风力发电机组控制系统.doc

风电职业技术培训教材-风力发电机组控制系统风力发电机组控制系统1 概述风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装置，风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程。1.1 控制目标在考虑风力发电机组控制系统的控制目标时，应结合它们的运行方式重点实现以下控制目标：1） 控制系统保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。2）控制系统采用计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管理和控制。3）利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制，定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因数补偿控制，对变桨距风力发电机组主要进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制。4）大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能软切入自动并网，保证电流冲击小于额定电流。对于恒速恒频的风机，当风速在4-7 m/s之间，切入小发电机组（小于300KW）并网运行，当风速在7-30 m/s之间，切人大发电机组（大于500KW）并网运行。1.2 控制功能1）大风情况下，当风速达到停机风速时，风力发电机组应叶尖限速、脱网、抱液压机械闸停机，而且在脱网同时，风力发电机组偏航90。停机后待风速降低到大风开机风速时，风力发电机组又可自动并入电网运行。2）为了避免小风时发生频繁开、停机现象，在并网后10min内不能按风速自动停机。同样，在小风自动脱网停机后，5min内不能软切并网。3）当风速小于停机风速时，为了避免风力发电机组长期逆功率运行，造成电网损耗，应自动脱网，使风力发电机组处于自由转动的待风状态。4）当风速大于开机风速，要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风,跟风精度范围15。5）风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下，应该松开机械闸，其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。6）风力发电机组的叶尖闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放，起平稳刹车作用。其余时间（运行期间、正常和故障停机期间）均处于归位状态。7）在大风停机和超速停机的情况下，风力发电机组除了应该脱网、抱闸和甩叶尖闸停机外，还应该自动投入偏航控制，使风力发电机组的机舱轴心线与风向成一定的角度，增加风力发电机组脱网的安全度，待机舱转约90后，机舱保持与风向偏90跟风控制，跟风范围15。8）在电网中断、缺相和过电压的情况下，风力发电机组应停止运行，此时控制系统不能供电。如果正在运行时风力发电机组遇到这种情况，应能自动脱网和抱闸停机，此时偏航机构不会动作，风力发电机组的机械结构部分应能承受考验。9）风力发电机组塔架内的悬挂电缆只允许扭转2.5 圈，系统已设计了正/反向扭缆计数器，超过时自动停机解缆，达到要求后再自动开机，恢复运行发电。10）风力发电机组应具有手动控制功能（包括远程遥控手操），手动控制时“自动”功能应该解除，相反地投入自动控制时，有些“手动”功能自动屏蔽。11）控制系统应该保证风力发电机组的所有监控参数在正常允许的范围内，一旦超过极限并出现危险情况，应能自动处理并安全停机。2. 控制系统的组成2.1 电控系统从功能划分主要包括正常运行控制、阵风控制、最佳运行控制（最佳叶尖速比控制）、功率控制、安全保护控制、变桨距控制等部分。如图1所示：图12.2 从控制结构上来划分，电控系统可以分为以下四个部分，如图2所示：1）电网级控制部分：主要包括总的有功和无功控制，远程监控等。2）整机控制部分：主要包括最大功率跟踪控制，速度控制， 自动偏航控制等。3）变流器部分：主要包括双馈发电机的并网控制，有功无功解耦控制，亚同步和超同步运行控制等。4）变桨控制部分：又分为统一变桨控制和独立变桨控制两种，大型风电机组大多采用了独立变桨方式。（减少紊流对风电机组的影响，平衡各个叶片的受力状况以及系统安全保障冗余的考虑）图22.3 在控制过程中，风电机组将被控制在功率优化区和功率限制区范围内，如图3所示。1）功率优化区：其中，区间A-B，C-D为固定转速区；区间B-C为变速区， 在此区间内实现最佳叶尖速比控制。（运行点B,C的位置由风电机组决定。）2）功率限制区：在此区间，通过变桨距的方式限制输入功率为额定功率，但在阵风控制时，输入的瞬时功率会超过额定功率。在图3中，双馈发电机的运行转速范围为：900转/分-2000转/分，额定转速为1800转/分。当转速在900转/分-1800转/分之间时，可以进行最佳叶尖速比控制；而高于1800转/分的转速范围用于阵风控制，这样不但可以减少阵风对风电机组主传动链的冲击，同时也可以降低对变桨距系统响应速度的要求。图3 图4 1.0兆瓦变速机组电控系统 图5 1.0兆瓦变速机组电控系统3.控制系统主要参数（恒速恒频）3.1 主要技术参数1）主发电机输出功率（额定） Pe(KW)2) 发电机最大输出功率 1.2Pe（KW）3）工作风速范围 4-25m/s4) 额定风速 Ve(m/s)5) 切入风速（1min平均值） 4m/s6) 切出风速（1min平均值） 25m/s7) 风轮转速 N（r/min）8) 发电机并网转速 1000/1500+20r/min9) 发电机输出电压 Ve10%10)发电机发电频率 50Hz0.5Hz11)并网最大冲击电流（有效值） 1.5Ie12)电容补偿后功率因素 0.6-0.923.2 控制指标及效果1) 方式 专用微控制器2）过载开关 690V,660A3) 自动对风偏差范围 154）风力发电机组自动起、停时间 60s5) 系统测试误差 0.5%6) 电缆缠绕2.5圈自动解缆 7）解缆时间 55min8) 手动操作响应时间 1.3Ue(V)2) 过电流保护范围 连续30s1.3Ie(A)3) 风轮转速极限 40r/min4) 发电机转速极限 1.2Pe(KW) 6) 发电机过电流保护值 连续30s1.5Ie (A)7) 大风保护风速 连续600s25m/s8) 系统接地电阻 3500V4. 控制系统工作流程（恒速恒频）主开关合上后，风力发电机组控制器准备自动运作。首先系统初始化，检查控制程序、微控制器硬件和外设、传感器来的脉冲及比较所选的操作参数，备份系统工作表，接着就正式起动。起动的第一秒钟内，先检查电网、设置各个计数器、输出机构初始工作状态及晶闸管的开通角。所有这些完成后，风力发电机组开始自动运行。用于风轮的叶尖本来是90，现在恢复为0，风轮开始转动。计算机开始时刻监测各个参数、输入，判断是否可以并网，判断参数有否超过极限、执行偏航、相位补偿、机械制动或空气制动。其中相位补偿的作用在于使功率因数保持在0.95-0.99之间。其详细的控制系统工作原理流程框图（见图9-2）。5. 风力发电机组的基本控制策略5.1 风力发电机组的工作状态风力发电机组总是工作在如下状态之一：运行状态；暂停状态；停机状态；紧急停机状态。每种工作状态可看作风力发电机组的一个活动层次，运行状态处在最高层次，紧停状态处在最低层次。为了能够清楚地了解机组在各种状态条件下控制系统是如何反应的，必须对每种工作状态作出精确的定义。这样，控制软件就可以根据机组所处的状态，按设定的控制策略对调向系统、液压系统、变桨距系统、制动系统、晶闸管等进行操作，实现状态之间的转换。以下给出了四种工作状态的主要特征及其简要说明。(1) 运行状态：1)机械刹车松开；2)允许机组并网发电；3)机组自动调向；4) 液压系统保持工作压力；5) 叶尖阻尼板回收或变桨距系统选择最佳工作状态；(2) 暂停状态：1) 机械刹车松开；2) 液压泵保持工作压力；3) 自动调向保持工作状态；4) 叶尖阻尼板回收或变距系统调整桨叶节距角向90o方向；5) 风力发电机组空转。这个工作状态在调试风力发电机组时非常有用，因为调试风力机的目是要求机组的各种功能正常，而不一定要求发电运行。(3) 停机状态：1) 机械刹车松开；2) 液压系统打开电磁阀使叶尖阻尼板弹出，或变距系统失去压力而实现机械旁路；3) 液压系统保持工作压力；4) 调向系统停止工作。(4) 紧急停机状态：1) 机械刹车与气动刹车同时动作；2) 紧急电路 (安全链) 开启；3) 计算机所有输出信号无效；4) 计算机仍在运行和测量所有输入信号当紧停电路动作时，所有接触器断开，计算机输出信号被旁路，使计算机没有可能去激活任何机构。5.2 工作状态之间转变定义了风力发电机组的四种工作状态之后，我们进一步说明各种工作状态之间是如何实现转换的。按图3-8箭头所示，提高工作状态层次只能一层一层地上升，而要降低工作状态层次可以是一层或多层。这种工作状态之间转变方法是基本的控制策略，它主要出发点是确保机组的安全运行。如果风力发电机组的工作状态要往更高层次转化，必须一层一层往上升，用这种过程确定系统的每个故障是否被检测。当系统在状态转变过程中检测到故障，则自动进入停机状态。当系统在运行状态中检测到故障，并且这种故障是致命的，那么工作状态不得不从运行直接到紧停，这可以立即实现而不需要通过暂停和停止。下面我们进一步说明当工作状态转换时,系统是如何工作的。5.2.1 工作状态层次上升紧停停机如果停机状态的条件满足，则：1) 关闭紧停电路；2) 建立液压工作压力；3) 松开机械刹车。停机暂停如果暂停的条件满足，则：1) 起动偏航系统；2) 对变桨距风力发电机组，接通变桨距系统压力阀。暂停运行如果运行的条件满足，则：1) 核对风力发电机组是否处于上风向；2) 叶尖阻尼板回收或变桨距系统投入工作；3) 根据所测转速，发电机是否可以切入电网。5.2.2 工作状态层次下降工作状态层次下降包括3种情况：(1) 紧急停机。紧急停机也包含了3种情况，即：停止紧停；暂停紧停；运行紧停。其主要控制指令为：1) 打开紧停电路；2) 置所有输出信号于无效；3) 机械刹车作用；4) 逻辑电路复位。(2) 停机。停机操作包含了两种情况，即：暂停停机；运行停机。暂停停机1) 停止自动调向；2) 打开气动刹车或变桨距机构回油阀 (使失压)。 运行停机1) 变桨距系统停止自动调节；2) 打开气动刹车或变桨距机构回油阀 (使失压)3) 发电机脱网。(3) 暂停。主要控制指令为：1) 如果发电机并网，调节功率降到0后通过晶闸管切出发电机；2) 如果发电机没有并入电网，则降低风轮转速至0。5.3 故障处理图3-8所示的工作状态转换过程实际上还包含着一个重要的内容：当故障发生时，风力发电机组将自动地从较高的工作状态转换到较低的工作状态。故障处理实际上是针对风力发电机组从某一工作状态转换到较低的状态层次可能产生的问题，因此检测的范围是限定的。5.3.1 为了便于介绍安全措施和对发生的每个故障类型处理，我们给每个故障定义如下信息： 故障名称； 故障被检测的描述； 当故障存在或没有恢复时工作状态层次； 故障复位情况 (能自动或手动复位，在机上或远程控制复位)。5.3.2 故障处理过程：(1) 故障检测。控制系统设在顶部和地面的处理器都能够扫描传感器信号以检测故障，故障由故障处理器分类，每次只能有一个故障通过，只有能够引起机组从较高工作状态转入较低工作状态的故障才能通过。(2) 故障记录。故障处理器将故障存储在运行记录表和报警表中。(3) 对故障的反应。对故障的反应应是以下三种情况之一： 1) 降为暂停状态； 2) 降为停机状态； 3) 降为紧急停机状态。(4) 故障处理后的重新起动。在故障已被接受之前，工作状态层不可能任意上升。故障被接受的方式如下：如果外部条件良好，一些外部原因引起的故障状态可能自动复位。一般故障可以通过远程控制复位，如果操作者发现该故障可接受并允许起动风力发电机组，他可以复位故障。有些故障是致命的，不允许自动复位或远程控制复位，必须有工作人员到机组工作现场检查，这些故障必须在风力发电机组内的控制面板上得到复位。故障状态被自动复位后10min将自动重新起动。但一天发生次数应有限定，并记录显示在控制面板上。如果控制器出错可通过自检(WATCH DOG)重新起动。6恒速恒频风力发电机组控制系统组成控制系统组成框图，如图9-1所示。这是定桨距双速发电机型机组控制系统的组成，对于变桨距风力发电机组只是发电机软切人控制略有区别。控制系统由微机控制器（ 包括监控显示运行控制器、并网控制器、发电机功率控制器）、运行状态数据监测系统、控制输出驱动电路模板（输出伺服电动机、液压伺服机构、机电切换装置）等系统组成。主要有空气断路器、控制切换接触器、过电流、过电压及避雷保护器件、电流、电压及温度的变换电路、发电机并网控制装置、偏航控制系统、相位补偿系统、停机制动控制装置。传感信号主要由信号接口电路完成，它们向计算机控制器提供电气隔离标准信号。这些信号有模拟量20点、开关量60多点、频率量10 多点，信号的电压和电流范围一般为工业标准信号。6.1 输入信号控制系统输入信号、系统监测的参数有：三相电压、三相电流、电网频率、功率因数、输出功率、发电机转速、风轮转速、发电机绕组温度、齿轮箱油温、环境温度、控制板温度、机械制动闸片磨损及温度、电缆扭绞、机舱振动、风速仪和风向标等。为了得到系统运行的情况，系统还需监测各接触器的开关、液压阀压力状况、偏航运作和按键输入等情况。系统的模拟输入量：发电机和电网的三相电压、三相电流和发电机绕组温度、齿轮箱油温、环境温度、传动机构等旋转机构的热升温度；系统的频率输入量：风轮转速、发电机转速、风速仪、风向仪，偏航正反向计数、扭缆正反向计数等；系统的开关输入量：按键信号、制动闸片磨损、制动闸片热、风向标0、风向标90、偏航顺时针传感、偏航逆时针传感、机舱振动、偏航电动机过载、旁路接触器状态、风轮液压压力信号（风轮转速过高时出现）、机械制动液压压力高、机械制动液压压力低、外部错误信号等等。6.2 输出信号控制系统的输出信号主要是控制各电磁阀、接触器线圈、空气断路器的开合输出。电磁阀和接触器的开合包括：发电动机的并网、偏航电动机（ 顺时针和逆时针）的动作、相位补偿的三步投切、空气制动及机械制动系统的动作等。还有系统的软并网和软脱网控制。此外，对变桨距风力发电机组还要求根据风速变化调节变桨距控制输出。7. 双馈异步风力发电系统7.1 双馈异步风力发电系统的基本概念和一般结构7.2 双馈异步发电机的数学模型7.3 双馈异步风力发电系统的稳态分析8. 双馈异步发电机变频器8.1 变频系统的原理配置变速发电机的系统原理 发电机系统（WTGS）的发电机的运行是在一定转速范围内的变速运行，并且通过适当的措施，确保发电机的输出电压的频率是恒定的。这种系统原理的实现必须要配置节能的电子变频器，这种变频器也广泛运用于动力工程。一旦采用了变频器，下列的两种方式就得以实现：双馈式异步发电机的解决方案：电机通过其定子直接连接到电网中。发电机转子与变频器和定子依次连接。系统概览：双馈式异步发电机1、齿轮箱2、发电机3、电网4、变压器5、滤波器6、四象限变频器变频器的特殊控制实现了：发电机转子在额定的转速范围内产生的旋转的电磁场，定子发出固定频率的电能。与全频变频器解决方案相比，这种方案的优点在于：变频器可以设计得更小更紧凑，并且它的功率实际上只有发电机功率的30%。GEWE在750i、900、1.5和3.x系列系统中采用了这种原理。双馈式异步发电机的基本原理：在异步发电机中，发电机所发出的电能的频率f和转子的转速n以下列的简化了的关系式相连接：n = f 60/p U/min在此，p=发电机内电极对数的数量。例如：四电极发电机的转子，必须以额定的n=1500U/min的转速进行旋转，所以定子线圈内的电磁场能够产生频率为f=50Hz的电能。这种旋转速度也称为发电机的同步转速nsyn。现在，如果发电机在额定的速度范围内以同步速度nsyn运行，还必须有额外的措施，以确保发电机所发出的电能的频率保持在恒定值而不受转速变化的影响。这种措施就是双馈式异步发电机原理。在这种系统原理中，它的诀窍就是在发电机转子产生的电磁场在不断地移动中穿过定子线圈的电极，这样无论转子的转速如何变化，都能正好与同步速度相匹配。这种方式就是所产生的电磁场以合适的转速向转子相反的方向旋转，这种转速就是转子自身所缺少的发电机同步转速（转速补偿）。对此，转子必须负载一个所谓的滑动频率fs的交流电，该频率就是同步转速与实际的转子转速之间的差值所对应的频率。为了发出滑动频率的交流电，就采用了一个所谓的四象限变频器以及直流电压中间电路。 双馈式异步发电机的原理fN ：电网频率f ：定子频率fs ：滑动频率变频器根据电网要求的电能质量以及转子线圈所产生的滑动频率fs，将发电机发出的电能转变成电网所要求的频率fN的三相电源。变频器的原理结构：在GE风能的风轮发电机系统（WTGS）的变速系统中，采用了四象限IGBT变频器。四象限IGBT变频器的原理结构1、设备侧变频器2、直流电压中间电路3、电网侧变频器4、IGBT模块5、控制电子单元这种变频器实质上由下列主要组件组成的：l 电网侧变频器l 直流电压中间电路l 设备侧变频器l 控制电子单元这就意味着四象限变频器实际上是由两个变频器组成。这种结构确保了电能在两个方向上流动。电能可以回流，也可以向电网供电（输电）。因此，这就是术语“四象限”的由来。变频器的最重要的部分就是电子开关。这些是快速响应的半导体组件，就是所谓的IGBT。IGBT是“Insulated Gate Bipolar Transistor /绝缘栅双极晶体管”的缩写。IGBT是半导体组件，不断地运用于电力电子中，因为它们综合了双极晶体管（良好的传输特性）的优点和场效应晶体管（几乎是无功率控制）的优点。它们可以和高闭锁电压匹配，并且可以连接高电流。IGBT仅仅通过两条指令进行控制：ON/开和OFF/关。这些指令是由复杂的控制电子单元形成和发出。现代的变频器中，除了必要的保险丝和开关装置以外，还有其他的组件，它们包括：l 保护装置，保护转子电流回路，防止过压，这就是所谓的撬杠：一旦发生故障，将转子线圈短接。l 各种滤波器。在滤波器装置中，包含有一个dv/dt 滤波器、一个线路感应器和一个线路滤波器。dv/dt 滤波器是由感应体、电容器和电阻组成。它降低了设备侧变频器的输出端的高电压上升速度，降低的速度可以达到2-3kV/s。连续的过大的电压增加速度将导致发电机的转子线圈测超压，这种超压是不允许的，它会破损绝缘层。线路感应器和线路滤波器确保通过电网侧变频器向电网供电的电压和电流符合（电网）要求，并且维持谐波限值。变频器的运行原理：为了解释四象限IGBT变频器的运行原理，让我们设想一种情况，即从三相电网中吸收电能。电网侧变频器供应着三相交流电。它将该交流电转变成脉动直流电，即就是它就像整流器一样工作着。有了脉动直流电，直流电压中间电路有了负载，这种电路是由几只电容器组成的，它的功能就与能量中间储存相类似。设备侧的变频器，就依次像功率变换器一样工作着，即就是它按照一个短暂的、精确的时间周期不断的转换着中间电路的直流电压，向转子线圈输出交变极性的电流。最终，它的感应体建立了一个符合滑动频率的正弦电流。下图是以转子线圈相电流为举例的，表示这种工作原理。电能返回到电网也是以同样的原理进行的。转子电流的产生UZK：中间电路电压 IR： 转子线圈相电流因此，电网侧的变频器不像整流器那样工作着，而是像一个功率变换器一样运行着，因此连续的正弦三相交流电就源源不断地输入电网。控制和调节：电网和设备侧的变频器是由控制和调节电子单元根据风轮发电机系统（WTGS）的电子监控技术规范进行控制。对此，相应的组件采集运行数据，和设定值进行比较，并处理控制信号。尤其是测量电网和发电机的电压、定子和转子的电流、中间电路的电压以及转子转速。下列原理图是变频发电机系统的同等电路原理图。控制和调节系统的原理1、变频器的控制和调节电子单元 2、轮发电机系统（WTGS）的控制系统风轮发电机系统（WTGS）的监控规定了取决于风力水平的发电机的旋转速度和扭矩。控制和调节电子单元比较测量的运行数据和设定值。作为比较的结果，它向电网和设备侧的变频器发出控制信号，通过这种方式，设定了转子电流和转子频率，定子线圈和电网的电压和频率实现了匹配，这样发电机所发出的电能就可以输送到电网。运行模式：配置了双馈式异步发电机的GE Wind Energy系统原理允许额定转速的30%的滑动范围。那就是一个4电极的同步转速为1500U/min的发电机可以运行在1000-2000U/min的速度范围内。这就产生了三种运行模式，并且可以连续采用。欠同步运行：在低风速条件下，发电机以某一转速运行，该转速低于发电机的同步转速。该范围代表着轻负荷范围。定子输出所有电能。这部分电能中，有一部分必须通过变频器返回到转子，来补偿转子的滑动。在欠同步运行模式下能量流对此，变频器从电网中吸取三相50Hz交流电并转变这种交流电，因此在滑动频率下的三相交流电被送到转子线圈中。转子所要求的功率PRot定义如下：PRot = sPGen在此，s =（nsynn）/ nsyn；转子滑动；PGen =发电机的额定功率。同步运行：发电机转子以同步转速旋转运行，大约80%的系统额定输出从发电机定子输送到电网。同步运行模式的运行就是在某一范围内的特殊情况。在这种特殊情况下，转子是直流供电。超同步运行：在超同步运行模式中，当转子旋转速度超过同步转速时，转子也通过变频器向电网输电。必须从发电机转子吸取电能，来降低它的电磁场超速，相应的使转子的转速降低到发电机的同步转速。超同步运行模式中的能量流为了实现这种调节，设备侧的变频器在转子上强加了这种频率的电流，使得转子的转速降低到同步转速。因此，能量流向相反方向流动，现在设备侧的变频器将储存的能量施加到直流电压中间电路。电网侧的变频器从直流电压中间电路中移去这些能量，并将这些能量转变成三相50Hz的交流电，并输入到电网中去。变速风轮发电机系统的优点：与固定转速的风力发电系统相比较，配置一定范围内变速调节系统的风轮发电机系统（WTGS）实现了多个运行优点。 1、更加有利的节距调节更加有效的动态转速控制和滑动调节，这样延长了转子叶片的调节时间。这就导致了节距调节系统的节能运行。2、降低了噪音通过特定的转速调节，降低了噪音排放。尤其是在部分负荷范围内，环境噪音按比例地降低了。3、降低了机械装置和组件的承载冲击由于扭矩冲击的“振荡”选择以及扭矩或功率的“维持稳定负荷”，所有的机械载荷都被减轻了/缓解了。因此，组件可以变得更加轻了或转子区域可以增加负荷来增加电能输出。4、大大提高了系统的综合效率由于配置了变速/调速动力转动系统，实现了风轮发电机系统（WTGS）的运行转速在一个相当大的范围内的调节，实现了与发电机转子的最佳转速相匹配。9. 传感器风机设备的测量部分主要为各类传感器。传感器负责监测对象状态数据，如风速、风向、温度、转速、角度、振动及部分开关位置信号等。9.1 风速仪和风向标风速传感器的感应元件是三风杯组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。 风向传感器的变换器为码盘和光电组件。当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中转动。产生的光电信号对应当时风向的格雷码输出。传感器的变换器采用精密导电塑料电位器，从而在电位器的活动端产生变化的电阻信号输出。 (风速传感器) (风向传感器)注意事项：（1）风速和风向传感器应垂直的安装在相距1米以上的横臂上。（2）风向传感器已调好零，不许随意松动风向帽与主轴间的制动螺钉。（3）测风传感器应每年给轴承注油一次，注油时应拆下风速架或风向帽，将仪表油从传感器的上轴承处注入。（4）传感器风速、风向帽上各不动的制动螺钉均用软质密封胶密封，不要随便拆卸，拆卸后再装配时最好重新涂上胶密封。9.2 风速计和风向标加热元件风向标和风速计都有加热系统，以防它们的电子元件受冻。加热系统包括两个串联的外部加热元件。一个元件连接到风向标的底座，另一个元件连接到风速计的底座，加热系统还有一位于桅杆内并与之直接接触的外部PT。如果PT传送给加热系统的温度低于2C，加热元件接收最大的功率。如果温度在2C到0C之间，加热元件接收到的功率被恒定调节。加热系统根据温度，切断加热元件的电源最长可达2秒。如果外部温度高于10C，加热系统长期切断加热元件的电源。9.3 温度传感器PT100PT100传感器是可变电阻器，随着温度的增加电阻器的阻值增加。Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温。如表1所示：表中：Temp.C：温度（C） R ohm：电阻（） Increment 0.38ohm/C 增加0.38/C表1 Pt100传感器随温度变化的函数关系9.4 转速传感器接近式开关转速传感器，常见的有电感式与电容式，其工作原理是金属物体与传感器间的距离变化，改变了其电感或电容值；安装在风力机组的低速轴和高速轴附近，感受金属物体的距离，发出相应的脉冲数。一般测频的方法有两种：一种通过计量单位时间内的脉冲个数获得；一种测量相邻脉冲的时间间隔，通过求倒数获得频率。对于频率较高的信号采用前一种方法可以获得较高精度，对于频率较低的信号采用后一种方法可以节省系统资源，获得较高精度。模块类型与测量风速的相同。由PLC把频率信号转换成对应的转速。频率与转速的对应关系为线性的。接近传感器可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。根据操作原理，接近传感器大致可以分为以下三类：利用电磁感应的高频振荡型，使用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。特性： 非接触检测，避免了对传感器自身和目 标物的损坏。 无触点输出，操作寿命长。 即使在有水或油喷溅的苛刻环境中也能稳定检测。 反应速度快。 小型感测头，安装灵活。类型独立型内置放大/分离型特性连接电源后即可操作接线简单灵活的电缆线接头小感测头长感测距离高精度易改变检测距离（通过改变引线长短）内部原理图外观图感测头放大器 3线2线电源直流直流/交流直流直流输出NPN/PNPNPN/PNPNPN/PNPNPN/PNP按检测方法分类：通用型：主要检测黑色金属（铁）。所有金属型：在相同的检测距离内检测任何金属。有色金属型：主要检测铝一类的有色金属。电感式接近传感器的工作原理电感式接近传感器由高频振荡，检波，放大，触发及输出电路组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这二种状态，转换为电信号通过整形放大转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。内部结构图波形图电容式接近开关工作原理电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器的检测面与大地间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面对，回路的电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制的开关信号。接近开关两种安装方式的区别一般接近开关有两种安装方式：齐平安装与非齐平安装齐平安装：接近开关头部可以和金属安装支架相平安装。非齐平安装：接近开关头部不能和金属安装支架相平安装。一般，可以齐平安装的接近开关也可以非齐平安装，但非齐平安装的接近开关不能齐平安装。这是因为：可以齐平安装的接近开关头部带有屏蔽，齐平安装时，其检测不到金属安装支架；而非齐平安装的接近开关不带屏蔽，当齐平安装时，其可以检测到金属安装。因此，非齐平安装的接近开关的灵敏度比齐平安装的灵敏度要大些，在实际应用中根据需要进行选用。接近式开关转速传感器分为电感式与电容式，其工作原理是金属物体与传感器间的距离变化，改变了其电感或电容值；安装在风力机组的低速轴和高速轴附近，感受金属物体的距离，发出相应的脉冲数。一般测频的方法有两种：一种通过计量单位时间内的脉冲个数获得；一种测量相邻脉冲的时间间隔，通过求倒数获得频率。对于频率较高的信号采用前一种方法可以获得较高精度，对于频率较低的信号采用后一种方法可以节省系统资源，获得较高精度。模块类型与测量风速的相同。由PLC把频率信号转换成对应的转速。频率与转速的对应关系为线性的。9.5 编码器光电编码器光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，这是目前应用最多的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如下图所示。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数九能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对值式以及混合式三种，其中增量式与绝对值式编码器适用比较普遍。增量型编码器 (旋转型)工作原理为由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。通过输出波形图可知每个运动周期的时序为： 顺时针信号 逆时针信号 A B A B 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 我们把当前的A,B输出值保存起来，与下一个A,B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向。绝对值编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换处相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对值式编码器是利用二进制方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是： 可以直接读出角度坐标的绝对值； 没有累积误差； 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。9.6 位移传感器位移传感器（桨叶角度）是一种磁致收缩位置传感器，变桨角度的位置通过长度的线性测量得到。测量长度通过在保护管内部波导管内传输的电流脉冲完成。波导管是一种波导物质边界装置，形状是一根固体电介质杆或充满电介质的管状导体，可导引高频电磁波，如图所示： 磁致伸缩指一些金属（如铁或镍），在磁场作用下具有伸缩能力。磁致伸缩的原理是利用两个不同的磁场相交时产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测的时间周期，从而换算出准确的位置。这两个磁场一个来自活动磁铁，另一个来自传感器头的电子部件产生的电流脉冲。这个询问信号脉冲沿着传感器内以磁致伸缩材料制成的波导管，以声音的速度运行。当两个磁场相交时，波导管产生磁致伸缩现象，产生一个应变脉冲（也称“波导扭曲”，或简称“返回”脉冲）。这个返回信号脉冲很快被电子头的感测电路探测到。从产生询问信号的一刻到返回信号被探测到所需的时间周期乘以固定的声音速度，便能准确的计算出磁铁的位置变动。这个过程是连续不断的，所以每当活动磁铁被带动时，新的位置就会被很快的感测出来。9.7 偏航传感器偏航传感器上有四个凸轮，它们可与四个微型开关连接/断开。它们一起共同测量绞缆的次数。偏航传感器还内置了一个用来测量机舱位置的装置。传感器S102顺时针方向偏航。触点常开（0表示被禁止）。被起动时（1表示起动），表示电缆被沿顺时针方向缠绕1.8到3.8圈。传感器S103逆时针方向偏航。触点常开（0表示被禁止）。被起动时（1表示起动），表示电缆被沿逆时针方向缠绕1.8到3.8圈。传感器S104偏航停止。触点常开（1表示被起动）。被禁止时（0表示被禁止），表示电缆被沿顺时针或者逆时针方向缠绕3.8圈。信号S105偏航脉冲。在差不多每满一圈时这一信号会改变，控制器使用它检查偏航系统。如果电缆被沿顺时针方向或者逆时针方向缠绕3.8圈，控制器改变风力发电机的状态到暂停状态，且电缆被自动展开。如果风力发电机不在产生能量且电缆被缠绕大约1.8到3.8圈，控制器改变机器的状态到暂停状态且电缆被自动展开。如果自动展开系统被禁止在顺时针方向1.8圈到逆时针方向1.8圈之间。S102和S103为0。在停止状态，自动定向被禁止，这意味着机器不能够自动旋转。可以人工测试自动展开系统。如果偏航系统在两个方向上都被起动，当电缆被缠绕大约3.8圈时S104禁止（=0），风力发电机自动展开电缆。在进行测试时，风力发电机必须处于停止状态或者维修模式。10. 现场总线在现代工业自动化控制系统中，DCS（分布式控制系统）发挥着越来越重要的重要，DCS的控制方案很好的解决了大型系统中控制距离远、部件分散的问题，他通过现场总线将各个分散的模块、部件组成一个完整的控制系统，大大减少了冗余的信号接线，简化了系统结构，同时也降低了系统中的故障点，因此现场总线成为当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。DCS技术及现场总线在风力发电系统的控制部分与通讯环节被广泛应用，并发挥着很重要的作用，在本章内容主要介绍CAN、PROFIBUS现场总线的特点及应用。10.1 CAN总线10.1.1 CAN总线的产生与发展控制器局部网（CANCONTROLLER AREA NETWORK）是一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将 5C 技术-COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术）和 CHANGE（转换技术）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。控制器局部网 CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991 年 9 月 PHILIPS SEMICONDUCTORS 制订并发布了 CAN技术规范（VERSION2.0）。该技术规范包括A和B 两部分，VERSION 2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2 中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993 年11 月ISO正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。10.1.2 CAN总线特点CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11 位或29 位二进制数组成，因此可以定义2e+11或2e+29 个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。CAN协议采用CRC （循环冗余）检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。另外，CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。10.1.3 CAN与其它通讯方案的比较在实践中，有两种重要的总线分配方法:按时间表分配和按需要分配。在第一种方法中，不管每个节点是否申请总线，都对每个节点按最大期间分配。由此，总线可被分配给每个站并且是唯一的站，而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取，这将保证在总线存取时有明确的总线分配。在第二种方法中，总线按传送数据的基本要求分配给一个站，总线系统按站希望的传送分配，因此,当多个站同时请求总线存取时,总线将终止所有站的请求,这时将不会有任何一个站获得总线分配。为了分配总线，多于一个总线存取是必要的。CAN实现总线分配的方法,可保证当不同的站申请总线存取时,明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。不同于Ethernet 网络的消息仲裁,CAN 的非破坏性解决总线存取冲突