plc的风力发电机偏航系统控制.doc

酒 泉 职 业 技 术 学 院

毕 业 设 计

题 目： 风力发电机组偏航系统的控制
学 院： 酒泉职业技术学院
班 级： 10级风电（1）班
姓 名： 李世辉
指导教师： 赵玉丽
完成日期： 2012 年 12 月 20 日

12

摘 要

随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高。以石油、煤炭、天然气为的常规能源，不仅资源有限，而且还会在使用中造成严重的环境污染。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构正在孕育着重大的转变，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。风能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源己受到全世界的重视，而风力机的偏航系统能使风能得到更好的利用，所以偏航系统的设计非常的重要。
本设计首先分析了偏航系统的工作原理，然后以三菱PLC作为控制器，触摸屏为监控器，设计了硬件系统模块，整个硬件系统采用了闭环控制，并说明了开环控制的缺点。根据偏航控制要求，设计了自动对风控制算法，自动解缆控制算法，90°背风控制算法，不仅提高了风能利用率，增大了发电效率，而且还保证了整个系统的安全性、稳定性,让风力发电机更好的运行。

关键词：偏航系统 硬件设计 自动对风 自动解缆

目 录

摘 要.............................................................1
第一章 概述...........................................1
1.1 设计背景......................................................2
1.2 设计研究意义..................................................2
1.3 国内外风力发电概况............................................1
1.3.1 世界风电发展.............................................1
1.3.2 我国风电发展...................2
第二章 偏航控制系统功能简介和原理.................................4
2.1 偏航控制系统的功能............................................4
2.2 风力发电机组偏航控制原理......................................4
第三章 偏航系统的控制过程.........................................9
3.1 自动偏航控制................................9
3.1.1 自动偏航传感器ASS状态...................................9
3.1.2 参数说明和电机运行状态...................................0
3.1.3 偏航控制流程图..........................................10
3.1.4 偏航电机电气连接原理图..................................10
3.1.5 偏航对风控制PLC程序......................10
3.2 90°侧风控制................................................11
3.3 人工偏航控制.................................................12
3.4 自动解缆控制.................................................13
第四章 总结......................................................13
参考文献......................20
致谢.............................................................22

第一章 概述

1.1设计背景
电能作为一种应用最广泛和最方便的能源，己经成为当今社会发展和人们生活中必不可少的一部分。它的利用也已经渗透到生产中的每一个角落，有力地促进了社会生产力水平和人们生活水平的提高。随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高，然而，随着以石油、煤炭、天然气为主的常规能源的短缺和环境污染问题的日益加剧，世界能源结构正在孕育着重大的转变即由矿物能源系统向以可再生绿色能源为基础的可持续能源系统转变。风能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源,对其开发利用十分必要。在21世纪的今天，众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化范围最广、最为经济的，当数风力发电。
风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展也受到世界各国政府的高度重视。自从20世纪80年代现代并网风力发电机组问世以来，随着叶片空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到如今的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全叶片变距和变速控制发展；运行可靠性从20世纪80年代初的50％提高到98％以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制；风电场发展空间更加广阔，已从内陆转移到海上。
1.2设计研究意义
由于在目前技术条件下风电与火电、水电相比，从造价、电能质量、设备制造和控制技术等领域存在劣势，使得风电领域的理论和应用研究工作与欧洲等发达国家相比，仍然存在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还不是很成熟，致使我国大型风力发电机组儿乎全部为国外进口产品。这样不仅耗费大量外汇，风力发电机组的后期维护也受制他人。因此，对风力发电机组偏航系统进行科学、合理的控制，能够使得风轮最大程度的捕获风能，发出更多的电量。同时，深入研究风力发电的各项技术对于持久开发风能和实现大型先进风力发电机组国产化具有重要意义。
1.3国内外风力发电概况
1.3.1世界风电发展
近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。风力发电机组容量的大型化、重量的轻型化、容量的高可靠性、高效率、低成本将成为风电产业的发展趋势。
根据全球风能委员会报告，2005 年全世界新增风电装机容量11769 兆瓦，比上年增加3562 兆瓦，增长43%；新增风电总投资达120 亿欧元或140 亿美元。截至2005 年底，世界风电装机总容量为59322 兆瓦，同比上年增长25%。
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。而欧洲仍是风力发电市场的领导者，其装机容量逐年增加，占全世界风电总装机的69%，约提供了欧盟近3%的电力消费量。据预测，全世界风力发电每年以30%左右的速度增长，到2020 年风力发电将占世界电量的20%。
1.3.2我国风电发展
我国风能资源比较丰富，近十几年来，对风能资源状况作了较深入的勘测调查，全国可开发利用的风能资源总量约2.5亿kw。东南沿海和山东、辽宁沿海及其岛屿，内蒙古北部，甘肃、新疆北部以及松花江下游等地区均属风能资源丰富区，年平均风速≥6m/s ，有很好的开发利用条件。这些地区中很多地方常规能源贫乏，无电或严重缺电，尤其是新疆内蒙古的大部分草原牧区以及沿海几千个岛屿，人口分散，电网难以通达，或无电力供应，或采用很贵的柴油发电。如果能够充分开发地区的风能优势，则风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电力短缺的难题，在西北经济落后地区既可以提高当地人民生活水平，又可以增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度。所以，风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。
可是，由于低电压穿越现象的存在，使得发出的电量不能及时并网，从而导致风电的发展目前陷入了一个萧条期，而低电压穿越问题至今没有根本的解决方案。

第二章 偏航控制系统功能简介和原理
偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统，是风力发电机组电控系统必不可少的重要组成部分。在风力发电中，为了提高风能利用率，风力发电机组的偏航系统要具有自动偏航的功能，即偏航系统要自动准确对风。风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统，主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式；被动偏航指的是依靠风力，通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，除此之外，偏航系统还必须具备故障检测功能。
2.1偏航控制系统的功能
偏航控制系统主要有三个功能：
（1） 正常运行时自动对风：当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或者向右调向的指令，机舱开始对风，知道达到允许的范围内，自动对风停止；
（2） 绕缆时自动解缆：当机舱向同一方向累计偏转达到一定的角度时，系统控制停机，或者此时报告扭缆故障，机组自动停机，等待工作人员来手动解缆；
（3）失速保护时偏离风向：当有特大强风发生时，机组自动停机，释放叶尖，背风，以达到保护风轮免受损坏的目的。
2.2风力发电机组偏航控制原理
本文风力机偏航的工作原理是：通过风传感器检测风向，并将检测到的风向信号送到微处理器三菱PLC中，微处理器PLC计算出风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方向时，微处理器PLC发出一定的信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，从而达到对准风向的目的。为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风结束后，风向标失去电信号，偏航电机停止转动，偏航过程结束。其具体偏航过程控制原理如下图2-2-1所示：

图2-2-1 偏航控制原理框图

本系统采用三菱PLC作为控制器，实行闭环控制，用触摸屏作为人机界面设备，对整个系统有监督控制功能。
本系统还可将风力发电机组中的普通三相交流偏航电机换成步进电机，相对普通电机来说，它可以实现开环控制，提高偏航控制的精度，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和位移控制，无需反馈信号。但是步进电机不适合使用在长时间同方向运转的情况，容易烧坏产品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳，工作效率较低。开环控制系统的优点是结构简单，比较经济。 缺点是它无法消除干扰所带来的误差。而在闭环控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，信息就能及时反馈给微处理器，产生相应的控制指令去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，能够更好的检测执行器的过程，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。
除此之外，系统的主要硬件还包括：风向传感器，偏航驱动电机等。它们的外观分别如下图2-2-3和2-2-4所示：

图2-2-3 带有避雷装置的风向传感器 图2-2-4 偏航驱动装置
其中，风向传感器采用绝对式传感器，绝对式风向传感器一般由风向标和旋转编码盘组成，风向标可随风自由转动，其方向与风向一致，旋转编码盘安装在风向标的转轴上，风向标转动带动旋转编码盘轴转动，当编码盘处于不同的位置时，就会输出不同的风向。

第三章 偏航系统的控制过程
为了实现这样的伺服控制，首先要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：风向标控制的自动偏航，人工偏航，风向标控制的90 度侧风，自动解缆。
3.1 自动偏航控制
该过程是通过风向传感器输出信号，由PLC判断偏航情况，并给出偏航控制。风向是随机的，为了使风力发电机吸收的功率最大，发挥最大效能，机舱必须准确对风；因此必须使叶轮法线方向与风向基本一致。当风向改变，超过允许误差范围时，系统PLC发出自动偏航指令，传感器和偏航电机组成的对风系统执行校正动作，使机舱准确对风。
在实际的偏航控制中，带有解缆传感器的自动偏航控制过程分析：连续一段时间检测风向情况；根据自动偏航风向标传感器ASS 信号给出偏航控制指令。当ASS=00 时，表明机舱己处于对风位置；若ASS=11，则表明进行的是钝角偏航，为了有效地防止电缆缠绕，读上次钝角偏航方向并取其反方向，记录此次偏航方向；若ASS=01， 设置偏航电机正转，若ASS＝10，设置偏航电机反转；偏航电机工作后启动偏航计时器计时，控制偏航电机运转一定时间，再判断ASS 是否为00，若ASS=00，表明机舱已对风，否则判断计时时间是否超过偏转360 °所需时间，若计时时间超过偏转360 度所需时间偏航电机仍未停止工作，则停止偏航，向中心控制器发出安全停机信号和风向标故障信号。若ASS＝00，偏航计时时间不超过偏转360 度所需时间时，控制偏航电机继续运转，直到ASS=00，向中心控制器PLC发出自动偏航完成信号并复位自动偏航标志位。

3.1.1 自动偏航传感器ASS 状态：

图3-1-1自动偏航传感器状态示意图（虚线表示风向标0度位置）

3.1.2 参数说明和电机运行状态

ASS 设置 电机状态
00 已对风（在偏航精度内） 停止
01 锐角偏航偏航 电机正转
10 锐角偏航偏航 电机反转
11 钝角偏航 视上次偏航情况

表3-1-2自动偏航传感器ASS 参数说明和电机运行状态

3.1.3 偏航控制流程图

图3-1-3 自动偏航控制程序流程图

3.1.4 偏航电机电气连接原理图

3.1.5偏航对风控制PLC程序

图 3-1-5 自动偏航控制梯形图

3.2 90°侧风控制
在出现特大强风，遭遇切出风速以上的大风暴时，控制系统对机舱作90°侧风处理。由于90°侧风是在外界环境对风电机组有较大影响的情况下（例如出现特大强风），为了保证风电机组的安全所实施的措施，所以在90°侧风时，应当使机舱走最短路径，且屏蔽自动偏航指令；在侧风结束后应当抱紧偏航闸，同时当风向变化时，继续追踪风向的变化，确保风力发电机组的安全。控制过程如下：
根据90°侧风风向标传感器DSS的信号，当DSS=00时，表明机舱已处于90°侧风位置；再判断DSS是否为10，若DSS=10，为了使机舱走最短路径，设置偏航电机反转；若DSS=11，设置偏航电机正转；此时启动偏航计时器开始计时。控制偏航电机运转一定时间，再判断DSS是否为00，若DSS=0，表明机舱已90°侧风，否则判断计时时间是否超过偏转360°所需时间，若计时时间超过偏转360°所需时间且偏航电机仍未停止工作，则停止偏航，向中心控制器PLC发出安全停机信号和风向标故障信号。若DSS≠0，偏航计时时间不超过偏转360°所需时间时，控制偏航电机继续运转，直到DSS=00，向中心控制器PLC发出90°侧风完成信号并复位90°侧风标志位。DSS的参数说明如图3-2-1所示：

图3-2-1度侧风风向标传感器DSS参数说明
。
3.3 人工偏航控制
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。
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，再检测此时系统是否正在进行偏航操作。若此时系统无偏航操作，封锁自动偏航操作，若系统此时正在进行偏航，清除自动偏航控制标志；然后读取人工偏航方向信号，判断与上次人工偏航方向是否一致，若一致，松偏航闸，控制偏航电机运转，执行人工偏航；若不一致，停止偏航电机工作，保持偏航闸为松闸状态，向相反方向进行运转并记录转向，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。
3.4 自动解缆控制
自然界中的风是一种不稳定的资源，它的速度与风向是不定的。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。不同的风力发电机需要解缆时的缠绕圈数都有其规定。当达到其规定的解缆圈数时，系统应自动解缆，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。若因故障， 自动解缆未起作用，风力发电机也规定了一个极值圈数，在纽缆达到极值圈数左右时，纽缆开关动作，报纽缆故障，停机等待人工解缆。在自动解缆过程中，必须屏蔽自动偏航动作。
自动解缆包括PLC控制的凸轮自动解缆和纽缆开关控制的安全链动作PLC报警两部分，以保证风电机组安全。凸轮控制的自动解缆过程如下:

图3-4-1 凸轮位置微调

根据角度传感器CW 和CCW 所记录的偏转角度情况，确定顺时针解缆还是逆时针解缆。首先松偏航闸，封锁传感器故障的报告，当需要解缆且记录CW 为1 时，控制偏转电机正转，当需要解缆且记录CCW 为1 时，控制偏转电机反转。在此过程中同时检测偏航中心传感器信号，直到偏航传感器中心信号为0，则结束解缆；此时停止偏航电机工作，系统处于待机状态，向中心控制器发出自动解缆完成信号。纽缆开关控制的安全链保护；若凸轮控制的自动解缆未能执行，则纽缆情况可能会更加严重，当纽缆达到极值圈数时（比如设定3 圈），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。自动解缆控制梯形图如图3-4-1所示：

图 3-4-1 自动解缆控制梯形图

第四章 总结

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电作为一种可持续发展的新能源，己经成为当今社会发展必不可少的条件。它不仅可以节约常规能源，而且减少环境污染。因此，控制技术是机组安全高效运行的关键。
偏航控制系统作为水平轴风力发电机组控制系统的重要组成部分，由于在目前技术条件下风电与火电、水电相比，从造价、电能质量、设备制造和控制技术等领域存在劣势，使得风电领域的理论和应用研究工作与西方发达国家存在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还十分薄弱。偏航系统作为风力发电机组特有的伺服系统，它能使风能得到更好的利用，所以偏航系统的设计非常的重要。
本课题的主要目的是对风力机偏航系统的设计与控制。首先对风力发电机组系统的基本组成分别做了简要的介绍，并对系统的主要部分进行了功能分析。然后给出了偏航控制系统的控制机构和驱动机构的组成以及各部分的功能、工作原理。最后为了实现偏航系统的伺服控制，分析了偏航控制的几个过程：风向标控制的自动偏航，人工偏航，风向标控制的90°侧风，自动解缆；同时给出了部分控制过程的流程图及梯形图。

参考文献

[1] 李勇东．中国风力发电的发展现状和前景[J]．电气时代，2007(3)：16～20．
[2] 岑海堂，薛正福．大型风电机组发展现状与关键技术[J]．科技创新导报，2008
5(24)：78～81．
[3] 徐德，诸静.风力发电机风向随动控制系统[J].太阳能学报，2000，21（2）：
187-188.
[4] 李本立．风力机结构动力学[M]．北京:北京航空航天大学出版社，2005.
[5] 蔡晓明，长征电器介入风电设备制造领域，证券时报，2006.
[6] 宁夏日报，首批宁夏生产制造的风力发电机组问世，宁夏日报，2006.
[7] 马洪飞，徐殿国，苗立杰. 几种变速恒频风力发电系统控制方案对比分析[J].
电工技术杂志，2000，（10）：1-4.
[8] 倪受元. 风力发电讲座第六讲风力发电的现状和展望[J]. 太阳能,2001.
[9] 张照煌,刘衍平,李林. 关于风力发电技术的几点思考[J]. 电力情报,1998.
[10] 曹建，丁家峰.LEM 电流传感器在电力设备介电特性在线监测众的应用.元器件
与应用.2001, (4):31-33.
[11] 秦继荣，沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].北京：机械工业出
版社，1993.
[12] 陈云程．风力机设计与应用[M],北京:机械工业出版社2005，02: 027-027.
[13] 倪受元. 风力发电讲座第三讲 风力发电用的发电机及风力发电系统[J].太阳
能，2000，（4）：12-17.
[14] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社，2002.
[15] 季田，田德.基于单片机的浓缩风能型风力发电机调向控制系统[J].中国机械
工程，2003，14（18）：157-157.
[16] 王承煦，张源.风力发电[M]. 北京：中国电力出版社，2003.
[17] Roskilde. European Wind Turbine Testing Procedure Developments, [PhD.
DegreePaper], Danmark: Risø National Laboratory, 2001.
[18] 徐德，诸静.风力发电机风向随动控制系统[J].太阳能学报，2000，21（2）：
187-188.
[19] 李守好.风力发电装置刹车系统及偏航系统智能控制研究,[硕士学位论文]，西
安：西安电子科技大学，2005.
[20] 陈实.MW 级风力发电系统单机电气控制技术研究――无功补偿和偏航控制系
统，[硕士学位论文]，南京：南京航空航天大学，2004.
[21] 张新房.风力发电技术的发展及若干问题[J].现代电力 ，2003，20（5）：29-34.
[22] 邓重一. 利用霍尔传感器芯片设计直流电流检测电路. 传感器技术,2003,22
(6)：50-52.
[23] 李靖，黄绍平，张深基. LEM 传感器在电气参数测试中的应用.湖南工程学院
学报，2004，14（2）：12-15.

致谢

在大学即将毕业之际，很幸运能遇到治学严谨、博闻强识的指导教师赵玉丽。本次毕业设计历时一个多月，从选题、开题报告到软件设计、最终完成整个设计，其间每一过程都得到赵老师的悉心指导。每次见面老师都会了解我的设计情况，力求让我在正确的方向上学到最多的知识，高效、高质量的完成毕业设计。每次对于我的疑问，老师总是不耐其烦的解答，并对相关知识点进行扩展，让我的知识面得到了极大的丰富。
同时，还要感谢所有给过我帮助的老师和同学，没有你们的帮助，我不会这么顺利的完成设计，是你们在我遇到困难的时候无私、热心的帮助我，给我提供了强大的支持。同样，也要感谢学校，感谢图书馆，感谢你们提供的丰富的参考资料，正是借助这些资料我才能准确、顺利的完成毕业设计。
最后，再一次的对所有帮助我的人表示感谢，谢谢你们的支持与帮助！