值只能近似地測(cè)量。 假設(shè) m 為氣體質(zhì)量， ρ為空氣密度。mv2 （ ） 單位時(shí)間里氣體流過截面 S 的氣體體積是 V，那么 V=Sv （ ） 單位氣體體積的質(zhì)量為 m=ρV=ρvS （ ） 流動(dòng)氣體具有的動(dòng)能 為 E=189。v3ρS （ ） 據(jù)風(fēng)能表達(dá)式可知，風(fēng)能的大小與流過截面的面積和氣體的密度相關(guān) 且成正比，與氣體流速的立方也成正比。 P 為當(dāng)?shù)卮髿鈮海?t 為當(dāng)?shù)卮髿鈮海瑒t氣體密度計(jì)算公式： ρ= （ ） （ ） 本章小結(jié) 本章主要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的四個(gè)主要組成部分 ：風(fēng)輪及其組件、機(jī)艙及其組件、塔架部件和控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了它們 的構(gòu)造和功能 。 101325*)273( p? 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 10 頁(yè) 共 46頁(yè) 3 設(shè)計(jì) 方案和電氣元件選 型 設(shè)計(jì) 方案 風(fēng)力發(fā)電的主要工作原理 ： 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能 ， 這 也是發(fā)電機(jī)工作的原理。 發(fā)電機(jī)運(yùn)作 后 ，在運(yùn)作過程中溫度傳感器、風(fēng)向傳感器、測(cè)速傳感器將測(cè)得的各類 參數(shù) 模擬量 A/D 轉(zhuǎn)換后 傳送給 PLC 進(jìn)行分析， PLC 根據(jù)分析后的結(jié)果，做出相應(yīng)的動(dòng)作，例如 啟動(dòng)發(fā)電機(jī)開始工作， 隨風(fēng)向的變化驅(qū)動(dòng)電機(jī)隨之旋轉(zhuǎn)，繞纜時(shí)自動(dòng)停機(jī)，運(yùn)行冷卻機(jī)當(dāng)機(jī)艙 或塔架溫度過高 時(shí) ，變壓器運(yùn)作控制 等。 最后 還有 將輸出的直流電流經(jīng)過濾波器濾波，送入電流變換裝置成 為三相交流電， 這兩部分控制要求在 本文 中不涉及?？刂祈樞?yàn)椋紫认到y(tǒng)初始化啟動(dòng)后，進(jìn)行發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，接著進(jìn)行偏航控制，然后控制溫度的變化，最后控制變壓器的啟動(dòng)與停止。 在設(shè)計(jì)中 四個(gè) 基本控制 要求 是 ：（ 1） 發(fā)電機(jī)啟動(dòng)之前，將外界風(fēng)速模擬量轉(zhuǎn)換后傳送至內(nèi)存單元 ， 與正常發(fā)電的風(fēng)速范 圍進(jìn)行比較，不在范圍內(nèi)則警報(bào)進(jìn)行手動(dòng)停機(jī)，在范圍內(nèi)則啟動(dòng)發(fā)電機(jī)；（ 2） 事先編制好風(fēng) 向標(biāo)夾角的角度區(qū)間，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)后，將外界風(fēng)向模擬量轉(zhuǎn)換后傳送給控制器，將角度數(shù)據(jù)分析后歸相應(yīng)角度區(qū)間進(jìn)行控制，運(yùn)作向左偏航電機(jī)或者向右偏航電機(jī)，使之偏轉(zhuǎn)到合適風(fēng)向范圍內(nèi) ；（ 3） 對(duì)機(jī)艙和塔架內(nèi)部的溫度進(jìn)行控制，因?yàn)槭菍?duì)模擬量 的閉環(huán)控制，所以采用 PID 控制方法。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 本文 中，控制方 式將采取順序控制 和中斷控制 。在正常風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，接下來進(jìn)行各類控制，控制的目的是使風(fēng)力得到最大程度的利用。 因?yàn)槭菍?duì)模擬量的閉環(huán)控制，所以 針對(duì)溫度的變化 采用 PID 控制 方法 。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 11 頁(yè) 共 46頁(yè) 圖 31 表示 這個(gè) 系統(tǒng)流程框圖 ： 圖 31 系統(tǒng)程序 流程 圖 具體模塊設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng) 不同方面 的 功能 ，將整個(gè)系統(tǒng)分 為 四個(gè) 主要 模塊： 發(fā)電機(jī) 啟動(dòng)模塊、偏航控制模塊、 溫度 控制模塊 和變壓器控制模塊 。 （ 1） 發(fā)電機(jī) 啟動(dòng)模塊 這一模塊的功能是啟動(dòng)系統(tǒng)總開關(guān)， PLC 初始化 。 Y 啟動(dòng) 控制器初始化 采集 風(fēng)速 參數(shù) 大于 額定參數(shù) 啟動(dòng)發(fā)電機(jī) 偏航控制 停機(jī) 溫度控制 N 變壓器控制 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 12 頁(yè) 共 46頁(yè) 發(fā)電機(jī) 啟動(dòng)模塊的順序控制流程圖 如下 ： 圖 32 初始化啟動(dòng)控制流程圖 （ 2） 偏航控制模塊 偏航控制系統(tǒng)包含偏航控制機(jī)構(gòu)與偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) [5]。 偏航驅(qū)動(dòng)裝置常用伺服電動(dòng)機(jī)和偏航減速齒輪。側(cè)風(fēng) 和 自動(dòng)解纜控制。在 本文 中涉及 到的偏航控制指的即為風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動(dòng)偏航。 這是個(gè)典型的位置伺服控制系統(tǒng)。 在 本文 中，設(shè)計(jì)一個(gè)偏航 工作區(qū)間為 145176。的控制系統(tǒng)，控制次數(shù)僅為一次。只有風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直 于 風(fēng)向，即 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪法線與風(fēng)向一致，風(fēng)電機(jī)吸收的功率最大。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變，超出允許誤差范圍時(shí)，控制器發(fā)出自動(dòng)偏航指令，風(fēng)向傳感器和偏左、偏右電動(dòng)機(jī)組成的自動(dòng)對(duì)風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動(dòng)作。 偏航電機(jī)是電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。 根據(jù)風(fēng)向傳感器信號(hào)得到的風(fēng)向標(biāo)夾角信號(hào)給出偏航控制指令，當(dāng)角度為 180176。189176。當(dāng)角度 155176。165176。171176。當(dāng)角度在 189176。時(shí)，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作 20 秒，當(dāng) 角度在 195176。之間，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作 50 秒，當(dāng)角度在 205176?？梢钥闯?，偏轉(zhuǎn) 10176。 以上所述的 角度區(qū)間控制 原理 可以用圖 33 進(jìn)行表示： 圖 33 偏航角度區(qū)間控制原理圖 偏航控制系統(tǒng) 模塊的順序控制流程圖如圖 34， 從圖中可以看出，偏航控制的次數(shù)僅為一次，若要求再次進(jìn)行偏航控制，必須將機(jī)艙水平軸撥到與風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面垂直的位置。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 14 頁(yè) 共 46頁(yè) 圖 34 偏航控制流程圖 （ 3） 溫度控制模塊 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用溫度傳感器檢測(cè)溫度，送入 PLC 的模擬量的輸入模塊，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為與溫度成比例的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)， PLC 將它與溫度參定值進(jìn)行比較，按照 PID 控制算法對(duì)誤差進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果再送入模擬量輸出模塊，進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)， 將電力設(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生的熱氣排出室外，并且 控制冷卻機(jī)運(yùn)作， 向室內(nèi)傳送冷 氣流 進(jìn)行降溫，這樣 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。由于氣體壓力波動(dòng)，各元器件溫度各不相同，溫度不勻等擾動(dòng)因素影響，會(huì)破壞機(jī)艙溫度的穩(wěn)定，通過閉環(huán)控制可以有效地抑制各種擾動(dòng)因素的影響，使控制更加有效。 PID 控制 器因?yàn)榫哂胁恍??????????90 s 155 176。 171 176。 195 176。????50 s????90 s???????????YNYYYYYNNNNN常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 15 頁(yè) 共 46頁(yè) 要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，有很強(qiáng)的靈活性、實(shí)用性，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以 將有效地提高 PLC 設(shè)計(jì)效率。 比例系數(shù) Kc 反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使得系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢(shì)變化。微分系數(shù) TD 反應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率， 預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。 在這個(gè)溫控系統(tǒng)中， 控制器的參數(shù)的整定方法是工程整定法，主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，并且方法簡(jiǎn)單、容易掌握 。實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。將比例控制作用由小變到 大，觀察各次響應(yīng)，直至出現(xiàn)反應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線。在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求時(shí)，則需要加入積分控制。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并且相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)湊試至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。經(jīng)過步驟二， PI 控制只能消除 穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，此時(shí)應(yīng)該加入微分控制，構(gòu)成 PID 控制。 (a)積分整定作用 (b)微分 整定作用 圖 37 偏差階躍變化分別經(jīng)積分、微分整定圖 圖 38 偏差階躍變化經(jīng)比例、積分和微分綜合整定圖 根據(jù) 上述 實(shí)驗(yàn)湊試法 ，對(duì)這個(gè)溫控系統(tǒng)進(jìn)行分析 ，分別 反復(fù)湊試各個(gè)參數(shù)，得到最滿意的響應(yīng)曲線 ，圖 39 為系統(tǒng)經(jīng) PID 各系數(shù)整定后的階躍響應(yīng)曲線 。系數(shù)越大，偏差也隨之變大，過渡過程容易震蕩。 測(cè)試積分 系 數(shù) TI 時(shí)，將 比例系數(shù) 減小到原來的一半，首先置積分系數(shù)為 ，發(fā)現(xiàn) 不能很好地消除由比例系數(shù)整定后產(chǎn)生的余差。在湊試積分系數(shù)為 時(shí)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠較好地將余差消除。 因?yàn)樵摐乜叵到y(tǒng)的特點(diǎn)具有大慣性、大滯后性，所 以使用微分系數(shù)調(diào)節(jié)沒有效果。因此，設(shè)定微分系數(shù)為 。 P(k) KC*E t=0 t() 積分時(shí)間 P(k) Td*E t=0 t() 微分時(shí)間 P(k) t=0 t() 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 17 頁(yè) 共 46頁(yè) 圖 39 溫控 PID 參數(shù)整定階躍響應(yīng)圖 在這個(gè)溫度控制系統(tǒng)中， 機(jī)艙和塔架內(nèi)部的溫度設(shè)定值、增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間和微分時(shí)間都已在程序中設(shè)定，溫度設(shè)定值為 ，增益為 ，采樣時(shí)間為 ，積分時(shí)間為 ，微分時(shí)間為 。 溫度設(shè)定值 表示實(shí)際溫度為 25℃ 。 只要啟 動(dòng)溫控系統(tǒng)，進(jìn)氣閥就會(huì)放冷氣流進(jìn)入降溫，檢測(cè)室溫，過程變量高于溫度設(shè)定值，繼續(xù)進(jìn)氣，若過程變量低于溫度設(shè)定值，立即停止進(jìn)氣。 機(jī)艙是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中很重要的組成部分，假若溫度過高將會(huì)影響發(fā)電機(jī)、主軸、齒輪箱等重要元器件的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重的甚至燒壞電纜，毀壞電機(jī)。塔架內(nèi)部配置 控制器 ，還必須 放置變 壓器和線纜 將發(fā)電機(jī)運(yùn)作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網(wǎng)。 因?yàn)榇嬖诳刂破?、?jì)算機(jī)系統(tǒng)、變壓器等各類重要的電力設(shè)備，所以控制塔架內(nèi)溫度是十分必要的。具體流程是：?jiǎn)?dòng)送風(fēng)電動(dòng)機(jī)循環(huán)冷氣流，開啟進(jìn)氣閥給室內(nèi)降溫，經(jīng)過一段時(shí)間關(guān)閉閘門 ；控制 室內(nèi)溫度 時(shí)滿 1 小時(shí)后 進(jìn)行排氣；按下停止按鈕后，關(guān)閉送分電動(dòng)機(jī)和排氣閘門。 在這個(gè) 溫 控 系統(tǒng)中，我們需要兩個(gè)測(cè)溫模擬量輸入點(diǎn)，兩個(gè)需要冷卻機(jī)工作輸送冷氣流的模擬量輸入點(diǎn)，兩個(gè)需要排氣閥排出 氣流的模擬量輸出點(diǎn)。進(jìn)氣閥有三個(gè)按鈕，分別為啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和急停按鈕。 （ 4） 變壓器控制模塊 在變壓器控制系統(tǒng)中，將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的高壓（此電壓為傳輸?shù)礁邏狠旊娋€路的高電壓）。變壓器運(yùn)作的條件是 在變壓器啟動(dòng)按鈕按下時(shí)此時(shí) 發(fā)電機(jī) 正 在 運(yùn)作 狀態(tài) ，若 無 第二個(gè)條件存在，發(fā)電機(jī)無電壓進(jìn)行耦合，所以在發(fā)電機(jī)運(yùn)行的條件下按下啟動(dòng)按鈕，變壓器則會(huì)工作。所以在這一模塊中，變壓器的運(yùn)行和停止分別需要兩個(gè)開關(guān)條件的實(shí)現(xiàn)。 I/O 地址分配 與電 氣元件選型 I/0 地址分配 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和控制流程圖的要求，可以設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)為 11 個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)為 11 個(gè)，擴(kuò)展模擬量輸入模塊 EM231 模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為 4 個(gè)，擴(kuò)展模擬量輸出模塊 EM232 模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為 2 個(gè)。 表 32 是與風(fēng)力發(fā)電控制 程序 相關(guān)的 存儲(chǔ)器注釋內(nèi)容。 整體式 PLC 將 CPU、輸入 /輸出口與電源裝備在一個(gè)箱型機(jī)殼內(nèi)。根據(jù)控制規(guī)模的大小，即輸入 /輸出點(diǎn)的多少，選擇相應(yīng)的 CPU 型號(hào) 。 選擇西門子 S7200CPU226 型號(hào)，有 24 點(diǎn)開關(guān)量輸入， 16 點(diǎn)開關(guān)量輸出， 6 個(gè)計(jì)數(shù)器，擴(kuò)展輸入 /輸出模板數(shù)量為 7 個(gè)。 西門子 S7200 提供外接擴(kuò)展模擬量輸入輸出模塊。模擬量輸入模塊 EM231CN 具有 4 路模擬量輸入通道，為 24V DC 狀態(tài)。 變壓器運(yùn)行變壓器啟動(dòng)按鈕按下變壓器停運(yùn)變壓器停止按鈕按下發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)停運(yùn)常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 20 頁(yè) 共 46頁(yè) 其他器件的選型 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中所需用到了一些電氣元件有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變