风力发电机偏航系统故障报警装置

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 风力发电机偏航系统故障报警装置 【摘 要】作为风力发电机的重 要组成部分“ 偏航系统 ”的工作是否 正常直接关乎到风力发电机的工作是否 正常甚至安全。一旦偏航系统出现故障， 轻则影响风力发电机的工作效率，重则 影响风轮叶片的安全，无论何种情况都 会造成经济损失。而现实中风力发电机 由于塔筒很高、肉眼误差很大，工作人 员很难及时准确地发现偏航系统出现故 障，本文设计了一种风力发电机偏航系 统故障报警装置，能够实现实时准确检 测偏航系统，在地面查看显示装置即可 获取检测结果，帮助工作人员获取风力 发电机组关键数据。 中国论文网 /1/view-12948496.htm -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 【关键词】风力发电机；偏航系 统；故障报警 引言 在全球能源供需愈碛 紧张， 传统能源即将枯竭的大环境下，国际风 力发电领域热度与日俱增。我国风能资 源丰富，风电市场十分巨大。据 BTM 统计数据显示，2010 年全球风电累计装 机容量达到 199.5GW，年累计增速为 25%，中国、美国、德国、西班牙、印 度依次位居全球前五名，到 2010 年底， 中国新增装机 18.9GW，累计装机达 44.73GW，超过美国跃居世界第一，到 2010 年底中国风电发电量为 50.1TWh 1-3。风力发电机是将风能转换成机械 能，机械能带动转子旋转，最终输出交 流电的电力设备。风力发电机一般有风 轮、发电机、调向器、塔架、限速安全 机构和储能装置等构件组成。风电产生 的最主要设备既是风力发电机，而风力 发电机中水平轴的风力发电机应用最为 广泛，水平轴风力发电机的一个主要部 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 分就是偏航系统，偏航系统有主动偏航 和被动偏航，主动偏航既是风力发电机 会有自己的液压伺服机构或者电动机与 齿轮构成的电伺服机构来使风力机对风， 多见于大型风力发电系统，被动偏航则 是由尾舵产生力矩来使风力机对准风向。 无论是主动偏航还是被动偏航，一旦偏 航系统出现故障，轻则影响发电效率， 重则会造成风力发电机的损坏。而有不 少情况是偏航系统出现了故障，但是并 没有及时发现故障而造成的损失，避免 大的损失的一个方法既是及时发现故障， 本文提出的风力发电机偏航系统故障报 警装置能实时监测风力发电机偏航系统 是否出现了故障，并给出信号。 1.系统介绍 风力发电机偏航系统故障报警装 置的核心是单片机，选择使用 8 位的 STC89C52 单片机， 8 位单片机已经能 够满足大多数风力发电机偏航系统故障 检测要求。STC89C52 单片机增加了四 个外围装置，分别是 PCF8591AD 转换 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 模块、02 伏模拟电压输出风速传感器、 02 伏模拟电压输出风向传感器、8 位 共阴极数码管。此装置能够实现实时检 测偏航系统是否出现故障。 1.1 系统结构 故障报警装置以 STC89C52 单片 机为核心，还有风速风向信号采集单元、 AD 转换单元、结果输出单元、电源。 各个模块的连接如图 1 所示。 风速传感器和风向传感器组成了 信号采集单元，PCF8591 作为 A/D 转换 模块，STC89C52 单片机是核心，单片 机接收了风速和风向信息后经过内部的 算法判断风力发电机偏航系统是否有故 障，并将判断结果输出到数码管上，数 码管既是结果输出单元。其中的风速传 感器、风向传感器、为两个传感器供电 的电源放在风力发电机的机舱内，A/D 转换模块、单片机、单片机电源、单片 机程序写入端口、数码管放在风力发电 机塔筒的基部，方便修改程序和查看检 测结果。检测程序可由工作人员根据不 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 同的风力发电机、所处的不同环境进行 改写。 1.2 信号采集与 A/D 转换 信号采集单元由风速传感器和风 向传感器组成，风速传感器和风向传感 器均由 5 伏直流电供电，信号输出都是 02 伏电压信号。这两种传感器都安装 在风力发电机机舱顶部，风速传感器安 装在机舱顶部测得风速更接近流经风力 发电机风轮旋转面的风速，风向传感器 安装在机舱顶部更方便测得风力发电机 风轮朝向与风向之间的夹角，因为风向 传感器的风舵是和风向一致的，而风向 传感器的底座又是和风力发电机机舱固 定在一起，所以风向传感器的底座朝向 可以代替风力发电机风轮朝向信息。 A/D 转换采用的是 PCF8591，由 3.35 伏直流电供电，PCF8591 是 8 位逐次逼 近 A/D 转换器，PCF8591 具有 4 个模 拟输入（AIN0、AIN1 、AIN2、AIN3） 、 1 个模拟输出（ AOUT）和 1 个串行 I2C 总线接口，其中电压输入范围为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 05 伏。模拟输入口 AIN0 接风速传感 器，模拟输入口 AIN1 接风向传感器， PCF8591 的 GND 和 VCC 口分别和单片 机的 GND 和 VCC 口相接，PCF8591 的 SCL 和 SDA 口分别和单片机的 P2.0 和 P2.1 口相接。 1.3 单片机与数码管 单片机采用的是 STC89C52 单片 机，STC89C52 有 8KB 的 ROM，256 字节的 RAM，3 个定时/ 计数器， 6 个 中断源，一个 8 位 CPU，4 个 8 位并行 I/O 端口 4。I/O 端口只用到了 P0 口、 P2.0、P2.1 和 P1.0，其中 P0 的 8 个端 口经上拉电阻与数码管的 ABCDEFGdp 口接，P1.0 口与数码管的共阴端口接， P2.1 口与 PCF8591 的 SDA 口接，P2.0 口与 PCF8591 的 SCL 口接。数码管选 用的是一个 8 位共阴极数码管。 1.4 电源 风速传感器、风向传感器、 PCF8591AD 转换器和单片机均由 5 伏 直流电供电。其中风速传感器和风向传 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 感器共用一个 5 伏电源，PCF8591AD 转换器由单片机上 5 伏 VCC 引脚供电， 单片机由 5 伏电源供电。其中单片机供 电和程序写入共用同一条线路。 2.算法设计 算法流程如下图 2. 风速传感器首先会采集风速信息， 并将信息传给单片机，单片机判断风速 是否在切出风速以内，风向传感器再采 集风轮与风向之间夹角信息，单片机再 根据风速判断风轮与风向之间的夹角是 否合适，以上过程即判断风力发电机偏 航系统是否有故障，并将判断结果以类 型码的形式显示在数码管上。判断结果 与类型码对应关系如下。 显示 0：没有故障 显示 1：风速在切出风速以内， 偏航系统并没有做出正确调整使风轮对 准风向 显示 2：风速超过切出风 速，偏航系统并没有做出正确动作使风 轮与风向之间夹角合适 这样无论风速是否在切出风速以 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 内风力发电机偏航系统只会在其中一种 状态，即数码管上只会显示一个类型码。 完成一次检测后算法会回到起始 位置再次进行新一轮的检测，这样就保 证了故障检测装置一直在O 视风力发 电机偏航系统是否出现故障，如果故障 没有排除在下一轮检测时依然会被检测 出来，如果故障排除了在下一轮检测时 故障检测装置会恢复显示 0 代表没有故 障。 3.硬件设计 该装置主要存在单片机与 PCF8591AD 转换器之间、单片机与程 序写入芯片 CH340G 之间的通信。 3.1 单片机与 PCF8591AD 转换 器之间的通信 单片机与 PCF8591AD 转换器之 间采用串行通信，PCF8591 通过 I2C 总 线（SDA 引脚）串行输出信号，单片机 通过 P2.1 口接受信号。 PCF8591 上的 SCL 引脚为 IIC 时钟接口，单片机通过 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 P2.0 口向 PCF8591 传递时钟信号。 3.2 单片机与程序写入芯片 CH340G 之间的通信 单片机与程序写入芯片 CH340G 之间同样采用串行通信，CH340G 的 TxD 引脚与单片机的 RXD 引脚相连， CH340G 的 RxD 引脚与单片机的 TXD 引脚相连，CH340G 的 D+引脚与 D-引 脚即是与 USB 接口连接，USB 接口即 与电脑连接，这样即可由电脑通过 USB 接口，再经过 CH340G 向单片机写入程 序。图 5 中还展示了单片机的晶振电路、 复位电路和 P0 口的上拉电阻。 系统实物图如图 3。 A：风向传感器 B ：传感器供电电源 C ：风速传感器 D：单片机供电电源 E：单片机、数码管、 CH340G、PCF8591AD 转换器 4.结论 风力发电机偏航系统故障报警装 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 置结构简单，并且可以根据不同的风力 场和不同的风力发电机随时进行程序参 数的更改。该装置安装简单，并且在已 经安装好的风力发电机上一样可以