基于PLC变桨系统的研究毕业论文_1

1、. . . . 摘 要风力发电作为绿色能源在全世界迅速发展，这是解决世界能源危机的重要途径，在这个背景下本文对直驱式永磁风力发电控制系统进行了应用设计。本文以风力发电的工作原理等基础理论为基本理论，得到一种控制风能的利用效率的变桨控制的基本控制策略；通过比较当前流行的几个风力发电机组的结构和不同控制方案之间的不同特点；分析了直驱式永磁风力发电的性能和特点，最终得出本机组需要采用以“同步高速、无刷励磁旋转、全功率的逆变”为核心的技术路线。本论文最后完成了风力发电机控制系统的设计，以控制系统所要实现的功能为基础，根据控制系统的要求，分析了系统输出和输入的信号，简单阐述了组成控制系统的硬件系统的可编

2、程处理器和最主要的控制信号变送器，确定了传感器的类型以与各硬件的配置；以这些为基础讨论了一些控制系统的控制策略，研究设计了主程序的流程图，变桨距控制图，并详细的研究了变桨距的控制过程，得出了控制原理和结构组成。关键词：风力发电机；控制系统；变桨控制AbstractThe rapid development of wind power as a green energy in the world , this is an important way to solve the world's energy crisis, in this context this paper, the di

3、rect-drive permanent magnet wind turbine control system application design .Structures and different control schemes by comparing several currently popular among wind turbine ; This paper -based wind power works for the basic theory and other theories to obtain a controlled wind energy utilization e

4、fficiency of the basic control strategy pitch control different characteristics ; analyze the performance and features direct-drive permanent magnet wind power , concluded the unit needs to adopt a " synchronous speed , brushless excitation rotation, full power inverter '' as the core t

5、echnology roadmap .Finally completed the design of the wind turbine control system to control system functions to be achieved , based on the control system according to the requirements , the system analyzes the signal output and input , briefly addressed the composition of the control system progra

6、mmable hardware systems the main control signal processor and transmitter to determine the type and configuration of each sensor hardware ; based on these control strategies discussed some of the control system , a flow chart of the main program of study design , variable pitch control charts and de

7、tailed study of the pitch of the control process , the control principle and structure derived components.Keywords : wind turbine ; control systems ; pitch control23 / 35目 录 摘要I第1章风力发电简介与背景展望分析11.1 研究背景与意义11.2风力发电简介11.3 国外发展现状以与展望分析31.4 本论文的主要研究意义与容6第2章风力发电机和变桨距控制过程研究72.1变桨距控制过程研究72.1.1空气动力学原理72.1.2

8、风速特性分析102.2电机结构类型与特点102.2.1双馈式风力发电机102.2.2直驱式风力发电机11第3章PLC控制理论研究133.1 PLC的基本概念133.2 PLC的组成部分133.3 S7-300的系统结构143.4 PLC的循环处理过程143.5 S7-300的编程语163.6 PLC的供电与接地抗干扰问16第4章直驱式永磁同步风力发电机系统控制研究184.1概述184.2变桨距系统控制194.3 风电机组控制系统的设计214.3.1风力发电机电动变桨控制系统硬件结构214.3.2 变桨系统的控制策略234.3.3控制系统的软件设计234.3.4变桨控制系统软件设计254.3.5

9、偏航控制系统软件设计264.3.6故障报警和联锁保护28第5章总结与展望29参考文献30致31第1章 风力发电简介与背景展望分析1.1 研究背景与意义近年来，随着现代工业的发展和生产技术的进步,对高速、超高速的电力驱动需求日益增大，对各种驱动装置提出了越来越苛刻的性能要求，如高速高精度机床、涡轮分子泵以与飞轮储能等新型设备，要求其驱动装置不但要有很高的旋转速度，还要有很高的回转精度，并且其体积也不能太大。因此要解决这些问题，我们有必要来专门研究驱动设备的支撑系统。表1.1 国家“十二五“规划节能指标指标单位2010年2015年变化幅度/变化率燃煤工业锅炉（运行）%657075510三相异步电动

10、机（设计）%90929424容积式空气压缩机输入比功率千瓦/（立方米·分-1）10.78.59.3-1.4-2.2电力变压器损耗千瓦空载：43负载：170空载：3033 负载：151153-10-13 -17-191.2风力发电简介把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。如图1.1所示图1.1 风力发电示意图依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不

11、会产生辐射或空气污染。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片一样）由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发

12、电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以与风轮的直径大小而定，一般在6-20米围。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。不是多大的风都可以发电，一般说来，三级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每

13、秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒6米时，只有16千瓦；而风速每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。1.3 国外发展现状以与展望分析我国风电制造业发展迅猛，除了原来的金风科技、运达加大投入，迅速扩之外，湘电风能，电气、汽轮机、华锐风电（原重工集团）、中国船舶以与通用电气、维斯塔斯、歌美飒、司兰、西门子等一批国外大型制造业和投资商纷纷进入中国风电制造业市场，还有一批中小型制造企业正在成长，依托良好的研发基础，表现出较强的发展实力。2008年，我国新增风电装机容量达到630万千瓦，过去10年的年均增长速度达到50%以上；我国在风电

14、装机容量的世界排名中，2008年跃居第4位，并有望建立起世界最大的风电市场。我国风电装机容量增长情况如图1.2所示 。单位（万千瓦） 图1.2 我国风电装机容量增长情况（单位：万千瓦）我国的风能资源分布广泛。包括、和等省（市）沿海近10千米宽的地带，年风功率密度在200瓦/平方米以上；包括东北三省、和等省（区）近200千米宽的地带，风功率密度在200300瓦/平方米以上。2008年，全国风电容量超过20万千瓦的省份超过了12个，其中，一枝独秀，累计风机安装容量超过了200万千瓦，紧随其后的是、和，也都超过了50万千瓦。2008年分省新增和累计风电装机容量数据见表1.2。按照“融入大电网，建设大

15、基地”的要求，从2008年起，国家将力争用10多年时间在、等地形成几个上千万千瓦级的风电基地。 表1.2 2008年分省新增和累计风电装机容量数据序 号省、市自治区等20082008新增（千瓦）累计（千瓦）12172250373544027344501249760361925011107004457200106946054280508363006354500648250729865063695082775005768109222100572300103800039320011795003668901246000283750131472801946301412250012750015787507

16、87501615000645001749500582001847250502501942000420002015000394002101360022170017002301650240800总计全国624643012152790参照过去10年全球风能28.3%的平均发展速度，若之后我国风电产业发展顺利，至2015年前每年新增装机超过400万千瓦，年均增长25%，则2015年风电装机预计达到3000万千瓦，2020年的目标可以提前5年实现。从2020年开始，风电和常规电力相比，成本优势比较明显。届时我国风电每年新增装机将达到目前欧洲的水平，即达到800万千瓦。2030年以后风电将以其良好的社会和

17、环境效益、日渐成熟的技术、逐步降低的发电成本成为我国电力建设的重要部分，届时风电将成为火电、水电之后的第三大发电源。目前，欧洲、北美和亚洲仍然是世界风电发展的三大主要市场，三大区域新：887.7、888.1和858.9万千瓦，占世界风电装机总容量的90%以上。美国和中国再一次成为世界风电发展的亮点，美国超过德国，跃居全球风电装机首位，同时也成为第二个风电装机容量超过2000万千瓦的风电大国。中国风电发展依然强劲，2008年是连续第四年年度新增装机翻番，初步计算，实现风电装机容量1221万千瓦，超过印度，成为亚洲第一、世界第四的风电大国，同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列。截止到2

18、011年世界风电累计装机容量最多的国家如表1.3所示。单位（MW） 表 1.3 截止到2011年世界风电累计装机容量最多的国家磁轴承的优势很明显，总结起来，新一代磁轴承的主要特点为：（1）高转速：磁轴承系统中的转子转速能够达到每分钟数万转乃至数十上百万转的高速，如现在的飞轮电池的速度可以达到20万转每分钟。（2）高精度：磁轴承系统相对传统的支撑系统体积小，控制精度很高，特别适用于高精密度的仪器仪表；（3）可控性；磁轴承系统的核心部件能够实时控制，其中一些动力学参数也可以通过控制器进行一定的调节；1.4 本论文的主要研究意义与容本论文的主要容安排如下：第一章，介绍了风力发电的研究背景，发展应用和

19、研究现状等。第二章，讲述了风力发电机和变桨距控制过程研究。第三章，PLC控制理论研究。第四章，直驱式永磁同步风力发电机系统控制研究第五章，对本论文的工作做了一个综述总结，提出了本人对未来发展趋势的看法与下一步的研究方向。第2章 风力发电机和变桨距控制过程研究2.1变桨距控制过程研究2.1.1空气动力学原理风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹(Betz)于1926年建立的。他假定风轮是理想的,即没有轮毂,又具有无限多的叶片;气流通过风轮时没有阻力,并假定经过整个风轮扫与面时全是均匀的,而且通过风轮前后的速度都为轴向方向。 图2-1 风轮气流图 如图 2-1所示,设定风轮的气流上游截面为； 风速，

20、下游截面为、风速；通过风轮时的实际风速为,以与风轮面积。如果假定空气是不可压缩的,由连续条件可得：(2.1)风作用在风轮上的力由Euler理论写出：(2.2)式中空气密度,(kg/m3)故风能吸收的功率为：(2.3)上游至下游动能的变化为：(2.4)由于功率是由动能转换而来的,所以,式(2.3)与式(2.4)相等,得(2.5)则作用在风轮上的力和提供的功率分别为：(2.6)(2.7)给定上游风速1,对2取微分：(2.8)最大功率即，求得两解1) =-，没用物理意义；2）以第二解代入式 (2.7)，得最大功率；(2.9)将公式(2.8)除以气流通过扫掠面时风所具有的动能，可推出风力机的理论最大效

21、率：(2.10)上式即为著名的贝兹(Betz)理论的极限值。它表明，风力机从自然风中所能获取的能量是有限的。这就引出了风能利用系数的概念。风能利用系数表示的 (2.11)是风力机从自然风能中吸收能量的大小程度，式中风力机实际获取的轴向功率。对于变桨距风力机,风能利用系数与尖速比和桨叶的节距角成非线性关系。尖速比即为桨叶尖部的线速度与风速之比：(2.12)式中风轮的转速,(r/s)；风轮转动角速度,(rad/s)；风轮直径,(m)据有关资料的记载和研究，风能利用系数可近似用以下公式表示： (2.13)图2-2 变桨距风力机特性曲线由公式(2.12)得变桨距风力机特性曲线如图2-2所示的平面图。从

22、图中可归纳以下两点： 1)对于某一固定桨叶节距角,存在唯一的风能利用系数最大值。2）对于任意的尖速比,桨叶节距角=0下的风能利用系数相对最大。随着桨叶节距角增大,风能利用系数,明显减小。以上两点为变速恒频变桨距控制提供了理论基础:在风速低于额定风速时,桨叶节距角=0,通过变速恒频装置,随风速变化改变发电机转子转速使风能利用系数恒定在，捕获最大风能，并输出电能频率不变：在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而改变发电机输出功率,使输出功率稳定在额定功率附近。2.1.2风速特性分析上文对于风速的空气动力学的分析是基于风速在空间均匀分布，不随时域变化的前提条件下的。然而，自然界的风在时间和空间上都是

23、变化的，因此，风轮平面风速分布是不均匀的。影响风速的因素有很多，其中作用最为显著的是高度，尤其随着风机的大型化，风轮直径的增加，高度对于风轮平面风速的影响就越来越明显，而其它随机干扰反而可能会因为叶片长度的增加相互抵消而减弱。风速在竖直方向上的变化主要是由风切变和塔影效应导致的。2.2电机结构类型与特点发电机是风力发电中重要的组成部分，风力发电系统的能量转换分为两个过程:将风能转化为机械能和将机械能专换为电能。前者由风力机实现，后者由发电机实现。风力机是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和偏向角作用在叶片上，使叶片产生旋转力矩而转动，进而将风能转变成机械能。所转化来的机械能带动发

24、电机转动，进一步转化为电能。目前国的总体情况，可以将风力发电机大致分为两类。2.2.1双馈式风力发电机双馈是指发电机的定子绕组和转子绕组都与电网有电气连接，都可以与之进行功率交换，风力发电机组的定子绕组和电网直接连接，输出电压频率可以通过转子绕组中的交流励磁电流的频率调节加以控制双馈（图2.3）：主要有孤岛并网和空载并网两种方式，关键是调节转子励磁让定子发出的电压和电网电压符合并网条件2. 双馈电机成本低，技术成熟；电力电子变流装置所需要的容量小；可以在小容量情况下采用全风冷；3.发电所需要的风速围要求太高，一般在同步速的2020以，发电量受限制，容易脱网，发电的经济性和稳定性很差；有三级行星

25、齿轮箱，5年需要更换一次，维护成本很高，技术上与其困难，电网的适应性差，功率因数受限制，一般只能到0.9图2.3双馈式发电机2.2.2直驱式风力发电机直驱是指风力机与发电机之间没有变速机构（即齿轮箱），而是由风力机直接驱动发电机的转子旋转。与其他型式的风电机相比，减轻了成本，减轻机舱的重量，同时装轴连接的可靠性也提高了。为了解决风速变化带来的输出电压频率变动的问题，需要在发电机定子绕组和电网之间配置换流器（变频器），先将风力发电机输出的交流电压整流，得到直流电压，再将该直流电压逆变未频率、幅值、相位都满足要求的交流电，送入电网直驱（图2.4）：直驱电机和电力电子装置成本高；2.直驱电机技术不成

26、熟；3.为了让风速很低时直驱电机能够发电，导致电机的级对数极多，一般都超过100对，使电机的体积很大；冷却困难；4.让逆变器的输出电压和电网电压符合并网条件就行了图2.4直驱式发电机结语：双馈技术已经在过去的十多年中成为不可争辩的主流技术，而直驱和永磁直驱技术目前来看尚无法动摇带齿轮箱技术的主流地位。可以肯定的是，风电机组技术的成熟性、质量的稳定性和可靠性、与时而低成本的维修和维护将是市场选择的最重要标准，特别是在海上风电的机组选择中，目前看来，带齿轮箱的风电机组仍是海上风电的绝对主流。第3章PLC控制理论研究3.1 PLC的基本概念随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经

27、广泛几乎所有的工业领域，现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的响应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。3.2 PLC的组成部分可编程控制器简称为PLC，它的应用广泛、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用。它具有以下特点:编程简单易学、功能强、性价比高、硬件配套齐全、可靠性高、抗干扰能力强、系统的设计、安装工作量少、维修方便、体积小、功耗低。本设计使用的是西门子S7-3

28、00，它是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。它有以下几部分组成：1) 中央处理单元（CPU）CPU用于存储和处理用户程序，控制集中式I/O和分布式I/O。2) 电源模块（PS）用于将AC 220V的电源转化为DC 24V电源，供CPU模块和I/O模块适用。3) 信号模块（SM）是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压电流于PLC部的信号电平匹配。数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关和限位开关等来的开关量输入信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯等输出设备。模拟量输入模块是接收传感器和变送器等提供的连续变化的模拟量电流，电压等信号。

29、模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。4) 功能模块（FM）是智能的信号处理模块，不占用CPU的资源，对来自现场的信号进行控制和处理，并将信息传送给CPU。 5) 通信处理器（CP）用于PLC之间、PLC和计算机或其它智能设备之间的通信。6) 接口模块(IM)用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。3.3 S7-300的系统结构采用的是紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块、CPU、信号模块、功能模块、接口模块和通信处理器都安装在导轨上。导轨是一种专用的金属机架，只需将模块钩在DIN标准的安装导轨上，然后用螺栓锁紧就可以了。电源模块安装在最左边，CPU模块紧接着电源模块，如果有接口模

30、块，它放在CPU模块的右侧。S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。每个机架最多只能装8个信号模块、功能模块或通信处理器模块，组态时系统自动分配模块的地址。如果这些模块超过8个，可以增加扩展模块。除了中央机架最多可以增加扩展3个扩展机架，因此最多可以安装32个模块。其中0号机架的DC 5V电源由CPU模块产生，其额定电流与CPU的型号有关。扩展机架的背板总线电源由接口模块IM361产生。3.4 PLC的循环处理过程CPU中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理PLC的启动、刷新过程映像输入/输出区、调用用户程序、处理中断错误、管理存储区和通信等任务。用户程序由用户生成

31、，用来实现用户要求的自动化任务。STEP7将用户编写的程序和程序所需要的数据放置在块中，功能块FB和功能FC是用户编写的子程序，系统功能块SFB和系统功能SFC是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器和定时器等容，复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次用户生成的“系统启动”组织块OB100,完成用户指定的初始化操作。以后PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也成为扫描工作方式。下面是循环处理各个阶段的任务：(见图3.1)1) 操作系统启动循环时间监控。2) CPU将过程映像输出

32、区的数据写到输出模块,CPU读取输入模块的输入状态，并存入过程映像输入区。3) CPU处理用户程序，执行用户程序的指令。4) 在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务。5) CPU返回第一阶段，重新启动循环时间监控。在启动完成后，不断的循环调用组织块0B1,OB1是用户程序的主程序，它可以调用别的逻辑块。循环程序处理过程可以被某些事件中断。如果有中断事件出现，当前正在执行的块被暂停执行，并自动调用分配给该事件的组织块。该组织块被执行完后，被暂停执行的块将从被中断的地方继续开始执行。图3.1 扫描过程3.5 S7-300的编程语STEP 7是S7-300系列PLC的编程软件。梯形图、语句表和功能

33、图是这个软件包中的3中基本编程语言，这3种语言可以在STEP 7中相互转换。在本设计中，我采用了梯形图编程语言。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。触点代表逻辑输入条件，线圈通常代表逻辑运算的结果，指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。触点和线圈等组成的独立电路称为网络。梯形图种的触点和线圈可以使用物理地址，如果用符号表定义了某些地址的符号，可以用符号地址来代替物理地址，可以使程序易于阅读和理解。如果没有跳转指令，程序段的逻辑运算按从左往右执行，与能流的方向一致。程序段之间按从上到下的顺序执行，执行完所有的程序段后，下一次返回最上面的程序段1，重新开始执行。3.6 PLC

34、的供电与接地抗干扰问可编程控制系统组成的控制系统以交流220V作为基本的工作电压，电源开关选择的是两相单开关，然后通过隔离变压器和交流稳压器或UPS电源。通过交流稳压器输出的电源分为两路：一路为PLC电源模块供电，另一路为PLC的输入/输出模块、现场检测单元、执行机构供电。采用隔离变压器可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高系统的抗干扰性能。PLC的控制部分供电包括PLC的CPU工作电源、各种I/O模块的控制回路工作电源、各种接口模块和通信智能模块的工作电源。这些工作电源都是由电源模块供电。一般PLC的电源模块都有三个进线端子，分别用L1、N、PE表示。其中L1和N为交流220V进线端子

35、，PE为系统接地，并与机壳相连，它的接地端应选择铜导体并尽可能短的与交流稳压器、UPS电源、隔离变压器和系统接地相连。在实际控制系统中，接地是抑制干扰是系统可靠工作的主要方法。接地设计有两个基本目的：消除各电路电流流经公共地线阻抗所产生的噪声电压和避免磁场与电位差的影响，使其不形成地环路。对于PLC的控制系统，接地电阻一般不小于4。同时要保证足够的强度，并有耐腐蚀与防腐处理。PLC组成的系统要单独设计接地。第4章 直驱式永磁同步风力发电机系统控制研究4.1概述直驱式风力发电系统并网使用了低速永磁多级发电机，所以无需安装交流发电机和风力机之间的升速齿轮箱，无齿轮可以直接驱动系统。他的优点是：没有

36、齿轮箱的使用，使得电能生产的机械传动链被大大缩短，也使得机组的水平轴长度减小很多，大大降低了维修费用，并减少了齿轮箱旋转产生的磨损，噪音和损耗等等，增大了发电机组的工作寿命，使之更适合环保要求直驱式永磁同步风力发电机控制系统如图4.1所示。图4.1直驱式永磁同步风力发电机控制系统使用了永磁同步风电机，将会把发出的频率和电压随着风速的变化而变化的交流电流经三相二极管的整流桥被整流成为直流，而后经过大电感的滤波之后，会得到一个比较平稳的直流电压，再经过DC-DC的变换成为升压电路，最后提供了幅值比较恒定的直流电压给需要的逆变电路，当逆变电路最终逆变成了和电网的频率一样的恒频的电能之后就能并网了。因

37、为在整个发电系统中，省去了发电机和风力机之间的传动结构，因此，这种结构引起了广泛的注意。在该系统中使用全公路车变频器，尤其是对容量大的风力发电系统来说变频器的容量显著增加了。这样就使控制结构比较简单，大大降低了系统的成本，并提高了发电系统的结构的硬性，使得系统的可靠性大大增加。4.2变桨距系统控制 上述的控制研究都是以风力机在不变风速的条件下运行的，但是在较高的风速下，机组物理性能使得能量的获取收到了限制。当风速超过了额定的风速时，由于这时候随着风速提高，功率上升趋于平缓，一旦过了额定点后，桨叶就开始失速了，风速的升高导致功率有所下降，所以风能的利用系数大幅度的下降。而是用变桨距控制，可以不用

38、担心风速超过了额定点后功率的控制问题，可以使发电机组的传动系统具有很好的柔性，使额定功率点仍然具有很高的功率系数，这是高于额定风速的时候系统的基本目标 风机在正常工作时，主要是用的是功率控制，风力机浆距调节系统的灵敏度决定了功率调节的速度。起动变桨距风力机的时候风速比定桨距风力机低，因此将桨叶节距角转到合适的角度，可以使风轮具有比较大的启动力矩，使之启动更容易。 变桨距风力机是指整个叶片绕叶片中心轴旋转，使得叶片攻角在一定围变化，以便调节输出功率不超过设计容许值，在机组出现故障时，需要紧急停机，一般应先使叶片顺浆。这样机组结构中受力小，可以保证机组运行的安全可靠性。变桨距叶片一般叶宽小，叶片轻

39、，机头质量比失速机组小，不需要很大的刹车，启动性能好。在低空气密度地区仍然可以达到额定功率，在额定风速之后，输出功率可以保持相对的稳定来保证比较高的发电量。但是由于增加了一套变桨距机构增加了故障发生的几率，而且处理变桨距机构叶片轴承故障难度大。变距机组比较适于高原空气密度低的地区运行。避免了当失速机安装角确定后，有可能夏季发电低，而冬季又超发的问题。变桨距机组适合于额定风速以上风速较多的地区，这样发电量的提高比较显著。从今后的发展趋势来看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。 什么是变桨距机构，简单来说就是在额定的风速附近，能够控制吸收的机械能还能随时调节浆距角，这是依靠风速的变化来实

40、现的。它不仅减少了风力对风力机造成的冲击还保证了能够获取到最大能量。在整个并网的过程之中，变桨距控制还能够实现快速的无冲击的并网。整个风电系统的电能质量和发电效率的提高是因为变速恒频技术和变桨距控制系统互相配合。变桨距控制机构示意图如图4.2所示。图4.2 变桨距控制机构 如图4.3所示。当桨叶节距角和桨距速率小于饱和限度时，桨距动态呈线性。执行机构的模型描述了来自桨距控制器的桨距角指令到该指令的激励之间的动态传递函数。执行机构可以建模成如下的一阶系统公式（41）。 （41）桨叶节距角；式中ref给定桨叶节距角。 由图4.3可知，当风速达到起动风速的时候，桨叶向0°方向转动，直到气流

41、对桨叶产生一定的功角，风轮开始起动。在发电机并入电网以前，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整节距角。在额定风速的时候节距角基本保持不变，即不对其进行控制，当超过额定风速以后，改变桨叶节距角加以改变空气对其桨叶的功角，限制风力机捕获的风能，维持功率定。图4.3 桨叶节距角的变化变桨距调节的优点是桨叶做的比较轻巧，受力比较小。为了能够最大可能的吸收风能变化为电能，同时在高风速下保持功率的平稳输出，浆距角可以随着风速大小从而进行自动的调节。他的缺点是故障率比较高，结构相对复杂。4.3 风电机组控制系统的设计 控制系统对于发电机组的可靠、安全运行乃至是整个风厂的正常运作都具有很重要的作用。风电机组的

42、控制系统实际执行着运行状态的监控、安全保护工作甚至是风电机的正常运行控制。 硬件和软件程序2个方面的设计构成了控制系统的设计。控制电路设计，主要负责信号采集的借口电路以与处理器和传感器的选型都是硬件设计的主要容。而软件设计主要是明确风电机的控制要求，然后制定相对的控制策略，再是根据风电机的控制策略实行风电机组的信号检测、运行控制和安全方面的设计。本论文主要设计的是软件部分。4.3.1风力发电机电动变桨控制系统硬件结构 允许独立变桨距的三桨叶结构是当前大型风力发电机组主要使用的，图4.4是电动变桨距系统框图。变桨距伺服电机、电机驱动器、减速箱、UPS、控制器等构成了电动变桨距系统，每个叶片都具有

43、他们自己独立的驱动装置来实现风机对叶片的异步控制。图 4.4变桨距系统的构成框图 传动装置是以法兰连接铸在轮毂壁的托架上。叶片轴承的齿和小齿轮互相啮合并且在电机旋转的时候调节叶片。驱动装置是由脉冲发送器的交流伺服电机和一个有从动小齿轮的三级行星式传动装置以与一个有制动装置和构成。该系统使用减速比176.8三级行星减速箱因为桨叶的重量大又有阻力作用，造成浆距角的变化比较慢，由于一般的伺服电机的转速比较高，因此需要减速机构。2叶片之间的最大许可相对偏差为0.3。叶片的同步运转是由控制装置来调节的。机舱的主控制器与轮毂的变桨控制器之间通过DP总线连接，另外，变桨控制的供电电源是有机舱提供三相供电电源

44、，DP总线与三相供电电源都是通过滑环连接。当风速高于启动风速需要由停机状态转为待机状态；或者是当风速高于并网风速，需要并网时；还有当风速高于额定风速且满足运行条件时，主控制器根据采集来的风速计算每个叶片需要调节的桨距角，由主控制器发出桨叶调节命令，通过DP总线转到变桨控制器然后由伺服电机通过减速箱带动叶片转动。图中虚线部分为UPS电源，机舱的三相供电电源经过滑环连接UPS一方面对伺服电机供电，另一方面，将交流电整流成24V直流做变桨控制器的电源，同时对蓄电池充电，这是变桨部分能够安全运行的保障，当风力发电机组突然出现故障或者外接电源突然断开，要能使桨叶在蓄电池作用下短时间达到顺桨状态，本系统要

45、求以9deg,s的速度在8s完成作 变桨伺服电机是变桨伺服机构的主要执行器件，所以它的合理的选型尤为重要。在变桨距机构设计分析中，驱动力是一个非常重要的参数，只有在它确定的情况下，才能进行变桨距机构中各个部件的选择，同时为下一步的计算提供依据风力发电机组在不同工作状态下，作用于桨叶变距轴上的阻力距变化很大，但是因为电动变桨距执行机构在紧急顺桨时比正常工作时大的多，所以只需考虑紧急顺桨时的桨叶驱动力131，基于本系统中叶片的实际情况以与此紧急顺桨要求得出电机转矩T15 NM。本系统中选额定转速为2500RM的电机，为求得电机功率进行如下计算：P=F×VT=F×RV=2R

46、15;NP=NT/30其中，P为电机额定功率，T为电机输出转矩，v是电机转动线速度，将T15N。M，N=2500radmin代入上式求的得P=3927W,所以选择额定功率为4kW的电机；另一方面，因为轮毂空间非常有限，所以要选择功率密度较大的伺服电机H1。基于以上考虑，本系统采用功率为4kW，转矩为15 NM的三相永磁同步电机做伺服电机。4.3.2 变桨系统的控制策略 PID控制是当前工业过程控制中应用最广泛的控制策略，变桨作为一个复杂的系统，在对桨距角的调节过程中正好需要应用到工业当中最常用的PID控制。PID控制器具有可靠性高、结构简单、操作方便、鲁棒性强等优点。4.3.3控制系统的软件设

47、计 主控系统的系统控制程序主要使用了SIEMENS STEP7软件为开发的工具开发，程序主要包含故障判断、实时控制、报警联锁、信息采集、数据通信等部分系统控制程序的主流程如图4.5所示。图4.5 控制系统主流程当系统开始执行控制程序，首先是收集机舱温度、风向、环境温度、风力、电机绕组温度、液压系统压力、电机轴承温度等状态和环境信息，并且存储为后续的程序提供应用。进入运行的状态后，控制程序将根据参数的大小对电池电量、风力、风速等信息作出判断，选择是否偏航、变浆、充电、解缆并触发相对动作来完成对应的功能。系统自检作为保障风电系统正常运行的非常重要部分将逐个用收集到的信息和正常值进行对比来最大限度的

48、保障风电机组的安全。 系统还定时的和变流系统互通信息，将发电的功率之灵传递给对方并且将接收到的电压电流电功率等参数，假如发电参数满足了发电的指标要求，发电系统将供电上网，闭合并网开关。电网自身的变量或参数也可以接入到发电系统中检测并判断运行是否正常。4.3.4变桨控制系统软件设计 作为风电机组的输入功率调节装置变浆系统在风机系统中占据了重要的地位。如图4.6所示是变桨距控制器的原理框图。图4.6 变浆控制框图在系统由停机状态转变到启动状态的过程之中，主要根据发动机的转速反馈信号和风速信号来确定桨叶在待机或是顺浆位置。在系统并网后，为了使系统保持在恒功率的状态下，需要根据发电机的输出功率的变化来调节浆距角，这是功率控制器在起作用。 系统的控制算法全部是由SETP7这款软件来实现的，而系统的功能则是由PLC来完成的额定风速之上，可以通过调整浆距角来使输出功率保持额定功率上；当满足了风力发电机的启动条件的时候，主控制器则通过变浆控制器来发出的指令来使得叶片浆距角匀速的减小；当有故障或是急停的信号的时候，使变浆电机迅速带动桨叶顺浆。如图4.7所示。当风速高于起动风速的时候，桨距角从90°减小到了0°。这个时候，当叶片连