兆瓦级风电机组偏航系统的设计.doc

兆瓦级风电机组偏航系统的设计
自动化06-2 贺烨 指导教师 李爱莲
摘 要 风能是绿色能源。我国在风力发电上的投入和研究也正进入一个快速发展的时期。偏航控制一直未能取得有效的发展。针对这方面的问题，本论文展开了相应的设计。在设计过程主控制器选用了德国beckhoff的软PLC，文中对其硬件模块的组态和编程环境TwinCAT以及现场通讯协议Profibus-DP做了详细介绍和设计说明。偏航电机的控制选用了西门子G120变频器实现了变频调速，在恶劣环境下减小了偏航系统的振动。运用TwinCAT编程软件对偏航系统的四个部分：自动偏航、自动解缆、自动润滑、人工偏航的程序进行了编写。最后，在个人计算机进行了编译、下载和运行，在联机模式下，通过TwinCAT实时可视化的画面对各种状态进行了模拟运行，该偏航系统在各种状态下呈现出很好的控制效果。
关键词 风力发电；偏航控制系统；软PLC
Abstract Wind energy is a green energy. Wind power will fleetly develop in China,too. the technology for yaw system wasn’t still developed for a long time.Therefore,aim at this subject,related research and design will be reported in this thesis.Master controller used the German beckhoff soft PLC in the design process, Paper, the hardware modules to their configuration and programming environment TwinCAT and PROFIBUS-DP communication protocol site a detailed description and design specification. Electric motor control yaw selected Siemens G120 frequency converter frequency control in harsh environments reduces the yaw system vibration. TwinCAT programming software using the four parts of the yaw system: automatic yaw, automatic Cable release ,automatic lubrication, artificial yaw program was written. Finally, in the personal computer to compile, download and run, in online mode, real-time visualization by TwinCAT picture of the various state simulation run, the yaw system in various states shows good control effect.
Key words Wind Power Generation; Yaw Control System; soft PLC
前言
能源是人类生存的基本要素，国民经济发展的主要物质基础。由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风力发电技术也随之得到迅猛发展。偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，用于控制风电机组跟踪变化的风向，并且当电缆发生缠绕时，能够自动解缆的功能,并能够定时润滑偏航机械机构。
1 偏航控制系统硬件设计及选型
风力机的偏航系统由偏航检测机构、偏航控制机构和偏航驱动机构三大部分组成，其中偏航检测机构包括：风传感器、机舱位置传感器；偏航控制机构包括：偏航控制器、变频器；机械驱动机构包括：偏航轴承、偏航润滑系统、偏航驱动装置、偏航制动器。
1.1偏航检测机构
风向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。设计中测风感器采用的Thies Clima公司测风传感器，风向传感器型号：4.3519.00.141。风速传感器型号：4. 3129.60.141。
由于风力机总是选择最短距离最短时间内偏航对风，由于风向的变化随意性，风力机有可能长时间往一个方向偏航对风，这样就会造成电缆的缠绕，如果缠绕圈过多，超过了规定值，将造成电缆的损坏。为了防止这种现象的发生，通常安装有机舱位置编码器。设计中采用了绝对值编码器，选型为HEIDENHAIN公司ROQ425的绝对型多转编码器。
1.2 偏航控机构
偏航控制平台拥有四层结构,包括网络层,主站层,从站层和现场层。网络层通过TCP/IP协议可以实现远程操作、资源共享及网络化;主站层由嵌入式PC、电源模块 、现场总线模块以及其他I/O模块等组成，完成对整个系统的控制；从站层是智能化I/O模块，带内置Profibus-DP接口的总线耦合器，完成现场数据采集、数据交换、控制信号输出等功能;现场层由变频器、偏航电机、风向传感器及电磁阀等组成，完成物理量的检测与变送、接收并执行控制量、实现对偏航电机的控制。偏航控制平台结构图如图1.1所示。控制器和通讯模块配置数量如表1.1所示。
表1.1 控制器和通讯模块置表
名称
型号
数量
控制器
CX1020-0000
1
PROFIBUS 现场总线主站接口
CX1500-M310
1
电源模块
CX1100-0002
1
数字量输入模块
KL1408
1
数字量输出模块
KL2134
3
总线耦合器
BK3150
1
安全总线端子模块
KL1904
1
SSI 编码器接口模块
KL5001
1
模拟量输入模块
KL3122
1
总线末端模块
KL9010
2
这些功能模块可以通过现场总线Profibus-DP与上位机进行通信及数据交换；接收控制量，并将控制量送给控制对象的执行机构；采集现场过程值送入上位机运算，实现实时控制等功能。

图1.1 偏航控制平台结构图
为了使偏航系统达到很好的控制效果，为避免在不同的风速下风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振，设计中选用的变频器，实现了在不同风速下的变频控制，风速与频率对应的关系曲线如图1.2

图1.2 风速与频率对应的关系曲线
设计中选用了SINAMICS G120变频器，该变频器是一个由多种不同功能单元组成的模块化变频器。两种主要的单元是：控制单元（CU）、功率模块（PM）。在设计中选用CU240S DP-F型号的控制单元。功率模块选用了PM240功率模块具体型号为6SL3224-0BE31-5AA0。由于在偏航系统中采用Bonfiglioli公司4个100LB电磁抱闸一体化的三相异步电动机，额定电流为5.2A。在选择变频器时，依据电流相加计算，总电流 i=5.2×4=20.8A，考虑1.2倍的裕量 i=20.8×1.2=25A,同时考虑了输出功率的问题，最终选择型号为6SL3224-0BE31-5AA0的功率模块。同时，根据设计要求以及制动电阻的选型手册，选用了选型为6SE6400-4BD16-5CA0的制动电阻。
1.3 偏航驱动机构
设计针对的偏航轴承采用的是回转轴承是一种特殊结构的大型轴承，必须定时给轴承润滑。针对轴承的润滑，设计了自动润滑系统，其由润滑泵、油脂分配器、润滑小齿轮、润滑管等组成如图，主要用于偏航轴承滚道及齿面的润滑，润滑系统原理图如图1.3所示。选型：电机选用了单相交流电动机，为力士德YL8014型号的电机，额定功率：0.75kw； 额定电压： 220V ；额定电流：4A 额定转速： 1400rpm。

图1.3 自动润滑系统原理图
偏航驱动装置包括偏航电机和偏航减速齿轮机构。偏航电机：为电磁制动三相异步电动机，在三相异步电动机的基础上附加一个直流电磁铁制动器组成，电磁铁的直流励磁电源由安放在电机接线盒内的整流装置供给，制动器具有手动释放装置。偏航时，电磁刹车通电，刹车释放。偏航停止时，电磁刹车断电，刹车释放将电机锁死。附加的电磁刹车手动释放装置，在需要时可将手柄抬起刹车释放。设计中选用了Bonfiglioli公司100LB电磁抱闸一体化的三相异步电动机。
为了得到对称的驱动扭矩，在设计中用四台电机驱动偏航系统。通过行星齿轮减速机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，在设计中选用Bonfiglioli 700T系列的711T行星齿轮减速机。
为了保证风力机停止偏航时不会因叶片受风载荷而被动偏离风向的情况，风力机上多装有偏航制动器,在设计中采用了电磁抱闸制动和液压制动两套制动系统，以防止停止偏航时机舱被动偏离风向。液压制动系统的原理图如图1.4所示。制动器在液压驱动管路上一般装有一个预压阀，以使在松闸状态时，制动液压缸仍保持有很小的压力，使偏航过程中仍有一定的阻力，以保证偏航的稳定性。

图1.4 液压制动系统的原理
设计中机组选用用10台制动器，每台制动器由上下两个闸体组成。刹车闸为液压卡钳形式，在偏航刹车时，电磁K1关闭，先导溢流阀溢流值设定为150bar的压力，此时刹车盘约具有150bar的压力，使刹车片紧压在刹车盘上，提供制动力。当需要偏航时，电磁阀K1得电打开，先导溢流阀维持在23 bar左右的一个设定值，产生一定的阻尼力矩，使偏航运动更加平稳，减小机组振动。液压泵电机为三相异步电机，品牌：恒硕 ；型号：Y80M2 ；电流：2.5 A ； 极数：2 ；额定转速：2830 r/min ； 额定功率：1.1KW 。
电磁抱闸制动有两部分组成：闸片部分和电磁部分，原理图如1.5所示，安装在电动机的主轴上，当需要偏航时，电磁部分通电闸片松开，停止偏航时电磁线圈断开，闸片抱住电动机主轴进行制动。在设计中也选用Bonfiglioli的抱闸系统，该抱闸系统通过整流模块线圈最终得到24V的直流电来开启闸片。同时在闸片上联动了一个常开开关，将电磁抱闸分合状态反馈给控制系统，来确保电机在电磁抱闸打开情况下启动运转，使设备的安全性和可靠性得到大大提高。

图1.5 电磁抱闸制动原理图
2 风力机偏航软件设计
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，达到对准风向的目的，偏航控制系统框图如图2.1所示。

2.1典型的偏航控制系统框图
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：自动润滑、自动解缆、人工偏航、自动偏航。
2.1测量值滤波
由于大自然中风的随机性，风传感器的测量值随机干扰很大，为了消除干扰，保证系统的可靠性，综合考虑各种滤波的优缺点，设计中选用了一阶滞后滤波法，器程序设计如下（结构文本语言编写）函数体：
out := (old_value * (1.0 - ( 1.0 / time_factor))) + ( in / time_factor) ;
old_value := out ;
根据风向和风速的特性和经验值，在调用该函数块滤波时，风向测量值的滤波平滑系数取300，风速测量值的滤波平滑系数取60。
2.2主程序
主程序流程图如图2.2所示,主程序采用了连续功能图（CFC）编写，具体程序如图2.3所示。

图2.2 主程序流程图
图2.3 主程序
2.3自动润滑
风电发电机组因其工作环境和设备运行方式的特殊性，对机组的润滑提出了较高的要求。自动润滑系统通过油脂润滑泵定时定量的将偏航润滑油脂以及偏航小齿润滑脂连续的输入轴承及偏航齿轮外齿面，最终到达连续润滑效果，避免了手动润滑的间隔性以及润滑不均问题（过润滑，欠润滑）的产生。只有这样才能使风力发电机组在恶劣多变的复杂工况下长期保持最佳运行状态。本设计的自动润滑系统控制流程图如图2.3所示。执行自动润滑的步骤：
① 润滑计时及计算润滑偏航的停止位置程序
在程序设计时，润滑时间可以自由设定，从上次执行润滑时开始计时，计时时间到，启动润滑系统，润滑时间从新计时。在执行润滑时，若机舱位置>0；润滑偏航停止位置=机舱位置-355；反之，润滑偏航停止位置=机舱位置+355。

图2.3 自动润滑控制流程图
② 判断是否需要润滑
当风力发电机组自动运行时，设定自动润滑时间，在机组运行过程中，从上次润滑开始计时，若机组运行时间大于润滑设定时间，此时机组需要润滑.若机组运行时间>运行时间+120h, 此时机组必须润滑。
③ 判断是否满足润滑的条件
当机组需要润滑时，且风速在8m/s以下，将自行自动润滑程序；当机组必须润滑时，且风速在16m/s以下，将自行自动润滑程序。
④ 开始自动润滑
当机组满足润滑条件时，运行时间置零从新计时、屏蔽自动解缆和自动偏航，根据机舱的具体位置，判断润滑是的偏航方向以及计算润滑结束时停车的位置，启动偏航电机，当得到偏航电机运行的反馈信号后，启动润滑电机，同时打开润滑电磁阀。
2.3自动偏航
该过程是以风向传感器输出为基准，当风向改变超过允许误差范围时，控制器发出自动偏航指令。自动偏航系统控制流程图如图2.4所。

图2.4 自动偏航控制流程图
控制过程如下：
连续一段时间检测风向情况，为了达到很好的控制效果，在不同的角度差值下设置不同的延时时间，如控制流程图所示，根据风向传感器信号θ给出偏航控制指令。当θ=1800，表明机舱已处于准确对风位置，若1710≤θ≤1890，属于误差范围之内，偏航系统将不对称做出任何调节。差值大于250时延时20s执行自动偏航动作；差值小于250大于150时延时50s执行自动偏航动作；差值小于150时延时90s执行自动偏航动作，这样实现了大角度快速执行，小角度精确检测执行。在此基础上，若θ>1800表明机舱相对风向标有一个向右偏离的夹角，偏航电机启动，机舱右偏自动对风。若θ<1800表明机舱相对风向标有一个向左偏离的夹角，偏航电机启动，机舱左偏自动对风。

图2.5 自动解缆控制流程图
2.4自动解缆
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。在设计中，根据电缆的特性和机组的运行环境，当其某个方向达到5800时，若此时风速小于3m/s，即风机组不运行时，系统将自动解缆，此时启动偏航电机向相反方向转动缠绕圈数解缆，将机舱返回电缆无缠绕位置。当其某个方向达到8000时，无论机组是否运行，机组都将执行自动解缆。若因故障，自动解缆未起作用，风力发电机组方向达到9000极值时，纽缆开关将动作，此开关动作将会触发安全链动作，向中心控制器发出紧急停机信号和不可自复故障信号，等待进行人工解缆操作，自动解缆的程序流程图如图2.5所示。
5.2.5 人工偏航
人工偏航是指在自动偏航失败、人工解缆或者是在需要维修时，通过人工指令来进行的风力发电机偏航措施，程序流程图如图2.6所示。

图2.6 自动解缆程序流程图
人工偏航控制过程如下：首先检测人工偏航起停信号。若此时有人工偏航信号，清除其他偏航控制标志；然后读取人工偏航方向信号，松偏航闸，控制偏航电机运转，执行人工偏航。直到检测到相应的人工偏航停止信号出现，停止偏航电机工作，抱闸，清除人工偏航标志，在设计中，人工偏航和自动相关程序相互独立，程序嵌套在主程序中。
3仿真
设计中使用 TwinCAT HMI 软件对偏航系统进行了仿真运行，实时可视化画面见附录B。实现了变量的图形化表示以及可视化操作，在联机模式时通修改PLC 程序中的变量值。从图形画面显示，在各种状态下达到了很好的控制效果。如图3.1所示在不同风速下自动偏航运行的状态。

图3.1 自动偏航运行实时画面
说明：三种状态给定的夹角都为600，风速给定分别为7m/s、20m/s，35m/s。
4 总结
本文主要是对风力发电控制系统中的偏航控制系统进行了设计，本文主要做了以下工作:
① 对兆瓦级风机偏航系统的硬件进行了设计，对各个器件进行了选型。
② 在设计过程主控制器选用了德国beckhoff的软PLC，针对偏航系统所实现的功能对控制器的各个模块进行了组态。
③ 运用TwinCAT编程环境对偏航系统的四个部分：自动偏航、自动解缆、自动润滑、人工偏航的程序进行了编写。在个人计算机进行了编译、下载和运行。
④ 在联机模式下，通过TwinCAT实时可视化的画面对各种状态进行了模拟运行。
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附录A 系统电气原理图

附录B 系统电气原理图