风力发电机组偏航控制本科设计论文(编辑修改稿)

风力发电机组偏航控制本科设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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、RS48ProfibusDP通讯模块等[17]。 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]。 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 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。 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NEGMicon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]。 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。 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120176。 固定在支架上或互成90176。 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32 　风速传感器结构原理图 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WAV15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0～360176。 ,64 个方位,[22]。 图33　风向传感器结构原理图 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]。 电路设计见附录一。 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 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41 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41 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1080176。 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1080176。 ，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90176。 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 Y Y Y执行自动偏航 结束图42 偏航程序流程图此处先定义风向角和偏航角：风向角 α 的范围是180176。 ~180176。 ，定义正北方向为风向角0176。 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180176。 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180176。 方向。 偏航角 γ 的范围是1080176。 ~1080176。 ，同样定义正北方向为偏航角0176。 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43所示图43 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。 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。 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（177。 1080176。 ）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]。 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44所示图44 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。