风力发电机组偏航控制本科论

密级：内部风电运动控制编程与实践Programming and practice for motion control of wind energy 学 院：电气工程学院专 业 班 级：学 号：学 生 姓 名：指 导 教 师： 2013年06月摘要当今世界面临着环境污染、温室效应、化石能源枯竭等问题。传统结构的能源已经越发不能满足社会的需求。所以可再生能源得到了越来越多的国家与地区的重视。风能是可再生能源中发展最快的清洁能源之一，其具有安全，无污染，清洁，储量丰富等特点，受到各个国家的普遍重视。在众多再生能源中，它最具有大规模开发和商业发展前景。当前，中国风电市场蓬勃发展，由此带动中国风机制造产业呈现欣欣向荣的发展势态。风电机组的控制系统是风能领域中最重要的组成部分之一，它保证了风电机组安全有效的运行。而偏航控制又是控制系统的一个重点。所以，如何使偏航变得更智能、更精确成为了编程人员工作的焦点。本文主要围绕风电机组的偏航程序和部分运动控制程序展开讨论。在文章开始部分介绍了运动控制系统的总体结构，并重点介绍偏航软硬件结构和控制原理。随后以PLC作为主控制单元，设计了偏航系统的电路系统。最后，本文结合偏航过程中的常见问题，如偏航最短路径、电缆的缠绕和对风角计算等，用STEP7软件中的LAD编程语言编写了偏航程序。该程序根据风向、风速传感器采集的数据，经由逻辑控制将控制信号输出给执行机构，实现自动对风、人工偏航和自动解缆等功能。经实验表明, 该系统控制器运行安全,稳定性能良好。关键词：风力发电；偏航控制系统；PLC；硬件设计AbstractTodays world is facing issues, such as environmental pollution, the greenhouse effect, the depletion of fossil fuels. Traditional energy has been increasingly unable to meet the demands of society, so renewable energy has been getting an increasing attention of countries and regions. Wind energy, with the feature of security, pollution-free, clean and rich in storage ,is one of the fastest growing renewable clean energy, so its given priority to all the countries. Of all the renewable energy, it has the greatest developing and business prospects. At the present, the booming wind power market in China promotes the development of wind turbine manufacturing industry. Wind turbine control system is one of the most important part in the field of wind energy, and it guarantees the safe and efficient operation of the wind turbine. .And yaw control is a critical part of the control system. Therefore, how to make yaw control become more intelligent and more precise is the focus to programmers.This article has a discussion on the yaw and partial movement control procedures. At the beginning of the article, it introduces the general structure of the motion control system and put emphasis on the software and hardware structure of the yaw control as well as control principle. Then the article uses PLC as the main control unit to design the wind turbine yaw control system and the hardware structure. Finally, combined with the common problems in the yaw processing, such as the shortest path calculation, cable winding and wind angle, uses LAD in STEP7 software to program. According to the data collected by the wind direction and wind speed sensor, the system achieve the functions including automatic yaw, manual yaw and automatic cast off. Experiments show that the system controller runs security and stability Keywords: wind generation; yaw control systems; PLC; hardware design目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1开发利用风力发电的动因11.2风力发电现状1世界风力发电现状1中国风力发电现状21.3 课题研究的背景和意义3第2章 系统构成42.1控制系统的总体结构42.2偏航控制系统42.3液压控制系统5定桨距风电机组的液压系统5变桨距风电机组的液压系统52.4变浆距控制系统7启动运行状态7欠功率运行状态8额定功率运行状态82.5 主控制PLC结构与特点92.5.1 PLC基本结构92.5.2 PLC的特点102.6 本章小结10第3章 偏航系统硬件结构113.1 硬件组成113.2偏航驱动11偏航驱动装置113.2.2 风速风向传感器113.2.2.1 风速的测量113.2.2.2 风向的测量123.3 偏航保护133.4电路设计133.5 本章小结13第4章 偏航系统控制编程144.1 程序本体流程144.2 人工偏航控制164.3偏航解缆程序设计16解缆程序设计思想16自动解缆子程序184.4自动对风控制194.4.1 自动对风程序设计思想19模拟量输入的转换20自动对风子程序214. 5风机自启动224.6 主程序设计224.7 本章小结23第5章 偏航实验245.1实验构成245.2实验过程255.3实验结果与分析255.3.1 实验结果255.3.2 实验分析27第6章 总结28参考文献29致谢31附录32第1章 绪论1.1开发利用风力发电的动因人类经济的发展与能源的开发和利用密不可分，每一次新型能源的开发利用都使社会发展产生一次质的飞跃。在当今社会，世界能源结构也正在发生着重大的变化，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。以太阳能、风能、海洋能、生物质能、地热能等的可再生能源得到社会的广泛重视。在在这几个能源中，风力发电无疑在应用、经济和商业化方面都最具潜力。风电作为一种新型的清洁能源，其优势得到越来越多的人认可。风力发电的优越性可归纳为四点：（1）风力发电技术安全可靠且经济性高。随着设备的改善，风力发电机组的单机容量与发电质量不断提高，这使得风电成本下降，考虑到环保、交通等因素，风电经济性逐步优于火电。（2）风力发电是清洁能源。顺着全球变暖，人居环境不断恶化。各国都在寻找可替代一次能源的新型环保能源。而风电机组在发电过程中，不会对环境造成污染。相对于火电和核电更为环保。（3）风电建筑用地占地少。塔筒与监控、变电建筑仅占风电场约1%的土地，其余99%的场地可供农、林、牧使用。（4）风力发电场建设周期短。相对于其他常规能源如：煤电、水电、核电等动辄数年的建设周期，风电的单台风电机组安装只用两三个星期，并可同时多台安装。建设一个风力发电场，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间1。 由此可见，风力发电技术具有良好的经济效益和社会效益，它的发展受到全世界各国的高度关注。风力发电技术的研究极为迅猛，单机容量从最初的数十千瓦级发展到兆瓦级；控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展，其趋势将向智能型发电机组发展；运行可靠性从1980年左右的50%，提高到98%以上，且在风场运作的风电机组都可实现集中控制和远程控制；从今后的发展其实来看风电场将从内陆移到海上，这使其发展空间变得更为广阔2。1.2风力发电现状1.2.1世界风力发电现状（1）世界风电工业高速发展尽管2011年全球经济低迷，但风能发展却保持良好势头。根据风能理事会统计数据显示：2011年全球新增风电装机容量达40564MW；新增容量是全球累计风电装机达到237669MW。目前，已有48个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，政策法规对风电发展起到了至关重要的作用。以下为2011年世界风电新增装机容量前10位的国家。可以看出，年新增装机容量超过1GW的国家达到8个。我国的装机容量较2010年的18GW有所下降3。表1-1 截止到2011年世界新增风电装机容量最多的10个国家排名国家装机容量（MW）排名国家装机容量（MW）1中国176316加拿大12672美国68107西班牙10503印度30198意大利9504德国20869法国8305英国129310瑞典763（2）风电成本逐年降低风力发电的成本在过去5年中已下降了20%。当每千瓦装机成本为700欧元且平均风速为7m/s的地区，风电便可与火电、煤电相竞争。根据丹麦RIS国家研究实验室对安装在丹麦的风电机组所进行的评估，从19812002年间，风电成本由15.8欧分/kWh下降到4.04欧分/kWh，预计2010年度电成本下降至3欧分/kWh，2020年降低至2.34欧分/kWh4。（3）海上风电悄然兴起近年来，近海风电技术逐步成为风电领域新的研究与应用的热点。由于海上具有风能丰富、地域平坦宽广等特点，海上风电场的多兆瓦级风电机组商业化运行是风能领域的新的发展趋势。包括瑞典、丹麦、荷兰和英国在内的西方国家已率先对近海风电技术进行了研究。到2003年末，围绕欧洲海岸线，海上风电总装机600MW。位于丹麦南海岸的Nysted风电场目前是世界上最大的海上风电场，其容量为165.6MW，由72台Bonus2.3MW海上风电机组组成，并于2003年12月开始发电。预计到2010年，欧洲海上风电的装机容量将达到10000MW。1.2.2中国风力发电现状我国风能资源比较丰富，目前我国已经探明的风能储量约为3226GW,其中可利用风能约为253GW,主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。在我国风力资源较丰富的边远、无电、缺电地区适合发展中小型独立运行的风电系统，以解决这些地区的生活用电和部分生产用电；在风力资源丰富的南方，电网通达的地区，应以发展较大规模的并网风电系统为主，补充和部分替代常规能源，提高当地的环境质量5。我国从1770年起开始进行并网型风力发电的实验，1996年，国家计委实施了“乘风计划”，开始引进大型风力发电机，建设大型风力发电场。我国目前是全球最大的风电市场,也是全球最大的风力发电机组生产基地。截至2009年年底,中我国国内的风能装机容量2500万kW，共建有42个风电场，分布在13个省（市、自治区）。在全球风能展望2010的所有预测情形中,中国都是风能产业增长最快的单一国家,该报告预计,中国国内的风电装机容量在2020年将达到现在的十倍。 2011年一季度中国风力发电量大增。从国家能源局获悉，今年一季度我国风力发电量达到188亿kW时，增长60.4%，比同期火电、水电、核电增速高出30到50个百分点。中国政府目前公布的风电发展目标是2025年将达到3000万kW6。风电的快速发展，与国家的政策扶持密不可分。“十一五”时期，我国陆续出台了可再生能源法及关于风电建设管理有关要求的通知、可再生能源中长期发展规划等一系列配套政策和实施细则，这些政策不仅为风电长远发展提供了法律保障、政策支持，也明确提出了装备先行、市场化的发展战略。其中2006年1月1日正式实施的中华人民共和国可再生能源法。推动了我国大型风力发电的建设。甘肃、内蒙古、黑龙江、江苏都纷纷开始上马动辄10亿元的风力发电项目7。1.3 课题研究的背景和意义在传统的风力发电控制系统中，控制方法存在诸多不足，结构复杂，编程繁琐，可靠性稳定性不强等众多因素引起较大的能量损失，致使风力发电的成本仍高于常规电力成本。而控制系统以PLC为主控制器，其结构简单，编程方便，可实施性强，并且具有较强的抗干扰能力，可靠性高，易于维护，能够直观的反应现场信号的变化状态，通过编程工具能够直接观测出系统的运行情况，为维护人员查找故障提供了极大的方便，从而缩短了对系统的维护时间。新型的控制算法正在不断的研究和应用，可以大大的提高风能的利用率，有效的提高了风电机组的发电量，从而不断降低了风力发电的成本。在今后的几十年内，国际上风力发电行业将是发展和增长速度最快的行业，风力发电技术也将进入其发展迅速的黄金时期；在我国国内，并网型风电机组装机容量的增长速度明显在加快，离网型风电机组的发展地域性广，潜力大，装机总容量将最终超越并网型的风电机组。与此同时，基于PLC为主控制器的控制系统也将会得到越来越广阔的发展空间8。第2章 系统构成2.1控制系统的总体结构图2.1所示为风力发电机控制系统的结构，针对此控制系统，选用集散型或分布式工业控制计算机，是绝大多数风电机组选用的形式。风电机组的控制系统包括 PLC 系统、数据采集接口、偏航系统、变桨距系统、功率控制系统、并网控制器和液压控制系统。PLC 是机组控制系统的核心，它与风电机组的其他部分密切联系，保证机组的效率和安全9。图2-1 控制系统结构图2.2偏航控制系统风力机的偏航系统也称为对风装置，它是风电机组特有的伺服系统。它主要有以下两个功能：一是要控制风轮跟踪变化稳定的风向，以便风轮获得最大的风能；二是当风电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。小微型风力机指发电功率在10千瓦及其以下的风力发电机。由于小型风力机的结构简单、体型较小，它 常用尾翼作为调向机构。尾翼装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角度。为了避免尾流的影响，也可将尾翼上翘，装在较高的位置。中小型风机可用舵轮作为调向系统。当风向变化时，位于风轮后面两舵轮（其旋转平面与风轮旋转平面相垂直）旋转，并通过一套齿轮传动系统使风轮偏转，当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，偏航结束10。大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向。偏航系统一般包括感应风向的风向标，偏航电机，偏航行星齿轮减速器，回转体大齿轮等。其工作原理如下：主控制器接受完风速风向传感器的风信号后，经过运算得出风向与机舱位置的夹角，从而判断机舱向哪个方向进行偏航。同时主控制器发出指令驱动偏航电机，以调整机舱的方向，达到对准风向的目的11。关于偏航系统的软硬件结构将在后续章节进行详细介绍。2.3液压控制系统风力发电机的液压系统属于风力发电机的一种动力系统，它的主要功能是为变浆控制装置、安全浆距控制装置、偏航驱动和制动装置、停机制动装置提供液压驱动力。风机液压系统是一个公共服务系统，它为风力发电机上一切使用液压作为驱动力装置提供动力。在定桨距风电机组中，液压系统的主要任务是驱动风电机组的气动刹车和机械刹车；在变桨距风电机组中，液压系统主要控制变距机构，实现风电机组的转速控制、功率控制，同时也制控机械刹车机构。定桨距风电机组的液压系统定桨距风电机组的液压系统实际上是制动系统的执行机构，主要用来执行风电机组的开关机指令。通常它由两个压力保持回路组成，一路通过蓄能器供给叶尖扰流器，另一路通过蓄能器供给机械刹车机构。这两个回路的工作任务是使机组运行时制动机构始终保持压力。当需要停机时，两回路中的常开电磁阀先后失电，叶尖扰流器一路压力油被泄回油箱，叶尖动作；稍后，机械刹车一路压力油进入刹车油缸，驱动刹车夹钳，使叶轮停止转动。在两个回路中各装有两个压力传感器，以指示系统压力，控制液压泵站补油和确定刹车机构的状态。2.3.2变桨距风电机组的液压系统变桨距风电机组的液压系统与定桨距风电机组的液压系统很相似，也由两个压力保持回路组成。一路由蓄能器通过电液比例阀供给叶片变浆距油缸，另一路由蓄能器供给高速轴上的机械刹车机构。图2-2为VESTASV39 型风电机组液压系统。图2-2变桨距风电机组液压系统1油箱 2油位开关 3空气滤清器 4温度传感器 5液压泵 6联轴器 7电动机 8主模块 9压力测试口 10滤清器 11单向阀 12压力传感器 13溢流阀 14压力表 15压力表接口 16蓄能器 17节流阀 18可调节流阀 19电磁阀 20比例阀 21电磁阀 22减压阀 23压力开关 24先导止回阀（1）液压泵站液压泵站的动力源是齿轮泵5，为变距回路和制动器回路所共用。液压泵安装在油箱油面以下并通过联轴器6，由油箱上部的电动机驱动。泵的流量变化根据负载而定。液压泵由压力传感器12的信号控制。当泵停止时，系统由蓄能器16保持压力。系统的工作压力设定范围为130145bar。当压力降至130bar以下时，泵起动；在145bar时，泵停止。在运行、暂停和停止状态，泵根据压力传感器的信号自动工作，在紧急停机状态，泵将被迅速 断路而关闭。（2）变浆控制液压变桨距控制机构属于电液伺服系统，变桨距液压执行机构是桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接,节距角的变化同液压缸位移基本成正比。变浆控制系统的节距控制是通过比例阀来实现的。在图2.2中，控制器根据功率或转速信号给出一个（10-10）V 的控制电压，通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，控制比例阀输出流量的方向和大小。点划线内是带控制放大器的比例阀，设有内部LVDT反馈。变距油缸按比例阀输出的方向和流量操纵叶片节距在588之间运动。为了提高整个变距系统的动态性能，在变距油缸上也设有LVDT位置传感器。（3）液压系统在停机/ 紧急停机时的工作情况停机指令发出后，电磁阀191 和19-2 断电，油从蓄能器16-1通过阀19-1和节流阀17 1及阀24 传送到油缸后端。缸筒的前端通过阀19-2 和节流阀17-2 排放到油箱，叶片变距到88机械端点而不受来自比例阀的影响。电磁阀21-1断电时，先导管路压力油排放到油箱；先导止回阀24 不再保持在双向打开位置，但仍然保持止回阀的作用，只允许压力油流进缸筒。从而使来自风的变浆力不能从油缸左端方向移动活塞，避免向5的方向调节叶片节距。在停机状态，液压泵继续自动停/ 起运转。顺桨由部分来自蓄能器16-1，部分直接来自泵5 的压力油来完成。在紧急停机位时，泵很快断开，顺桨只由来自蓄能器16-1 的压力油来完成。为了防止在紧急停机时，蓄能器内油量不够变距油缸一个行程，紧急顺桨将由来自风的自变浆力完成。油缸右端将由两部分液压油来填补：一部分来油缸左端通过电磁阀192、节流阀17-2、单向阀11-5 和24 的重复循环油；另一部分油来自油箱通过吸油管路及单向阀11-5和24。紧急顺桨的速度由二个节流阀17-1和17-2控制并限制到约9/s12。2.4变浆距控制系统变桨距是指安装在轮毂上的叶片可以借助控制技术改变其桨距角的大小，从而改变叶片气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善，其最重要的应用是功率调节。变桨距风电机组根据变距系统所起的作用可分为 3 种运行状态，即风电机组的启动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）13。2.4.1启动运行状态变桨距风轮的桨叶在静止时，桨距角为90，风轮的空转速度也最小。这时气流对桨叶不产生转矩。整个桨叶实际上是一块阻尼板，这个状态成为“顺桨”。当风速达到启动风速时，桨叶向0方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始启动。在发电机并入电网以前，变桨距系统的桨距角给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按照发电机转速的大小，相应改变桨距角设定值的大小。变桨距系统根据给定的桨距角参考值，调整桨距角，进行所谓的速度控制。其控制系统框图如下图2.3所示，转速控制的给定值是恒定的，即同步转速。发电机增速器风轮变桨结构桨距控制器转速控制器转速给定 发电机转速图2-3 变桨控制启动状态（转速控制）框图为了使控制过程比较简单，可以在转速达到发电机同步转速前对桨叶桨距并不加以控制。在这种情况下，桨叶桨距只是按所设定的变距速度将桨距角向0方向打开，直到发电机转速上升到同步转速附近，变桨距系统才开始投入工作。转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过同步转速时，桨叶桨距就向迎风面积增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一定时间后，发电机即并入电网14。2.4.2欠功率运行状态欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态运行。与启动运行相同的道理，在变桨距风力发电机组中，对欠功率状态不加控制。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。2.4.3额定功率运行状态当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。在变桨距控制方式中，这时将进行功率控制，变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。功率反馈信号与给定值进行比较，当功率超过额定功率时，桨叶桨距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度15。发电机增速器风轮变桨结构桨距控制器功率控制器功率给定发电机功率 图2-4 变桨控制额定功率运行状态框图2.5 主控制PLC结构与特点PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。2.5.1 PLC基本结构（1）电源电源是构成PLC控制系统的不可或缺的组成部分。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的。PLC可直接连接到交流电网上去，它将市电电压（AC 120V/230V）转换成DC 24V的工作电压。为PLC的CPU和24V直流负载电路提供电源。（2）中央处理单元（CPU)中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行16。（3）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。（4）输入输出接口电路现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。（5）功能模块如计数、定位等功能模块。（6）通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等17。2.5.2 PLC的特点（1） 功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强。现代PLC具有丰富的功能及各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以根据实际应用对象的要求，灵活组合出要求匹配的控制系统。（2） 使用方便，编程简单，简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言采用的是常规控制电路的设计思想，它更能为计算机知识薄弱的工作人员接受，因此系统开发周期短，现场调试容易。（3）安装简单，容易检修。工作人员只需将PLC相应的I/O端与现场设备相连接，并写入程序即可运行。PLC的运用能够做到在线修改程序，改变控制的方案而无需拆开机器设备， 大大缩短了传统控制设备的安装和维修时间。各种模块上也均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。PLC还有强大的自检功能，这为它的维修提供了方便18。（4）抗干扰能力和可靠性能力都强，远高于其他各种机型。隔离和滤波，是抗干扰的两大主要措施。对PLC的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。另外使输入/输出接口电路的电源彼此独立，以免电源之间的干扰。正确的选择接地地点和完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。为适应工作现场的恶劣环境，还采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。通过以上措施，保证了PLC能在恶劣环境中可靠工作，使平均故障间隔时间长，故障修复时间短。（5）环境要求低。PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。（6）易学易用。PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易。PLC的梯形图是根据继电-接触器硬件逻辑控制原理设计的，将原有电器控制系统输入信号及输出信号作为PLC的I/O点。对使用者来说，即使不需要具备计算机的专门知识，也能快速上手，更易于为工程技术人员接受19。2.6 本章小结本章对风力发电的运动控制系统的各个组成部分做了大体的介绍。包括偏航系统、变浆距控制系统和液压系统。同时，对PLC的基本结构做了大体介绍，并描述其相对其他控制器的优点。第3章 偏航系统硬件结构3.1 硬件组成风力机的偏航系统由偏航控制机构和偏航驱动机构两大部分组成，偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，机械驱动机构则是偏航系统的执行机构。其中偏航控制机构包括：1风向传感器、2偏航控制器、3解缆传感器。机械驱动机构包括：1偏航轴承、2偏航驱动装置、3偏航制动器。 系统的硬件主要有:偏航电机，扭缆开关，风速风向传感器，PLC。3.2偏航驱动偏航驱动装置偏航驱动装置包括偏航电机和偏航减速齿轮机构。在大型风电机组上通常由两台或多台驱动器驱动偏航系统。偏航电机多为三相异步电动机，它与一个直流电磁铁制动器配合进行偏航。电磁制动器的直流励磁电源电机接线盒内的整流装置提供，制动器具有手动释放装置。偏航时，刹车松闸。偏航停止时，刹车抱闸。偏航系统通过齿轮减速器得到合适的输出转速和扭矩，由于偏航速度很慢，减速器传动比很大，通常在1：1000左右，因此采用多级减速器，一般采用二到三级平行轴斜齿轮减速器和两级行星减速器组合而成（BONUS和NEG-Micon机组采用这种机构）。也有采用一级涡轮减速器和一级行星减速器组合而成的减速器（VESTAS机组采用这种机构）20。3.2.2 风速风向传感器 风向风速信号作为偏航控制系统中最关键的输入信号，对其准确的测量将影响整个控制系统的性能。风作为矢量，既有大小，又有方向，其测量包括风向和风速两项。3.2.2.1 风速的测量风速计是测量空气流速的仪器。它的种类较多，常见的风速测量仪器有散热式风速计、旋转式风速计、和声学风速计，但是最经常使用的是旋转式风速计。旋转式风速计的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组件，常用的有风杯、螺旋桨叶片和平板叶片三种类型。风杯旋转轴垂直于风的来向，螺旋桨叶片和平板叶片旋转轴平行于风的来向。风电机组上常常采用的是风杯风速计，它的优点在于它与风向无关。风杯由3个互成120固定在支架上或互成90角的十字形支架上的抛物锥空杯组成其感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。以WAA 15为例，它是一种高响应、低门限、三风杯的光电型风速计。它通过统计单位时间脉冲数来测量风速。首先齿盘可随轴转动，并安置于光电耦合器的发光管与光电三极管之间,光电耦合器装于印制电路板上。转盘有多个齿度,发光管LED 发射的光束因磁盘的转动而被切割,光电三极管即产生脉冲输出。当光束被遮住是时输出为低电平,这样由于连续切割光束就可输出一高一低的脉冲信号，且输出频率与风速成正比21。图3-2 风速传感器结构原理图3.2.2.2 风向的测量风向标一般是由尾翼、指向杆、平衡锤以及旋转主轴四部分组成的首尾不对称的平衡装置。其重心在支撑轴的轴心上，整个风向标可以绕垂直轴自由摆动。在风的动压力作用下，取得指向的来向的一个平衡位置，即为风向的指示。传送和指示风向标所在方位的方法有电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘四种类型，其中最常用的是码盘。以WAV-15为例，它也是光电型传感器,由单风标、格雷码盘、光电组件组成,红外LED 和光电三极管分别安装于6 位格雷码盘上下两侧的6 个窝型孔内。当风标随风向变化而转动时,通过其轴带动轴下端固定着的格雷码盘,在光电组件的狭缝中转动,产生的光电信号经放大整形后,输出对应当时风向的幅度为12V的六位格雷码(每位格雷码只有电平高低的区别,习惯上高电平为1 ,低电平为0) ,转动时风向信号以516度的分辨率为步进变化。测量范围为0360,64 个方位,结构如图3.322 。 图3-3风向传感器结构原理图3.3 偏航保护有时机舱可能长时间向一个风向偏航数圈，这样会造成电缆的缠绕，如果旋转过多圈，电缆将会损坏。所以为了避免这样的事故发生，偏航系统需要解缆系统。解缆系统分为解缆传感器控制的自动解缆和纽缆开关控制的安全链保护两种。解缆传感器安装在机舱底部，通过一个尼龙齿轮与偏航大齿圈啮合，这样在偏航过程中，尼龙齿轮也一起转动。传感器内部设有微处理器和增量式编码器，对尼龙齿轮旋转齿数进行统计与判断是否需要解缆，向哪个方向解缆以及何时停止解缆等。若控制系统没有自动进行解缆，当电缆缠绕达到允许的极限时，触发纽缆开关的安全链保护，机组紧急停机，等待人工处理23。3.4电路设计电路设计见附录一。3.5 本章小结本章介绍了偏航系统硬件的部件组成。以PLC为控制单位设计了偏航系统电路图，该线路设计考虑到了左右偏航驱动互锁、手自动切换、左右偏航极限位置保护。第4章 偏航系统控制编程4.1 程序本体流程风电机组的偏航控制主要完成两个功能：（1）使风轮跟踪方向变化，利于最大风能的捕获；（2）当机舱内的电缆发生缠绕时自动解缆。偏航控制系统框图如图4-1 所示。风力机放大器偏航机构控制器风向信号偏航计数 监测元件 风轮轴方向图4-1 偏航控制系统框图风机上装有风向仪，当风轮的主轴与风向仪指向偏离时，控制器开始计时，这种方向偏差达到一定的时间后，才认为风向确实改变，由控制器发出向左或者向右偏航的指令，直到方向偏差消除。偏航角度大小的检测通过安装在机舱内的角度编码器实现。作为角度编码器失效的后备措施，在由机舱引入塔架的电缆上安装有行程开关，电缆缠绕达到一定程度，行程开关动作，控制器检测到该信号会启动相应的处理程序。在风电机组工作时，如果向一个方向偏航的角度过大，将使由机舱引入塔架的各类电缆发生缠绕，影响整个发电机组的正常工作。因此当偏航角度累计达到1080时，需要启动自动解缆控制程序，通过偏航调节使整个机舱回转1080，完成解缆。解缆完成后，发电机组再进入正常发电的工作状态24。风电机组无论处于运行状态还是待机状态均可以主动对风。当紧急停车时，需要通过偏航调节使机舱经过最短的路径与风向成90夹角。为了实现这样的伺服控制，通过对整个偏航系统的控制过程进行分析。偏航系统的控制过程可以分为：自动解缆、人工偏航、自动对风，如下图所示。开始延时自动偏航人工偏航自动解缆 N N 执行人工偏航执行自动解缆 YYY执行自动偏航 结束图4-2 偏航程序流程图此处先定义风向角和偏航角：风向角 的范围是-180180，定义正北方向为风向角0方向。风向从正北方向顺时针变化时，风向角正向增加，正南方向为180方向；风向从正北方向逆时针变化时，风向角反向增加，正南方向为-180方向。偏航角 的范围是-10801080，同样定义正北方向为偏航角0方向。风轮主轴顺时针旋转时，偏航角正向增加；风轮主轴逆时针旋转时，偏航角反向增加25。风向角和偏航角的定义如图4-3所示图4-3 风向角和偏航角风力机偏航控制系统工作原理是通过测风传感器检测风向、风速，并将检测到的风向信号送到控制器。当需要调整方向时，控制器发出信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，使风电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风电机组的发电效率。4.2 人工偏航控制人工偏航是指当风力发电机自动偏航失效、人工解缆或者是在需要维修和时，通过人工送命令来控制风力发电机偏航的操作。人工偏航控制可通过硬件设计完成，具体实施方案参照上一章的电路设计图。4.3偏航解缆程序设计由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常偏航对风，而且偏航的方向也是不确定的，由此引起的后果是电缆会随风力发电机的转动而扭转。如果风力发电机多次向同一方向转动，就会造成电缆缠绕、绞死，甚至绞断，因此必须设法解缆。当风机偏航超过3 圈（1080）时，运行解缆控制程序，使风机朝扭缆的相反方向偏航解缆，防止内部电缆发生缠绕。解缆子程序的优先级高于偏航子程序26。4.3.1解缆程序设计思想无论是自动对风程序还是自动解缆程序，对机舱位置的记录都是不可或缺的一部分。通过在偏航齿圈旁安装如图琐事的两个位置传感器，可以实现对偏航角的测量。利用两个位置传感器错开安装的方式，安装示意图如图4-4所示图4-4 位置传感器的安装示意图当位置传感器A和B扫描一个齿时，A和B的状态会发生变化。假设设定初始状态A=0，B=0.当下一状态变为A=1，B=0时，则风力发电机正在向顺时针偏航。同理当下一状态变为A=0，B=1时，风力发电机正在向逆时针偏航。顺、逆时针的状态顺序图如表4-1所示。表4-1 顺、逆时针方向位置传感器A、B状态顺序图左偏航两AB信号的一个周期内变化的情况状态1状态2状态3状态4状态5A01100B00110右偏航两AB信号的一个周期内变化的情况状态1状态2状态3状态4状态5A00110B01100当风力发电机电缆缠绕达到设定值时，解缆控制系统根据限位开关发出的信号控制解缆驱动器回转相同转数进行电缆解绕。利用位置传感器检测风力发电机绕缆达到三圈时进行解绕。偏航齿轮有126个齿，当位置传感器A对准偏航齿轮一个齿的齿顶，位置传感器B对准同一个齿的齿底，此时位置传感器A输出为高电平，位置传感器B输出为低电平，将一个齿分为四种状态，则偏航齿轮的状态数计算可得： 1264=504个 （4-1）位置传感器精度为： （4-2）通过两个位置传感器的错位安装，可得此时精度小于1，对于解缆系统来说，这样的精度已经足够。确定了如何判断绕缆方向后，利用公式（4-2）计算扭缆角度： （4-3）式中，为纽缆的角度；为公式（4-8）所算得的传感器精度27。当A、B传感器状态由状态00变为10时，风机为顺时针偏航，此时自动加1，反之自动减1。以此类推，这样就可以得到当前已纽缆的角度。这方法同时用于计算解缆时电机需要回转的角度。自动解缆子程序开始读取机舱偏航角度 机舱偏航角度0 ？ Y N 逆时针偏航解缆顺时针偏航解缆延时延时机舱偏航角度与风向角间夹角5机舱偏航角度与风向角间夹角 0时，则 0 = - 360*n ；（2）当偏航角 0时，则 0 = + 360*n .风向角与0的夹角为，则 =-0 （4-4）若0 180，则风机需进行顺时针偏航对风，使顺时针偏航信号=1；若-180 0，则风机需进行逆时针偏航对风，使逆时针偏航信号=1；若180 360,则风机需进行逆时针偏航对风，使逆时针偏航信号=1；若-360 -180，则风机需进行顺时针偏航对风，使顺时针偏航信号=1。将以上分析汇总出偏航方向判别表，见表4-2，其中: n 为扭缆的圈数,可以通过计数传感器进行测量取整数。表4-2 风机偏航对风方向判别表的取值范围风机偏航对风方向n取值-360 -180顺时针偏航角度对风0,1,2-180 0逆时针偏航角度对风0,1,20 180顺时针偏航角度对风0,1,2,3180 360逆时针偏航角度对风0,1,2,3当检测到风机叶片迎风面方向与风向角之间的夹角超过设定角度（5），风电机组将执行偏航对风，当此角度达到设定角度（1）之内时，风电机组停止偏航。风电机组连续地检测风向角变化，并计算单位时间（10min）内平均风向，然后根据平均风 向判断是否需要偏航，防止在阵风扰动下的频繁偏航。当偏航条件具备时，风电机组释放偏航刹车，偏航电动机动作执行偏航任务。模拟量输入的转换连续变化的物理量称为模拟量，例如温度、流量、压力、速度等。在PLC系统中，CPU以二进制格式来处理模拟值。模拟值输入模块用于将输入的模拟量信号转换成为CPU内部处理的数字信号；模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换成相应比例的电压信号或电流信号，对执行机构进行调节或控制。若需将外界信号传送到CPU，首先通过传感器采集所需的外界信号并将其转换为电信号，该电信号可能是离散的电信号，需通过变送器将它转化为标准的模拟量电压或电流信号。模拟量输入接受到这些标准模拟量信号后，通过ADC转换为与模拟量成正比例的数字量信号，并存放在缓冲器（PIW）中。CPU通过“L PIWx”指令读取模拟量输入模块缓冲器中的数字信号，并传送到CPU制定的存储区中29。在PLC程序中要对相应信号进行比较、运算时，通常先要将该型号转换称与传感器量程对应的实际物理值。STEP7中的功能FC105能完成这样的转换。表4-3 FC105参数定义参数类型数据类型描述EN输入BOOL输入使能端，高电平有效IN输入INT要转换为工程量的量程输入值HI_LIM输入REAL现场信号的最大量程值LO_LIM输入REAL现场信号的最小量程值BIPOLAR输入BOOL输入极性设置：1表示输入为双极性，0表示输入为单极性ENO输出BOOL输出使能端，正确执行完毕，则输出为1RET_VAL输出WORD功能故障字：返回值为W#16#0000表示指令执行正确。若返回不是该值，则需在错误信息中查该值的含义OUT输出REAL转换结果FC105可以将输入的整数转换为实际的工程值，结果由OUT输出，其公式如下：OUT=(FLOATIN-K1K2-K1)(HI_LIM-LO_LIM)+LO_LIM常数K1、K2的值取决与输入值（IN）的极性。若BIPOLAP为1，表示K1和K2的数值为双极性；若BIPOLAP为0，表示K11和K2的数据为单极性。因为在风速风向传感器会将数据以电流的形式传送给PLC进行处理，所以本设计中，将用到功能FC105实现数据之间的转化。4.4.3自动对风子程序开始读取风向角值，由风向传感器输入信号进入PLC模拟量模块读取机舱位置（偏航角） 00 = + 360*n0 = - 360*n得到风向角与0的夹角为，=-0夹角在允许范围内Y N 1803600180-1800-360-180 顺时针偏航对风逆时针偏航对风逆时针偏航对风顺时针偏航对风延时延时延时延时夹角在允许范围内 Y记录当前位置图4-6 自动对风控制子程序流程图自动对风子程序见附录三。4. 5风机自启动当风速仪检测到单位时间内的平均风速达到风机的切入风速时，系统自动采集来自于风速仪的风速数据，PLC发出启动信号，开始偏航对风，机械刹车松开，自动控制桨距角到合适的角度，直到发电机的转速达到额定转速，并发出并网信号30。当风速达到切入风速时，刹车松开。开始偏航对风，否则循环。4.6 主程序设计以上程序只是主程序的一部分，需要将其编入主程序中。程序控制指令可执行子程序的调用，所以可将自动对风程序、偏航解缆程序、自启动、模拟量转数字量和控制算法程序分别编入FC中，并使用CALL指令对其进行调用，使之成为一个完整的偏航控制程序。主程序应先检查风速是否达到切入风速，当达到切入风速后，启动风力发电机组。然后检查是否需要解缆，如果是，则进行解缆程序。否则进行偏航对风。流程图如图4