2MW风力发电机组偏航系统的监测与控制设计

2MW变速恒频风力发电机组偏航系统设计目 录一、 引言2二、 偏航系统的结构及其控制系统22.1偏航系统的结构22.2偏航控制系统2三、 主要电气设备的选型及部分设备的工作原理43.1变频器的选型43.2偏航电机的选型43.3偏航软启动器工作原理及参数设置的介绍4四、偏航控制系统软件设计54.1偏航程序设计54.2自动润滑54.3自动偏航64.4自动解缆74.5人工偏航7五、 结语8六、参考文献81、 引言 近几年，风能这个名词越来越被人们所熟知。风能作为一种可再生的清洁能源，它有其独特的发电方式，就是通过风力发电机组把叶片旋转的机械能转化成电能，它的外形就像一个大型的大风车，不过想让大风车达到你理想的转速，很简单你只需要转动木棍，但对于大型风力发电机组这种方法是不可行的，这就需要风力发电机组在机舱与塔架之间拥有一个偏航系统，偏航系统能够控制机组始终跟踪变化的风向来最优对风，提高风能利用效率，并且该系统具备一定的保护功能即当机组由于偏航所引起的电缆发生缠绕超过限定值时，能够自动解缆的功能，偏航系统的监测与控制设计对于整个风力发电机组发电和保护起着至关重要的作用，因此，做好此设计是非常有意义的。 本文主要是利用PLC技术实现对偏航系统的监控及其自动控制，PLC全称为可编程逻辑控制器，它编程简单、功能强大能让风电场的管理更加便捷，这也能突出本次设计的目的所在。2、 偏航系统的结构及其控制系统2.1偏航系统的结构 2 MW风电机组采用广泛使用的滚动轴承电机驱动式偏航系统，该系统主要由偏航轴承、偏航驱动（包括偏航电机和偏航减速箱）、偏航制动、偏航计数器、扭缆保护装置等部分组成。偏航动作时，偏航制动器处于半制动状态， 提供偏航时的阻尼力矩，变频器驱动6个偏航电机，使机舱随偏航轴承按某一方向转动；偏航停止后，偏航制动处于全制动状态，确保机舱位置固定。2.2偏航控制系统 2 MW偏航系统采用机舱位置闭环方式控制。通过安装在机舱尾部的风向标测量风向，计算其与风机位置编码器检测的机舱位置之间的角度差。当角度差超过规定值时，风机控制器控制变频器启动偏航驱动机构调整机舱方向，直到偏差在设定值范围内，达到对风的目的。偏航控制系统框图如图1所示。偏航控制系统是以变频器为核心驱动部件，控制器PLC作为上位机，变频器同时驱动6个偏航电机，从而实现偏航功能，其结构如图2所示。图3是2 MW 风电机组偏航保护电路图。图中位置编码器用来检测机舱的位置；4个限位开关信号分别显示机舱偏航的程度，用于机舱偏航报警和保护，以确保塔筒电缆在风机偏航时不会被扭断。当检测到偏航的左、右报警限位信号时，风机首先报警停机，然后向相反的方向转动，自动解缆。当风机检测到机舱扭缆保护限位信号时，风机将紧急停机保护，变频器停止输出，偏航系统停止工作，通知维护人员前来检查。 图2 偏航控制系统图3、 主要电气设备的选型及部分设备的工作原理3.1变频器的选型 变频器选用德国伦茨公司8400 StateLine系列产品。其主要优点是：具备多个数字量输入输出，能实现自主逻辑编程，使上位控制器编程简化；除了标配CANopen外，还具备EtherCAT等多种通信接口；耐高温，散热片温度可达90；参数读、写操作方便，便于用户调试和故障诊断；内置PTC功能，能监测电机温度。 偏航控制系统由一台变频器同步驱动6个电机，这种一拖多的控制模式要求变频器额定电流是多个电机额定电流之和的1.11.3倍（本文取1.2倍），且一般采用V/f控制。单个电机的参数为：额定电压400 V/50 Hz；额定电流5.6 A；额定功率2.2 kW。这就要求变频器额定电流为1.25.6 A6=40.32 A。 选用8400Sta teLi ne 系列变频器，其型号为E84AVSCE2234VX0，主要参数如下： 电机功率Pn=22 kW，输出电流In=47 A，60s过载电流Ipk= 70.5 A，3s过载电流Ipk=89.3 A，开关频率fc=216 kHz。3.2偏航电机的选型 本系统选用的偏航电机是带刹车装置的交流异步电动机，其参数为：3相AC380V，5.5KW，10.5A，1440r/min，电机刹车励磁线圈电压为AC230V，0.15A。偏航减速器的速比为1/1338。偏航软启动器是根据六台偏航电机的总额定电流及额定功率等参数选用了MOELLER的软启动器，型号为DS6-340-30K-MK，其电源额定电压为3AC 230V-460V10，最大适用电机功率为30KW，额定输出电流为55A。3.3偏航软启动器工作原理及参数设置的介绍 偏航软启动器作为风机偏航时能确保其平稳启动以降低机舱振动系数的重要器件，了解其性能及参数的设置是很重要的。偏航软启动器其实就是利用对双向晶闸管的通断控制来实现对偏航电机的调压调速，只是它仅仅用于电机启动时的调压调速，而在偏航电机启动完成并正常运行后是不起任何调速作用的。 上图描绘出了偏航软启动器的电压输出波形，Ustart为偏航软启动器输出供给偏航电机的起始电压。偏航软启动器的输出电压从Ustart开始线性上升至UT1，T2，T3（即电机三相额定电压380V），则偏航电机完成启动并进入全压运行状态，这段时间为启动时间（即t-start）。在风机完成偏航工作后，偏航软启动器的输出电压从UT1，T2，T3下降至0，这段时间为结束时间（即t-stop）。一般t-stop设置0s，而Ustart、t-start这两个参数的设置是风机偏航能否平稳启动的关键。如果Ustart设置过大或t-start设置过小则起不到平稳启动的目的，如果Ustart设置过小或t-start设置过大则启动缓慢，风机的运行效率就低，因此一般在风机调试时根据每台风机的具体运行情况来设置最为恰当。四、偏航控制系统软件设计 软件设计阶段，运用倍福编程软件，以偏航控制系统的自动润滑、自动偏航、自动解缆、人工偏航等功能实现为目标，进行编写，并实际运用到风力发电机组中。4.1偏航程序设计 偏航程序代码采用倍福Tw inCAT编程环境，是一种符合IEC61131标准的PLC程序设计平台，此软件支持如ST结构文本，LD梯形图，FSC，顺序功能图等编程语言。偏航系统软件采用了ST结构文本开发而成。4.2自动润滑 偏航控制系统根据机组偏航的运行时间计算出的油脂消耗量，设定润滑系统定时定量的给偏航轴承注入润滑脂，10s/h即偏航轴承每运行1小时，润滑系统工作 10秒（一次性打油），自动润滑系统流程图如图4所示。4.3自动偏航 当20s内风向改变超出限定值时，控制器发出自动偏航指令。自动偏航控制系统流程图5如下： 如控制流程图所示，根据风向标夹角值给出偏航控制指令。当=0时，表明机舱已处于准确对风位置，若5s内-1515，属于误差范围内，偏航系统将不做出任何调节。值大于15时延时20s，执行自动偏航动作。在此基础上，若180，偏航电机启动，机舱顺时针自动对风。若180，偏航电机启动，机舱逆时针自动对风。4.4自动解缆 当风力发电机组由于自动偏航引起的向某一方向偏转圈数过大，将会造成电缆的缠绕，甚至绞断，给机组造成严重损失。当风力发电机组自动偏航在某个方向达到720时，触发软件限位，机组将停机进行自动解缆，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。当某个方向达到870时，触发凸轮限位开关中的该方向的扭缆报警开关，机组将机组将停机进行自动解缆。若因故障，自动解缆未起作用，当某个方向达到900时，将出发凸轮限位开关中的扭缆保护开关，机组断开安全链，发出紧急停机命令和不可自恢复信号，等待执行人工解缆操作。4.5人工偏航 当自动偏航失效或机组维护时，通常采用人工偏航的方式来对机组进行偏航操作，程序流程图如图6所示： 人工偏航和自动偏航成互锁状态，人工偏航结束后应根据实际工况需要，做好切换工作。5、 结语 通过以上运用PLC技术实现了对风力发电机组偏航系统自动控制分析，完成本次设计实现了偏航控制系统自动偏航、自动解缆、自动润滑、人工偏航等功能，保证了风力发电机的正常运行，为风力发电机提高发电效率奠定基础。六、参考文献： 1张岩，吴光宇. 大型风力发电机组偏航控制系统的设计J. 科技风，2012，12:86-88. 2胡国强. 浅谈风力发电机组偏航系统J. 电器工业，2012，10:65-69. 3常杰，孟彦京，朱玉国，陈红利. MW级风力发电机组偏航控制系统的设计J. 陕西科技大学学报(自然科学版)，2009，04:76-79. 4张嘉英，王文兰，蔡永刚. 风力发电机组偏航控制系统J. 兵工自动化，2009，11:54-55. 5高文元，马小英，崔鹏，王加伟，王现青. MW级风力发电机组的偏航系统控制策略J. 科学技术与工程，2010，02:415-418. 6张舜德，高文元，马小英，褚金. 风力发电机组偏航控制系统的优化及仿真J. 机械设计与制造，2010，09:114-115. 7许雄伟，郭锐，陈林，陈浪平，张熹洋，翟大勇. 基于8400 StateLine变频器的2MW风力发电机组偏航系统设计J. 大功率变流技术，2014，04:28-31. 8谭诤. 一种兆瓦级风力发电机组偏航系