大型风电机组变桨控制系统毕业设计

1、摘 要风能作为可再生能源中发展最快的清洁能源，其具有清洁，无污染，安全，储量丰富的特点，受到世界各国的普遍重视，是最具有大规模开发和商业发展前景的可再生能源。当前，中国风电市场蓬勃发展，由此带动中国风机制造产业呈现欣欣向荣的发展势态。变桨系统是风力发电机组系统中的最要组成部分，在实际风力发电中，当风速过大的时候，变桨系统运行，桨叶角度变化，可以对风力发电机起到保护作用，防止风力发电机轮毂转速过高损坏设备造成经济损失。桨叶角度在一定范围（0-90度）内变化，以便调节输出功率不超过设计容量。依据直驱风力发电机变桨系统的结构组成以及功能，进行了对风力机变桨实验系统的设计，选取S7-3000PLC进行

2、控制风机进行变桨、偏航等功能，作为一种教学平台，它对同学进一步学习对风力机偏航系统的控制有很大的帮助。关键词： 变桨系统 实验装置 PLC控制 目 录前 言1第一章 绪论21.1 我国能源的现状和发展风电优势21.2 发展状况5第二章 大型风力发电机组系统组成及功能92.1 大型风力发电机的结构92.2 大型风力发电机的工作过程及原理102.3 大型风力发电机的自动控制原理112.4 风力发电机组控制单元（WPCU）112.5 远程监控系统（WPCM）132.6 WPCS风电控制系统功能132.6.1 数据采集（DAS）功能132.6.2 机组启停、发电控制142.7 风电控制系统辅助设备逻辑

3、14第三章 风力机偏航试验系统的设计173.1 机舱173.1.1 电动机的用途及其选型和安装173.1.2 刹车机构的设计及其安装173.1.3 偏航机构183.1.4 主轴以及主轴轴承的选型及其安装193.1.5 轮毂203.1.6 变桨机构203.2 PLC控制系统的选型213.2.1 系统组成223.2.2 变桨机构控制流程23第四章 设计结论24参考文献25致 谢26第一章 绪论1.1 我国能源的现状和发展风电优势过去100多年里，发达国家先后完成了工业化，消耗了地球上大量的自然资源，特别是能源资源。当前，一些发展中国家正在步入工业化阶段，能源消费增加是经济社会发展的客观必然。中国是

4、当今世界上最大的发展中国家，发展经济，摆脱贫困，是中国政府和中国人民在相当长一段时期内的主要任务。20世纪70年代末以来，中国作为世界上发展最快的发展中国家，经济社会发展取得了举世瞩目的辉煌成就，成功地开辟了中国特色社会主义道路，为世界的发展和繁荣作出了重大贡献。1中国是目前世界上第一位能源生产国和消费国。能源供应持续增长，为经济社会发展提供了重要的支撑。能源消费的快速增长，为世界能源市场创造了广阔的发展空间。中国已经成为世界能源市场不可或缺的重要组成部分，对维护全球能源安全，正在发挥着越来越重要的积极作用。中国政府正在以科学发展观为指导，加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保护环境的基本国策

5、，把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界经济发展和繁荣作出更大贡献。能源资源是能源发展的基础。新中国成立以来，不断加大能源资源勘查力度，组织开展了多次资源评价。中国能源资源有以下特点：能源资源总量比较丰富。中国拥有较为丰富的化石能源资源。其中，煤炭占主导地位。2006年，煤炭保有资源量10345亿吨，剩余探明可采储量约占世界的13%，列世界第三位。已探明的石油、天然气资源储量相对不足，油页岩、煤层气等非常规化石能源储量潜力较大。中国拥有较为丰富的可再生能源资源。水力资源理论蕴藏量折合年发电量为6.19万亿千瓦时，

6、经济可开发年发电量约1.76万亿千瓦时，相当于世界水力资源量的12%，列世界首位。2人均能源资源拥有量较低。中国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。耕地资源不足世界人均水平的30%，制约了生物质能源的开发。能源资源赋存分布不均衡。中国能源资源分布广泛但不均衡。煤炭资源主要赋存在华北、西北地区，水力资源主要分布在西南地区，石油、天然气资源主要赋存在东、中、西部地区和海域。中国主要的能源消费地区集中在东南沿海经济发达地区，资源赋存与能源消费地域存在明显差别。大规模、长距离的北煤南

7、运、北油南运、西气东输、西电东送，是中国能源流向的显著特征和能源运输的基本格局。能源资源开发难度较大。与世界相比，中国煤炭资源地质开采条件较差，大部分储量需要井工开采，极少量可供露天开采。石油天然气资源地质条件复杂，埋藏深，勘探开发技术要求较高。未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，远离负荷中心，开发难度和成本较大。非常规能源资源勘探程度低，经济性较差，缺乏竞争力。风电是风能发电或者风力发电的简称。属于可再生能源，清洁能源。风力发电是风能利用的重要形式，风能是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。风电技术装备是风电产业的重要组成部分，也是风电产业发展的

8、基础和保障，世界各国纷纷采取激励措施推动本国风电技术装备行业发展，我国风电技术装备行业已经取得较大成绩，金风、华锐等一批代表国际水平的风电装备制造企业是中国风电发展的生力军，据统计2010年末我国风电装机容量跃居世界第一。我国风电产业发展形势喜人。1986年，我国山东荣成建成了第一个风电场，安装了3台55kW风电机组。自此之后，全国各地陆续建设了一批风电场。图1为2001年以来我国风电装机容量增长率。由图可见，进入21世纪之后，我国风电装机容量持续高增长。截至2007年底，我国共建成158个风电场，累计装机容量为6030MW，超额完成了原定5000MW装机容量的计划目标。2008年底风电装机容

9、量达到12500MW，提前两年实现了2010年风电装机10000MW的目标，跃居亚洲第一，世界第四。一年新增6500MW，成为世界上风电装机增速最快的国家之一，2020年有望达到一亿千瓦。在风电技术装备方面，大连华锐3MW海上风电机组顺利安装，这是我国最大单机容量风电机组。此外，通过一系列国家支持计划、科技攻关和技术引进，我国基本掌握了兆瓦级风电机组制造技术，国产设备市场占有率达到了69%，初步形成了生产叶片、齿轮箱、发电机和控制系统等主要部件的产业链。尽管我国风电产业发展成绩显著，但也面临诸多问题。我国风力发电起步于20世纪80年代初，主要是满足广大牧民生活用电的要求，研制离网型小型风力发电

10、机，单机容量为几十瓦至几百瓦，并网型风力发电机采取技术引进、消化吸收的技术路线，先后引进了丹麦55千瓦（1986年）和120千瓦失速型风力发电机，在此后的十几年里，并网型风电机组以及相关技术进展缓慢，大多数风电企业的设备及关键技术受制于国外，风电系统人才培养几乎空白。同时，单机容量和风电场规模大幅增大之后，在研发、设计、制造、规划、并网和电网管理等方面都存在较高难度的技术瓶颈，在高速发展（装机容量）的情况之下，急需冷静分析存在的问题，尽力避免出现宏观上、规模化和方向性的失误。为此，本报告着重分析风电技术研发、质量控制以及行业标准三个问题，力图为风电产业发展提供借鉴。据统计，截至2011年底，中

11、国累计装机已经达到62.3GW。预计到2012年底，累计装机将达到80GW。尽管当前受到中国当前风电产业调整政策的影响，中国风电市场的年增长率将经历一个相对降低的时期，2020年总装机容量将达到179GW，但这并不会影响中国风电的长期发展。“在超前情景下，中国风电发展仍会保持一个较快的速度：2015年累计装机达到134GW，2020年累计装机达到230GW，2030年新增装机达到33GW，累计装机接近500GW，将首次超过经合组织欧洲397MW的规模，仅次于经合组织北美地区666MW的预期。由于缺乏政策上的支持，小型风电在国内的发展很受限制。电网难以铺及的地区，如偏远乡村、湖区、海岛等，对小型

12、风电来说有着一定的市场需求。但从经济学角度来讲，外部效益并不一定意味着内在收益。由于这些地区居民的购买力不高，且设备运输成本大，维护维修起来相当麻烦，所以难以形成经济效益。在电网覆盖的地区，由于安装小型风电设备属一次性投入，安装成本高，且用户对其稳定性也持怀疑态度，很少有人会考虑购买。“对国内市场的开拓，我们主要还是依靠与政府合作，将小型风电应用在路灯、交通监控设备、气象站、海水淡化等领域。”而在国外市场，由于欧美等国家对于居民购买小型风机有着相关的财政补贴，且这些国家居民使用清洁能源的意识比较强，小型风电近几年来发展速度一直比较快。像德国、美国、英国、丹麦、新西兰等国家，政府给予安装小型风电

13、的农场主、牧民40%60%的财政补贴。小型风机发的电不但自己够用，余出部分还可以并入电网卖钱，所以农场主们的积极性都很高。对于国内的小型风电生产企业来说，期盼政府政策上的扶持由来已久。关于小型风电国内市场何时能打开局面，依赖于国家何时能想起这块“被遗忘的产业”。1.2 发展状况中国的风电并网装机规模世界第一，预计2012年年底风电并网装机将超过6000万千瓦，发电量超过1000亿千瓦时，成为继火电、水电之后的我国第三大电源。全球风电发展迅速，已有70多个国家建有商业运营风电场。2011年底全球风电装机达到2.38亿千瓦，当年新增4000万千瓦。在欧洲风电占到电力供应的6%，丹麦风电占到本国的2

14、8%，西班牙占到16%。欧洲提出2020年风电装机达到2.3亿千瓦，德国提出2020年可再生能源发电占到电力消费35%，其中50%来自风电。中国风电在经历了连续数年高速增长后，开始面临瓶颈，发展速度放缓。“十二五”期间，我国风电产业将迎来结构调整的重要机遇。国家能源局副局长刘琦在2012年11月15日表示，党的十八大提出大力推进生态文明建设，积极开展可再生能源消费革命，建设美丽中国，风电在中国仍具有广阔的发展前景和市场空间。我国风电装机连续4年翻番，风电装机容量世界排名由2008年的第四名升至第三名。2009年底，全国共建设423个风电场，总容量达2268万千瓦，约占全国发电装机的2.6%。2

15、010年，我国风电规模已经位居世界第一。按照国家风电发展规划，2020年，我国风电装机容量有望达到1.5亿千瓦。截至2009年底，我国风电累计发电量约为516亿千瓦时，按照发电标煤煤耗每千瓦时350克计算，可节约标煤1806万吨，减少二氧化碳排放5562万吨，减少二氧化硫排放28万吨。2010年，我国风电新增装机超过1600万千瓦，累计超过4000万千瓦，“双居”世界第一。从国家电网公司了解到，2012年6月，我国并网风电达到5258万千瓦，超过美国成为世界第一风电大国。业内人士认为，我国风电用5年多时间走过了发达国家15年的发展历程，大电网运行大风电的能力进入世界领先水平，为我国抢占新能源战

16、略产业发展先机、应对全球气候变化等作出突出贡献。国内并网难、产能过剩，国外又遭“双反”，艰难处境中的风电行业看似投资大势已去，但事实却并非如此。昨日，在2013中国国际节能服务洽谈会上，英国气候变化资本集团中国区总裁唐伟珉时澄清说，他所认识的很多同行还是非常看好风电投资的。他们很多都还在加码国内的风电项目投资。一方面主要是看好风电作为清洁能源的光明发展前景，另一方面，主要是中国部分地方的电价补贴还是比较可观。资料显示，如果以2015年全社会用电量达6.02万亿-6.61万亿千瓦时，风电平均上网电价0.6元/千瓦时的水平综合测算，10%的风电消费量将意味着能创下3600亿-3900亿元的市场空间

17、，市场前景非常可观。我国风电发展呈现三大趋势:1.装机容量呈平稳增长，海上风电份额加大2.风力发电机组大型化，成本出现大幅降低3.风电制造商进入整合阶段，利润向开发商转移2011年我国风电行业仍然保持了较快的增长速度。截至到2011年12月末，中国风电累计装机容量达到6236.4万千瓦，分布在31个省、直辖市、自治区和特别行政区。其中，广西和四川在2011年填补了无风电的空白。分析认为，“十二五”期间，中国风电行业仍将拥有广阔的发展空间。“十二五”规划明确提出，“十二五”期间，国内风电并网装机容量将达1 亿千瓦。而2010 年底，我国风电并网装机容量不过3000 万千瓦左右，要达到“十二五”规

18、划目标，意味着2011-2015 年国内风电并网装机年均增幅至少为27%。由于自然风存在日夜变化性的显著特点，风力发电具有反调峰的特性，在夜晚用电负荷处于低谷的时段，往往风能资源却较为丰富，风电并网出力较大。但电网调峰主要靠火电机组和抽水蓄能电站实现，深度调峰煤耗太高，负荷跟踪能力也较差，尤其在北方冬季的供热期，供热机组必须保持正常出力不能参与调峰，当发电规模超过了电网所能承受的范围时，电网只能限制风电场机组暂停发电，弃风不用。3夜间弃风不仅造成了风资源的浪费,也给风电企业造成巨大的经济损失，使企业投资风电的积极性大受影响。内蒙、东北等风能资源丰富的地区，尽管已开发风电装机占全地区风资源量的比

19、例仍较小，风电可开发的空间还很大，但已频繁出现限电弃风。弃风问题，已成为困扰我国风电产业健康发展的一大瓶颈。解决方案介绍及其优势金能可根据风电场的运行状态，向客户提供针对性的储能解决方案，为客户提供从咨询、设计、生产、安装到售后服务的一站式全面储能工程服务。金能专为风电场设计的钒电池储能电站可显著改善风力发电的反调峰特性。电站配备有标准化的本地/远程监控通讯接口，可方便接入风电场中心控制系统，迅速响应风电场指令，在电网限电时保证风电机组正常发电不停机，吸收本来必须被迫弃掉的风能电量储存起来，在电网用电负荷的高峰时段再放出储存的电能输送给电网。安装配备金能钒电池储能电站后，风电场可减少风电机组限

20、电停机，提高风能资源利用率，增加电场经济收益，有效解决提高风电利用率与保证电网安全运行之间的矛盾，使风能资源的开发利用最大化。同时也可减少电网火电机组配套容量，降低设备磨损、燃料使用、能量损失、运营费用以及CO2和其他废物的排放，提高整个电力系统运行的经济性和环保性。随着风电设备行业竞争的不断加剧，大型风电设备企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的风电设备生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的风电设备品牌迅速崛起，逐渐成为风电设备行业中的翘楚！风力发电的未来是否能有广阔的前景，风力发电是否能够得到迅速的推广和应用

21、，这要看风力发电与常规的传统发电相比较之后的综合性价比。如果站在投资方的角度看，我国的风电投资的经济性不很明显。但是如果从长远的利益去思考，因为风电投资主要是以风电设备为主体，所以其一次性的投入较大，之后随着风电规模的不断扩大将使得风电投资的成本不断下降，风电产业具有很好的潜力。如果站在风电项运行的社会效应角度，只在风电规模下，风电并网的附加成本几乎为零，相对的风电节能和减排的社会贡献显著。当产生一定的风电并网附加成本时，因为随着发电量的增加，风电的环境效益也随之增加。所以，只要风电技术的应用产生的节能减排贡献和收益高于风电并网的附加成本，风电项目的就具有可实施性，并具有较为突出的社会效益。第

22、二章 大型风力发电机组系统组成及功能2.1 大型风力发电机的结构 风力发电机就安装结构而言，可分为两种类型：一种是水平轴风力发电机，叶片安装在水平轴上；另一种是垂直轴风力发电机，风轮轴是垂直布置的，由叶片带动垂直轴转动，再去带动发电机进行发电。垂直轴风力发电机的增速器、联轴器、发电机、制动器等都是安装在地面上的，整个机组的安装、调试和维修均比水平轴风力发电机要方便一些。但由于一些难以解决的技术问题，垂直轴风力发电机的发展和应用受到了很大的限制。下面主要介绍水平轴风力发电机的结构以及工作过程。 大型水平轴风力发电机主要由塔架、风轮、机舱以及控制系统等部件构成。 塔架是风力发电机的安装支撑，一般有

23、型钢桁架结构、混凝土结构、圆锥型钢管焊接并组装而成的3种结构。 风轮一般是由23个叶片装在轮毂上组成，是风力发电机接受风能的部件。大型风力发电机的叶片直径都在60m以上，有的甚至到100多米。由于叶片在转动过程中，距离回转中心不同半径处叶片的线速度不相同，所接受风的能量也不相同。为了使叶片各部分接受的风能大致相同，通常将叶片结构加工成从叶片根部至叶片尖部是渐缩的，同时扭转一定角度的机翼型扭曲叶片。所有的风轮叶片都应具有承受沙暴、盐雾侵袭的能力，并且具备防雷的措施。 风力发电机机舱的主要结构见图2-1。 图2-1 风力发电机机舱的结构示意图1. 转盘底座 2.调向制动器 3.调向电机 4.低速端

24、联轴器 5.增速机 6.机舱底座 7.励磁机 8.交流发电机 9.高速端联轴器 10.高速轴制动器 11.机舱 12.登高爬梯 13.变桨矩控制轴承 14.变桨矩液压油缸 15.变桨矩控制连杆 16.风轮叶片 17.风轮轮毂 18.风轮轴承 19.转盘轴承 20.三相交流电输出装置 21.风轮接合器 机舱是风力发电机主要的传动、控制、发电部分，由增速器、联轴器、制动器、调速装置和发电机等构成。机舱内部设有消声设施，并具有良好的通风条件 2 。机舱设有登机入口，以供登塔检修人员进入。机舱和筒式塔架具有防止小动物进入的防护设施 。4 2.2 大型风力发电机的工作过程及原理 在自然界，风的方向是不固

25、定的。为了使风轮在正常工作时，风轮叶片一直正对着风的方向，以充分利用风的能量，在机舱转盘底座上安装了调向机构。由调向电机和调向制动器来共同实现该功能。调向系统具有自动解缆和扭缆保护装置。 风轮的直径比较大，在运行时转速比较低。为匹配交流发电机，满足发电机的转速要求，在低速的风轮轴和高速的发电机轴之间安装有增速器，使传递到发电机轴上的转速达到发电机的额定转速需求。制动器是使风力发电机停止运转的装置，也就是通常所说的刹车。 调速结构属于可变桨矩调速装置，这种形式的调速装置是现代风力发电机的主要调速方式之一。当风速增大时，风轮的转速增加，微机系统发出指令让叶片增大安装角，用以减少叶片转速加快的趋势。

26、此时，在电磁阀的作用下，变桨矩液压油缸动作，拉动叶片向安装角增大的方向转动一定的角度，来使叶片所接受的风能减少，以维持风轮在额定的转速之内运行；当风速减小时，微机发出的指令信号与前述相反，变桨矩液压油缸动作，以减小叶片的安装角，使叶片所接受的风能增加，维持风轮在额定的转速范围内运转。5 交流发电机的防护等级应能满足防盐雾、防沙尘暴的要求。在湿度较大的地区，发电机内部还设有加热装置，以防结露。发电机的定子线圈应匹配安装测温装置，转子上还要安装测速装置。 2.3 大型风力发电机的自动控制原理现在的大型风力发电机已经基本实现了微机自动控制、无人现场值守的工作模式。风电场的控制系统由两部分组成：一部分

27、为就地的计算机控制系统；另一部分为主控室计算机控制系统。同时。主控室的计算机要求配备不间断电源，并与风电机组现场具有可靠的通信连接。 风力发电机的微机自动控制是将风向标、风速仪、风轮的转速、发电机的电压、电流、频率等参数，以及发电机温升、增速器温升、机舱和塔架的振动、电缆的过缠绕、电网的电压、电流、频率等传感器信号，通过A/D转换，输送给微机，微机进行分析比较后，再按设定的程序发出各种执行指令。从而实现风力发电机组的自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障时的自动停机、自动执行电缆解绕、过振动停机以及风速过大时的自动停机等自动控制。 风电场的各风电机组群之间可以实现联网

28、管理、互相通信，出现故障的风电机组会在微机总站的微机终端和显示器上显示出来，可以进行程序的调出和修改程序等操作，实现现场无人值守的自动控制功能。6 风力发电场具有机组布置范围广阔，设备运行的自然环境恶劣等特点，WPCS风电控制系统专为大型风力发电机组而设计，产品集成了当代最先进的电力电子、微电子、网络和软件技术，系统的网络结构如图2-2所示。WPCS风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。2.4 风力发电机组控制单元（WPCU）风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对

29、控制系统的可靠性要求非常高，而WPCS风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等特点，其系统结构如图2-3所示。图2-2 风电控制系统网络结构图图2-3 风力发电机组控制单元系统结构图 WPCS风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机架、机舱控制站机架、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。72.5 远程监控系统（WPCM）所有风电机组通过光纤以太网连接至主控室的上位机操作员站，实现整个风场的远程监控，上位机监控软件具有如下功能：系统具有友好的控制界面。系统显示各台机组的运行数据，如每

30、台机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等，将下位机的这些数据调入上位机，在显示器上显示出来，必要时还可以用曲线或图表的形式直观地显示出来。系统显示各风电机组的运行状态，如开机、停车、调向、手/自动控制以及大/小发电机工作等情况，通过各风电机组的状态了解整个风电场的运行情况。系统能够及时显示各机组运行过程中发生的故障。系统能够对风电机组实现集中控制。值班员在集中控制室内，只需对标明某种功能的相应键进行操作，就能对下位机进行改变设置状态和对其实施控制。系统管理。监控软件具有运行数据的定时打印和人工即时打印以及故障自动记录的功能，以便随时查看风电场运行状况的历史记

31、录情况。2.6 WPCS风电控制系统功能2.6.1 数据采集（DAS）功能 机组运行过程中进行监测的相关参数包括：（1）电网参数，包括电网三相电压、三相电流、电网频率、功率因数等。电压故障检测：电网电压闪变、过电压、低电压、电压跌落、相序故障、三相不对称等。（2）气象参数，包括风速、风向、环境温度等。（3）机组状态参数检测，包括：风轮转速、发电机转速、发电机线圈温度、发电机前后轴承温度、齿轮箱油温度、齿轮箱前后轴承温度、液压系统油温、油压、油位、机舱振动、电缆扭转、机舱温度等。2.6.2 机组启停、发电控制（1）主控系统检测电网参数、气象参数、机组运行参数，当条件满足时，启动偏航系统执行自动解

32、缆、对风控制，释放机组的刹车盘，调节桨距角度，风车开始自由转动，进入待机状态。（2）当外部气象系统监测的风速大于某一定值时，主控系统启动变流器系统开始进行转子励磁，待发电机定子输出电能与电网同频、同相、同幅时，合闸出口断路器实现并网发电。（3）风力机组功率、转速调节根据风力机特性，当机组处于最佳叶尖速比运行时，风机机组将捕获得最大的能量，虽理论上机组转速可在任意转速下运行，但受实际机组转速限制、系统功率限制，不得不将该阶段分为以下几个运行区域：即变速运行区域、恒速运行区域和恒功率运行区。额定功率内的运行状态包括：变速运行区（最佳的）和恒速运行区。当风机并网后，转速小于极限转速、功率低于额定功率

33、时，根据当前实际风速，调节风轮的转速，使机组工作在捕获最大风能的状态。82.7 风电控制系统辅助设备逻辑（1）发电机系统监控发电机运行参数，通过3台冷却风扇和4台电加热器，控制发电机线圈温度、轴承温度、滑环室温度在适当的范围内，相关逻辑如下：当发电机温度升高至某设定值后，起动冷却风扇，当温度降低到某设定值时，停止风扇运行；当发电机温度过高或过低并超限后，发出报警信号，并执行安全停机程序。当温度越低至某设定值后，起动电加热器，温度升高至某设定值后时，停止加热器运行；同时电加热器也用于控制发电机的温度端差在合理的范围内。（2）液压系统机组的液压系统用于偏航系统刹车、机械刹车盘驱动。机组正常时，需维

34、持额定压力区间运行。液压泵控制液压系统压力，当压力下降至设定值后，启动油泵运行，当压力升高至某设定值后，停泵。（3）气象系统气象系统为智能气象测量仪器，通过RS485口和控制器进行通讯，将机舱外的气象参数采集至控制系统。根据环境温度控制气象测量系统的加热器以防止结冰。闪光障碍灯控制，每个叶片的末端安装闪光障碍灯，在夜晚点亮。机舱风扇控制机舱内环境温度。（4）电动变桨距系统变桨距系统包括每个叶片上的电机、驱动器、以及主控制PLC等部件，该PLC通过CAN总线和机组的主控系统通讯，是风电控制系统中桨距调节控制单元，变桨距系统有后备DO顺桨控制接口。（5）增速齿轮箱系统齿轮箱系统用于将风轮转速增速至

35、双馈发电机的正常转速运行范围内，需监视和控制齿轮油泵、齿轮油冷却器、加热器、润滑油泵等等。当齿轮油压力低于设定值时，起动齿轮油泵；当压力高于设定值时，停止齿轮油泵。当压力越限后，发出警报，并执行停机程序。齿轮油冷却器/加热器控制齿轮油温度：当温度低于设定值时，起动加热器，当温度高于设定值时停止加热器；当温度高于某设定值时，起动齿轮油冷却器，当温度降低到设定值时停止齿轮油冷却器。润滑油泵控制，当润滑油压低于设定值时，起动润滑油泵，当油压高于某设定值时，停止润滑油泵。（6）偏航系统控制根据当前的机舱角度和测量的低频平均风向信号值，以及机组当前的运行状态、负荷信号，调节CW（顺时针）和CCW（逆时针

36、）电机，实现自动对风、电缆解缆控制。自动对风：当机组处于运行状态或待机状态时，根据机舱角度和测量风向的偏差值调节CW、CCW电机，实现自动对风。（以设定的偏航转速进行偏航，同时需要对偏航电机的运行状态进行检测）自动解缆控制：当机组处于暂停状态时，如机舱向某个方向扭转大于720度时，启动自动解缆程序，或者机组在运行状态时，如果扭转大于1024度时，实现解缆程序。（7）大功率变流器通讯主控制器通过CANOPEN通讯总线和变流器通讯，变流器实现并网/脱网控制、发电机转速调节、有功功率控制和无功功率控制。并网和脱网：变流器系统根据主控的指令，通过对发电机转子励磁，将发电机定子输出电能控制至同频、同相、

37、同幅，再驱动定子出口接触器合闸，实现并网；当机组的发电功率小于某值持续几秒后或风机或电网出现运行故障时，变流器驱动发电机定子出口接触器分闸，实现机组的脱网。发电机转速调节：机组并网后在额定负荷以下阶段运行时，通过控制发电机转速实现机组在最佳曲线运行，通过将风轮机当做风速仪测量实时转距值，调节机组至最佳状态运行。9功率控制：当机组进入恒定功率区后，通过和变频器的通讯指令，维持机组输出而定的功率。第三章 风力机偏航试验系统的设计3.1 机舱机舱主要有下面几个部件构成：电动机、刹车机构、偏航机构、主轴及主轴轴承。主要模拟风力发电机在运行时的主轴转速的调节以及偏航。3.1.1 电动机的用途及其选型和安

38、装（1）电动机的用途机舱中电动机的作用是，基于模拟风源，驱动风力机旋转，利用变频调速，模拟风力机变速调节。在模拟时，依据模拟风的大小，调节电机的转速，带动风力机转速变化，模拟风力机转速随风速的变化过程。电机转速主要是由实验控制台上PLC调节控制，风速仪和风向标提供模拟风参数。当风速仪接收到的风速大，别且风向符合时，电机的转速就高；当风速仪接受到的风速小，电机的转速就小；当风速仪接受到的风速超过切出风速，电机停止转动。（2）电动机的选型 选可调速电机，因为电机在220V时需要的是60Hz的电流，我国电流频率都是50Hz，所以采用380V星接连接电动机。减速器传动比30:1。（3）电动机的安装考虑

39、到机舱及其轮毂的位置。将电机安装在机舱内部，直接与主轴用联轴器相联接。3.1.2 刹车机构的设计及其安装刹车机构主要是有一个刹车盘和一个电磁铁构成。刹车盘安装在主轴上，而电磁铁安装在刹车盘旁边，当系统发出刹车信号时，由电磁铁动将衔铁拉回，衔铁后接安装在刹车盘上的刹车带，最终刹车带与刹车盘摩擦，达到刹车的效果。若不需要刹车时，刹车机构信号中断，衔铁由在刹车带上安装的弹簧自动让其归位。刹车机构安装如图3-1所示。继电器刹车盘主轴刹车带弹簧图3-1 刹车机构安装图3.1.3 偏航机构 （1）偏航机构的主要组成部分偏航机构主要有偏航电机、偏航偏码器、限位开关偏航轴承和偏航齿轮构成。偏航电机主要为偏航提

40、供动力，使得风机顺时针或者逆时针旋转；偏航编码器主要监测偏航转过的角度，为自动对风，自动解缆和过压保护这三大功能提供检测信号；偏航限位开关主要检测偏航转过的圈数，目的是检测是否发生绕缆，如果发生绕缆，则风机逆向旋转解缆；偏航轴承和偏航齿轮是偏航机构传动链组成部分。10（2）偏航机构的选型主要选择以下几种设备：偏航电机、偏航限位开关，偏航轴承。偏航电机90YS40，1300rpm，40W。偏航轴承：52234推力轴承 （3）偏航机构的安装偏航机构的安装主要有以下几个部分：偏航电机的安装、偏航轴承的安装、偏航齿轮的安装和偏航编码器限位开关的安装。偏航电机安装在机舱平台塔筒顶面，对称安装，以为本次所

41、用的实验模拟器的质量比较轻，所以不需要像真实风机那样用四个偏航电机，有两个即可；偏航编码器安装在平台塔筒上方与两偏航电机所构成的直线垂直的直线上；而偏航限位开关则安装在与偏航编码器对称的位置上；偏航轴承选择的是滚子球轴承，轴承下侧与塔筒相焊接，上侧与机舱平台相焊接，这就是整个偏航机构的安装。3.1.4 主轴以及主轴轴承的选型及其安装（1）主轴主要器件的选型主轴轴承：6308-2RS主轴轴承座：P208主轴：采用外径为40mm的无缝钢管。（2）主轴及主轴轴承的安装主轴的安装主要注意以下几个部件：主轴轴承支撑板、主轴刹车和电动机（在真实风机中是发电机）的安装位置。轴承安装在主轴的两端，靠内侧轴承安

42、装在刹车系统之前，电动机安装在最后。主轴安装图如图3-2所示。电机刹车系统支撑板主轴主轴轴承图3-2 主轴安装图3.1.5 轮毂轮毂主要由以下几个部件组成：变桨电机、变桨编码器、变桨限位开关、PLC控制系统、变桨轴承和变桨齿轮。变桨电机主要给变桨提供动力；变桨编码器检测变桨转过的角度；变桨限位开关的主要作用是限制桨叶旋转角度，当旋转到一定的角度时，触发限位开关，使得桨叶反向旋转或者停止旋转；PLC控制系统是整个变桨系统的最核心的部分，它主要根据所接受到风向以及风速的信息，给变桨电机动力，经过变桨编码器的实时监测，使桨叶旋转到所需要的角度，实现变桨的目的；变桨轴承和变桨齿轮主要为整个变桨系统提供

43、机械基础，使其能够顺利的完成变桨动作。3.1.6 变桨机构（1）变桨机构的选型变桨编码器：角度编码器变桨轴：45#钢变桨轴承：6204-2RS变桨限位开关：日本松下AZ7141限位开关（2）变桨机构的安装 变桨机构的安装即变桨轴承和变桨齿轮的安装，变桨轴承只要支撑变桨轴，变桨齿轮主要由三个大小相同的锥齿轮组成，与变桨电机相连接的也是一个锥齿轮，由电机提供动力，再带动主动轮，再有主动轮带动三个锥齿轮同步旋转，达到三个叶片同步变桨的目的。变桨轴承安装在支撑盘上面，每个变桨轴承有两个变桨轴承支撑。变桨机构安装图如图3-3所示。（3） 变桨机构的原理 变桨距机构能将功率稳定控制在额定风速以上,依据风速

44、的变化随时调节桨距角,控制吸收的机械能,一方面保证获取最大的能量,同时减少风力对风力机的冲击。在风力机组并网过程中,变桨距控制还可实现快速无冲击并网。变桨距控制系统与变速恒频技术相配合,最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。但本实验系统没有功率输出，不涉及并网问题。变桨具有时间的滞后性，变桨轴承锥齿轮变桨轴限位开关变桨电机编码器图3-3 变桨机构安装图一般情况下，只有当风机测得或者通过其他途径获得风速变化的信号之后图才能做出反应，在实际应用中，由于风速变化的非线性，具体操作如今还不能达到提前变桨的程度，这也是提高风力发电系统效率的技术研发的方向之一。（4） 变桨机构的作用 变桨机构是一种风力发电机叶片调节装置，风力较大时，通过调节装置使桨叶迎角减小；风力小时，通过调节装置使桨叶迎角增大。通过调节变桨机构，可以让整个风机获取最大的能量。变桨距机组有将输出功率控制在额定功率以上稳定的特点。113.2 PLC控制系统的选型本系统采用西门子S7-313C作为控制核心，具有模拟输入/输出功能。系统可精确测量当前的数据，并带有手动设置功能。3.2.1 系统组成本系统分为控制桌和被控对象两部分组成。信息的处理、控制信号的发出，控制参数的变更全部由控制桌部分完成，系统各个动作的完成、信息的采集由被控对象完成。 这部分电路在轮毂内部，从外面是看不到的。采用PLC2