《风力控制系统的设计综述》3700字

风力控制系统的设计综述目录TOC\o"1-2"\h\u13460风力控制系统的设计综述 1254271.1变桨系统的控制原理 2320621.1.1变矩控制 2311581.1.2转速控制 2121781.1.3功率控制 3118771.2PLC的设计 410790（1）输入输出点数的估算 4486（2）控制功能选择 516010（3）PLC的结构形式 536231.3单片机程序设计 6233344、至停机状态 869961.1正常停机 854321.2快速停机 8103551.3紧急停机 870421.4设计准则 8280971.5设计步骤 981061.6结构设计 9202691-轮毂；2-交流电机；3-变桨轴承；4-齿轮箱 9295321.6.1轮毂的设计 10100761.6.2轴承的设计 10关键技术是风力发电站的控制和伺服驱动技术。主要控制技术是由风轮机变桨系统组成的闭环控制系统。控制系统的设计主要讨论了变桨系统。1.1变桨系统的控制原理变桨系统的控制风速原理是通过两个速度控制器来实现的，速度的变化会引起电路中电流的变化，电流的变化反馈给速度控制器就会实现电流的稳定输出，原理如图4-1所示：图4－1控制系统分布图1.1.1变矩控制变距控制系统实际上是一个随动系统，其控制过程如图4－2所示。变桨距系统的执行机构是控制电机即上章所选的交流永磁伺服电动机，节距控制器的输出信号给S7-200后变成脉冲信号控制电动机，驱动齿轮箱，推动变桨轴承，使桨叶节距角变化。轴承转动的角度反馈信号由磁电式编码器测量，经转换后输入比较器。与电机上的光电编码器的输出信号进行比较以确定系统的准确与稳定性。1.1.2转速控制控制系统的目的是在发电机开始启动的三分钟内，进行速度提升，当转速稳定在额定转速时，连接用电器。 图4-3转速控制控控制系统主要通过PD控制器、PI控制器，对节距进行非线性化转化，从而实现节距角增大而增益减少的现象。1.1.3功率控制功率控制的实现是通过发电机的转子电流的控制技术实现的，通过控制控制电流来实现风扇转速的调整，从而互补由于风速的改变引起输出功率的变化。（1）功率控制系统如图4-4所示，功率控制系统的作用关键是两个电流回路。外部的回路以检测风扇转速而形成的输出功率为目的，内部的小回路是通过电流的变化来控制伺服电机，从而改变风扇叶轮的转速。这样就可以确保实现输出的功率稳定。图4－4功率控制系统（2）转子电流控制器原理转子电流控制器的实质是通过改变滑动电阻的电阻值来改变电流。在额定功率下，发电机转差率可以从百分之一到百分之十变化，相应的平均转子电阻从百分之零到百分之百变化。具体是通过检测电路中的电流变化，从而增大或减小滑动变器的阻值，从而改变电机的转差率，因此保证电路中的电流一直稳定不变。图4-5转子电流控制系统由电流与电机的转差率计算关系式可知发心机的电磁转矩为：（18）式中P———电机极对数；———电机定子相数；———定子角频率，即电网角频率；———定子额定相电压；s———转差率；———定子绕组的电阻；———定子绕组的漏抗；———折算到定子侧的转子每相电阻；———折算到定子侧的转子每相漏抗。根据式4-1，如果/s保持一定，就是一个定值。若风速v变化，通过调整的值，可以实现/s不发生变化，这样发电的功率就不会发生变化。1.2PLC的设计根据风力机变桨控制系统的特定环境、工艺流程以及应用要求估算出输入输出点数、所需存储容量、进行PLC机型进行选型并由此大体规划实现控制要求的程序流程图。当然对PLC的选型不可能兼顾到问题的方方面面，本文只需抓住主要矛盾，从大处着手即可，而对其他的旁枝末节可以不予特别考虑。（1）输入输出点数的估算风力机变桨控制系统数字输入点数有8个，均为常开开关，其中I0.0为高速计数器HSC0的计数进口，HSC0采集磁电式传感器的输出脉冲；I0.2为正常停机开关；I0.3为快速停机开关；I0.4为紧急停机开关；I0.6为高速计数器HSC1的计数进口，HSC1采集伺服电机上光电编码器的输出脉冲；I1.0为90°处的行程开关；I1.1为93°处的行程开关；I1.2为高速计数器HSC2的计数进口，HSC2采集叶轮上光电编码器的输出脉冲。风力机变桨控制系统模拟输入点数有1个，采集风速，存入AIW0中。风力机变桨控制系统数字输出点数有6个，其中Q0.0输出高速脉冲串，驱动伺服电机实现精确控制；Q0.2控制伺服电机旋转方向，当Q0.2为高电平时，电机正转，当Q0.2为低电平时，电机反转；Q0.3为并网开关，Q0.3闭合后，发电机组并入电网中；Q0.4为切入变频系统开关；Q0,5为切入功率控制开关，当叶轮转速达到额定转速后，进行变桨和功率联合控制；Q0.6为液压刹车开关，当紧急停机时，叶轮转速小于5r/min时，启动液压刹车，使叶轮停止转动。（2）控制功能选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能等特性的选择。运算功能：在控制煤炭运输的集散控制系统中，控制分站除了能够进行开关量I/O的逻辑运算、以及延时或定时的计时功能以及计数功能外，还要包括数据移位、比较等运算功能同时由于要对胶带的速度、滚筒附近的温度、以及电机各相电流等模拟量进行检测和处理因此还需有代数运算、数据传送等功能。由于没有模拟量输出，所以不需要具有PID运算和其它高级运算功能。通过以上综合的考虑分站，达到上述功能至少需要具有数据运算能力的中型机。控制功能：通过PID的包括比例、积分和微分在内的各种运算功能可以实现顺序逻辑控制，通常基于单或多回路进行模拟量控制。通信功能。由上文知该集散控制系统各个站点之间的通信主要通过PROFIBUS-DP总线，因此PLC设备中应集成PROFIBUS-DP接口，通过标准的TP/TCP协议进行通讯。编程功能：一般采用离线的编程方式，编码和PLC一般为统一的CPU，当编程时，CPU的作用是编程，否则功能是控制。诊断功能：一般分为软件诊断和硬件诊断，软件可以检测出系统的CPU信息是否输出错误。硬件检测一般是直接通过逻辑电路检测硬件损坏位置。（3）PLC的结构形式PLC分为整体和模块两种形式。整体式也可以叫主机式，将所有的元件都集中在机箱里，这样的优点是可以节约空间和重量，而且可以减少成本，但是能够实现的功能比较固定。模块式的优点是将不同的元器件安装在不同的地点，需要通过主线连接，这样可以实现不同器件方便的更换，而且可以实现多种功能，但成本较高。本文设计目标是小型发电机，因此采用整体式的S7-200。它的各个性能参数都能很好满足变桨系统的控制需求，具体原理如图4-6所示。图4-6端子接线图S7-200组成为CPU、编译器、电脑、和电缆，输入/输出点有24个，存储为16K字节，含有PID控制器和高速的计数器等，输入/输出端子排可拆卸。详细线路图如4-7所示。图4-7变桨控制系统的接线图1.3单片机程序设计在设计硬件和选择型号后，下一步是设计和开发软件部分。控制系统的软件部分主要是变浆系统的控制过程。任务分析：我们要在以下不同的风机运行状态下进行变桨控制1、静止（起动状态）

调节属性调节内容桨距角迎风开桨速度顺桨速度变桨加速度≠10°/s²叶轮转速（目标）2、起动（加速状态）调节属性调节内容桨距角迎风开桨速度顺桨速度变桨加速度≠20°/s²叶轮转速（目标）3、加速（并网发电状态）3.1低于额定功率下调节属性调节内容桨距角迎风开桨速度顺桨速度变桨加速度≠20°/s²叶轮转速（目标）3.2达到额定功率后维持满发状态运行调节属性调节内容桨距角开桨速度顺桨速度变桨加速度≠20°/s²叶轮转速（目标）4、至停机状态1.1正常停机调节属性调节内容叶片正常顺桨至顺桨速度叶轮处于空转的状态机械刹车不动作，。1.2快速停机调节属性调节内容叶片快速顺桨至限位开关处顺桨速度（通过轴柜执行）叶轮处于空转的状态，机械刹车不动作。1.3紧急停机调节属性调节内容叶片叶片紧急顺桨至或限位开关顺桨速度（蓄电池柜执行）叶轮速度下降到5rpm时，液压刹车动作。独立变桨：目的是为了防止其中一个螺旋桨损坏导致机器不继续工作。1.4设计准则变桨控制系统的设计应依据一下几个设计准则：安全可靠。安全可靠是所有设计都必须考虑的，尤其是风扇这种高危险的产品，稍有不慎会造成人力和财力的损失，因此要保证其稳定性。2）智能化。随着科技的进步，人工操作的机会在逐渐变少，自动化是未来发展的趋势。3）可维护性。发电设备的维修是高度危险的工作，因此要预防损坏或者提前预警损坏，最大程度上减小维修的工作量。可扩充性。考虑未来供电系统和用电器功率的变化，变桨系统应当设有余量。1.5设计步骤整个控制系统设计主要包括以下几步：1）明确设计任务。在本章第一节“变桨系统的功能概述”中，介绍了变桨系统的主要功能，以及系统设计的任务和内容。2）系统总体设计。方案可行性、可靠性分析、比较、讨论，确定系统的总体方案和实施方案。3）系统功能设计。根据系统功能完成系统硬件器件选型、电气控制回路设计。1.6结构设计变桨结构通过螺栓将齿轮箱和轴承固定在轮毂上。具体结构如图4-8所示。43214321图4-8变桨结构1-轮毂；2-交流电机；3-变桨轴承；4-齿轮箱1.6.1轮毂的设计轮毂将风扇叶轮与齿轮箱的转动主轴连接起来，它的主要作用是将风扇上的推力、扭矩等风力和力矩给齿轮等机械结构，一般呈三角形。材质一般为铸铁，由于其需要承受较多载荷，因此采用球墨铸铁来增强其承载能力或抗震能力。如图4-9所示。图4-9轮毂的结构图为了满足能够承受数吨重的叶片、制造成本低、维护少的原则，选用刚性三角形轮毂。如图4-10所示图4-10轮毂的正视图1.6.2