基于pcs7的变桨距风力发电机组偏航控制系统设计电气工程与自动化本科论文

本科生毕业设计基于PCS7的变桨距风力发电机组偏航控制系统设计题目：姓名：学号：班级：二〇一四年六月xx矿业大学本科生毕业设计姓名：学号：学院：信息与电气工程学院专业：电气工程与自动化设计题目：基于PCS7变桨距风力发电机组偏航控制系统设计指导教师：职称：教授二〇一四年六月徐州xx矿业大学毕业设计任务书学院信电学院专业年级电气工程与自动化2010级姓名任务下达日期：2013年12月30日毕业设计日期：2013年12月30日至2014年6月10日毕业设计题目：基于PCS7变桨距风力发电机组偏航控制系统设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1、了解风力发电机组工作的基本原理；2、掌握WinCC和STEP7软件；3、掌握基本过程控制策略；4、构建偏航控制系统及其控制策略；5、翻译英文文献一篇。院长签字：指导教师签字：年月日xx矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日xxx矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日xxx矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答辩情况提出问题回答问题答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字：年月日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：年月日摘要社会的发展离不开能源的供应，在当今这个迅猛发展的时代，能源的需求也越来越大。过去几十年世界的快速发展，已经消耗了大量的自然资源，造成了能源的枯竭。人类目前正在面临着能源危机。为解决人类的能源问题，世界各国开始把眼光投向了新型可再生能源。其中，风能是未来最重要的清洁替代能源之一。它是未来最具开发潜力的新能源。风能是取之不尽，用之不竭的。所以研究风力发电对于解决能源和环境问题上具有至关重要的作用。风力发电是利用风力资源的一个有效的方法，全世界研究风力发电已经有100多年了，风力发电的技术也越来越成熟。风力发电偏航控制研究是目前关于风力发电比较热门的一个研究方向，它的目的是为了调整风轮的方向，使得风力发电机能够准确的对准风向，提高风力发电的效率，也提高了风能利用率。研究偏航系统控制就是为了实现风力发电机准确偏航控制。本文介绍了风力发电机的原理和组成结构，重点介绍了偏航系统的组成部分和各部分的功能。为研究偏航控制系统，选用了模糊控制的控制策略。通过MATLAB仿真软件，对风力发电偏航系统进行仿真。并搭建了Wincc组态界面，实现了偏航过程的可视化，用step7编写了偏航控制各部分的PLC程序。关键字：风力发电；偏航控制；模糊控制；PLC。ABSTRACTSocialdevelopmentisinseparablefromthesupplyofenergy,inthisdayandageofrapiddevelopment,energydemandisgrowing.Overthepastdecades,therapiddevelopmentoftheworldhasconsumedalargeamountofnaturalresources,resultinginadepletionofenergy.Mankindiscurrentlyfacinganenergycrisis.Inordertosolvetheenergyproblemsofmankind,theworldbegantolookintothenewandrenewableenergysources.Whereinthewindisoneofthemostimportantfuturecleanalternativeenergysources.Itisthefuturedevelopmentofthemostpromisingnewenergy.Windenergyisinexhaustible.Sothestudyofwindpowerforenergyandenvironmentalissueshaveacrucialrole.Windpoweristheuseofwindresourcesinaneffectiveway,theworld'swindpowerresearchhasbeen100years,windpowertechnologyismoremature.Windyawcontrolstudyonwindpowergenerationisoneofthemorepopularresearchdirection,itspurposeistoadjustthedirectionofthewindturbine,makingwindturbinescanaccuratelyalignthewinddirection,windpowertoimproveefficiency,butalsoimprovesthewindutilization.Researchyawcontrolsystemistoachieveaccuratewindturbineyawcontrol.Thispaperintroducestheprincipleandstructureofwindturbines,focusingonthepartoftheyawsystemandthefunctionsofeachpart.Yawcontrolsystemforthestudy,thechoiceofthecontrolstrategyoffuzzycontrol.ByMATLABsimulationsoftware,yawwindpowersystemsimulation.Winccconfigurationinterfaceandbuilttoachieveayawprocessvisualization,preparedwithstep7yawcontrolvariouspartsofthePLCprogram.Keywords:windpower;yawcontrol;fuzzycontrol;PLC.目录TOC\o"1-3"\u1绪论 页1绪论1.1论文的背景和意义当今社会，能源已经成为人来赖以生存的重要物质基础，但是随着能源的开采和利用，造成了严重的资源枯竭和环境的破坏。化石能源的过度消耗，煤炭、石油、天然气等能源的缺乏，严重制约了当今社会的经济发展。常规能源的日益枯竭，迫切的需要开发新的能源。人类为了保护生态环境，节约资源。正在努力的寻找可再生、环保、洁净的能源，对于缓解能源匮乏有着十分重要的意义。目前来看，风能是最具有大规模开发利用前景的新能源。当今世界的科技发展日新月异，风力发电的技术已经相当的成熟。但是目前来看，现代风力发电技术任然有一些不足之处，还面临着一些技术挑战，包括怎样提高风力发电的可靠性以及如何进一步提高风力发电的效率。另外还需要考虑的就是如何降低成本。风能是目前最具有开发价值和开发规模的清洁能源，它有着广阔的前景，因此开发风能也受到了全世界的普遍重视。风力资源是取之不尽，用之不竭的，风力资源相当的丰富，有很好的开发前景。另外，风能还是一种清洁环保能源。风能的一大优点就是它不会像煤电、核电那样会对环境造成污染。随着发电技术的日趋成熟以及发电设备产品的质量可靠，目前风力发电对风能利用率能达到95%以上。风力发电的经济性也日益提高，从发电成本来看，随着风力发电技术的进步，未来风电的成本肯定要低于煤电和核电。另外风力发电场的建设工期比较短，比火电站、水电站、核电站都要短。并且机组安装方便，容易操作。风力发电具有众多的优点，使得风力发电领域快速发展，风电行业已经成为了一个巨大规模的产业，还能带动其他行业的发展，促进了国民经济的发展。所以说在未来能源行业这一块，风力发电的前景非常良好。绿色和平组织和欧洲风能协会在2002年提出了《风力12》报告，预计到2020年，世界风力发电总量将会达到世界电力总需求量的12%，届时，风电将仅次于火电和水电的电量占有比例。目前我国各地也在如火如荼的开发风力发电。我国电力发展“十一五”发展纲要中也明确指出了，到“十二五”末期，我国的风力发电总量将达到世界风力发电总量的14%左右。随着能源的紧缺，煤电、水电发电的成本变高。风力发电的经济性、实用性等优势也必将显现出来。风力发电机可分为变桨距风力发电机和定桨距风力发电机。目前变桨距风力发电机从市场占有率以及生产运行的效果来看，都要明显优于定桨距发电机。变桨距风力发电机可以通过调节桨叶节距，改变风轮叶片的攻角。改变空气对叶片的转矩，从而保持风力发电机功率输出稳定。本文研究的是变桨距风风力发电机组偏航控制系统，变桨距风力机相比定桨距有很多突出的优势。变桨距控制改变了桨叶叶片节距角，改变迎风面积，这样可以尽可能多的捕获风能，大大提高了风能的利用率，可以获得最大输出功率。关于变桨距风力发电技术是未来风力发电研究的一个趋势。变桨距风力发电机也将会成为未来风力发电市场上的绝对主流。风力发电为人类社会经济发展提供了能源支撑，风力发电电技术的发展也推动了科学技术的发展。研究风力发电技术不仅能够带来经济效益，还能带来良好的社会效益。更重要的是开发利用这种清洁能源有利于对生态环境的保护。风能转化成电能的过程中，风能推动桨叶转动发电，没有给大气造成任何污染。只降低了气流的速度，风力发电的发展，能够减少常规能源的排放，从而减少了二氧化碳和二氧化硫的排放，对环境保护和生态平衡以及改善能源结构有着重要的意义。因此开发可再生能源，尤其是风能，将变得更为重要。风力发电的前景十分可观。1.2国际风力发电的现状和趋势自20世纪70年代以来，风能开发和利用在欧美发达国家发展非常迅速，风力发电技术也日趋成熟。风力发电为这些发达国家的经济发展提供了能源供给。在进入21世纪以后，煤电，石油发电消耗了大量的不可再生资源。资源的枯竭，给人类社会的发展提出了严峻的挑战，人类开始探索包括风能在内的新能源。目前，世界风能发电厂以每年30%的增长速度不断发展。不少欧洲发达国家都将风电定为优先发展级别，尤其在英国、丹麦、德国等西欧国家更加重视风能的开发利用。丹麦靠近北海,是多风之国，风力发电的研究与应用始于丹麦人的大胆探索。19世界末期，丹麦人成功研制了,世界上第一台风力发电机，并建成了世界上第一个风力发电站，所以可以说丹麦人为人类在寻找新能源上作了一个模范与榜样。进入21世纪，风电大国丹麦的风电规模一直位于世界前几名。目前，德国是世界风力发电规模最大的国家，其风力发电的装机容量已达3000Mw。德国的风机制造能力强、水平高，全球10大风机制造商中，德国占有2家。另外，西班牙，印度，意大利，日本等国风力发电的规模也都位于世界前列。德国的风电产业也相当的发达，带动了德国经济的发展。1999年10月5日，国际能源研究报告指出：到2020年，风能可为世界电力提供10%，增加170万个就业机会，并在全球范围内减少100多亿吨二氧化碳废气的排放。风电技术经过20年的研究日益成熟，，风电的成本从20美分/kWh持续下降到3美分/kWh，商业化机组的单机容量从根据全国风能理事会（GWEC）发布的全球风电市场装机数据，2011年，全球新增风电装机达到237669MW。这一数据表明全球累计装机实现了21%的年增长，新装数据达到6%。到目前为止，全球75个过国家有商业运营的风电装机，其中22个国家的装机容量超过1000MW。预计到2014年底,全球累计安装量达235000MW,风电占全球总供电量市场的2.3%。1.3国内风力发电的发展我国现代风力发电事业起始于上世纪70年代。到1998年底，全国已建成了20个风电场，总装机容量达220MW。目前，我国有将近30个风电场，总装机容量达到46万kw。目前国内最大的风电场是新疆达坂城二风场，其总装机容量为57.5Mw。广东省南澳风电场居其次，装机容量为42.8Mw。内蒙古辉腾锡勒风电场，装机容鼍为36.1Mw，国内居第3位。而辽宁省的东岗和横山风电场的装机容量分别为12MW和5MW。为解决地处边远、贫困落后、居住分散、难以供电地区的农牧民群众的用电问题，大力推广了户用小型风力发电机。我国风力发电行业在2011年继续保持了较快的发展，据不完全统计，截止到2011年12月末，我国风电累计装机容量为6580.21万千瓦（包括等待并网发电和已经并网发电的），分布在31个省、直辖市、自治区和特别行政区。其中，四川和广州于2011年填补了无风电的空白。累计风电装机超过200万千瓦的省级地区有10个，其中内蒙古风电装机容量以1853.63万千瓦位居第一，河北与甘肃分别位居第二和第三。累计风电装机容量前10位省级地区的合计装机容量达到5671.45万千瓦，占全国累计风电装机容量的86.19%。2011年底xxx累计风电装机容量前十位的省份如下图图1.1所示。图1.12011年底xxx累计风电装机容量前十位的省份风能作为清洁能源、可再生能源，将会迎来更好会更快的发展。xxx将在“第十二个五年计划”期间重点发展风电产业，政府还将介绍一些xxx促进风电发展的政策，促进健康，风力发电可持续发展。如果国家政府没有出现重大调整，发力发电将继续保持快速发展，根据市场发展预测，风力发电机组装机容量年平均增长将达到180万KW。我国将进入以风能为代表的可再生清洁能源发电的鼎盛时期。我国的风能资源比较丰富，但是我国的风力资源分布不均。10米高度层的风能资源总储量为32.26亿KW，其中可供开发利用的风能约为2.5亿KW。有沿海（山东、浙江、福建、广东）和东北至西北（内蒙古、新疆、甘肃）两大风带，风的质量好，为开发风电提供了基础环境与条件。我国风能资源比较丰富的地区如表1.1所示。表1.1我国风能资源比较丰富的省区省区风力资源/MW省区风力资源/MW内蒙古61780山东3940新疆34330江西2930黑龙江17230江苏2380甘肃11430广东1950吉林6380浙江1640河北6120福建1370辽宁6060海南6401.4当前我国风力发电亟待解决的难点风力资源丰富的地区通常是分布在在沿海地区，在岛上，西北，或偏远地区。这些地方，一般条件比较恶劣，远离城市，给风力发电行业的员工的生活带来了很大的不便所以目前风力发电的发展方向为远程监控和无人值守，但是这样的话对风力发电机的控制技术提出了很高的要求。目前风力机组的可靠性和安全性还达不到要求。风电在xxx仍然面临着许多问题，主要是建设成本高和高关税。此外，xxx的风力发电还处于发展阶段，受国家政策的影响，以及社会和经济的发展，风力发电也很难进入大规模工业发展。一般来说，风电建设综合效益不是很好，加上风力发电具有一次性投资较高，运转初期，还本付息的压力大，所以风电上网也需要政府的支持和鼓励。需要国家出台支持、优惠及奖励政策。一方面地方政府要充分发挥积极主动性，鼓励大力发展风力发电产业，并对风力发电企业给予一定的政策优惠或者适当的财政补贴，同时，还能提供更多的就业机会。另一方面，在科研方面，国家还应加大科技投入和技术创新，扶持民族企业的开拓创新，使产品及时更新换代，使我国的风力装备越来越先进，这样还可以提高风能利用率和提高风力发电总量。以解决我国的电力能源短缺。1.5我国风力发电的前景与展望风力发电经过过去10年的发展，全世界每一年都以大约28.3%的平均速度在增长，就能够提前5年完成当初设定的2020年的目标；根据市场估计，到2020年，我国有可能实现风电累计装机达到5000万千瓦。到那时，已安装的风电容量的占国家电力将近6%的装机容量，风力发电的发电总量大约占总电量的2.8%。风力发电在经历了未来10年发展的黄金时期后，风电的地位将会得到很大的提高。风电作为新兴清洁能源，和传统的火力发电以及核电站相比较，具备成本上明显的优势。依照我国当前的风力发电机装机增长速度若届时我国风电每年新增装机才达到目前欧洲的水平，即达到800万千瓦，至2030年累计装机可以达到1.2亿千瓦；若2020年后每年新增装机超过1100万千瓦，约占全国每年新增装机的30%，即达到欧盟过去五年中风电占新增发电装机的比例，至2030年我国风电累计装机可以达到1.8亿千瓦左右，此时，风电在全国电力容量中的比重超过11%，可以满足全国5.7%的电力需求。那时，风电占据总发的电量的比例排第三位。成为第三大发电电源。仅次于风电火电、水电之后。由此可见，我国的风电市场的发展前景非常良好。按照每千瓦时投资8000元计算，到2020年，xxx的风力发电可以达到每一年500亿的投资规模，所以说发展潜力巨大。我国的对风力资源的开发使用跨入了一个全新的阶段，特别是小型风力发电机的应用相当普遍，成效很好，前景广阔。为了使我国的风力发电得到长远的发展，应该鼓励风力发电的技术创新，加大科研开发，把握当初发电快速发展的机遇。使我国的风力发电事业迈向更高的顶峰。在积极实现坚持火电、水电、核电并举，鼓励海啸能、风能、地热能、生物能源等多种新兴能源快速发展过程，为我国的发展提供足够的能源供应。1.6本章小结本章主要介绍了风力发电研究的意思，和国内外研究背景，以及当前我国风力发电的现状，通过本章的介绍，可以看到风力发电有着良好的发展前景。2风力发电机组系统构成及功能简介2.1风力发电的原理2.1.1风力发电机的基本类型发电机是利用电磁感应原理把机械能转换成电能的装置，在原动机（风力发电系统中对应的是风力机）的拖动下，当风力发电机中的线圈绕组切割磁力线，则在线圈绕组中产生感应电动势。通常意义上讲，相对于磁极而言，产生感应电动势的线圈绕组通常被称为电枢绕组。无论何种类型的发电机，其基本组成部分都是产生感应电动势的线圈加上产生磁场的磁极或线圈。转动的部分叫转子，不动的部分叫定子。发电机作为机械能转换为电能的装置。根据风力发电机与电网的连接方式划分：（1）离网运行的发电机，它是单台独立运行的发电机，发出的电不能接入电网当中，直接由发电机通过相应的控制机构向负载直接供电。（2)并网运行的发电机，发电机与电网并联运行发电机的并网运行，发电机发出来的电力可以直接接入到电网中。目前全世界使用的主要有四种风力发电机组，下面我们就具体介绍一下：（1）定桨距失速型风力发电机组。通过风轮叶片失速来控制风力发电机组在大风时的功率输出，以及通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。变桨距失速型（主动失速型）。风力发电机组在低风速时通过改变桨距角或保持一定的桨距角，使其功率输出增加，而在高风速时通过改变叶片桨距角来控制功率输出。（2）直驱型风力发电机组。它是无齿轮箱的变桨距变速风力发电机组，风轮轴直接与低速永磁发电机连接。直驱型风力发电机组要采用全功率变流器。（3）双馈异步变速恒频型风力发电机组。风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能。在低于额定风速时，它通过改变转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。当风的速度过大时，变桨距机构通过改变叶片桨距角，确保风力发电机能够保持稳定的功率输出。（4）混合风力发电机组。混合型风力发电机组也要采用全功率变流器。混合型风力发电机组。主要采用单级齿轮箱和中速永磁发电机，是直驱型风力发电机组和传统型。风力发电机按照桨叶、风轮装束以及传动机构可以分为以下几类。（1）按风轮桨叶分类，●失速型。高风速时因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力发电机的输出转矩与功率。●变桨型。高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。（2）按风轮转速分类●恒速型。风轮始终保持一定转速运行，风能转换率低，与恒速发电机对应。●变速型。变速性还可以分为以下两类。1）双速型。可在两个设定的转速间运行，改善风能转换率，与双速发电机对应。2）连续变速型。在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。（3）按传功机构分类●升速型齿轮箱。用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机。●直接驱动型。直接连接低速低速风力机和低速发电机。2.1.2现代风机为了解决风力发电机发出来的电能出现的一些问题，比如说电压和频率不稳定的问题，为降低对电能质量的影响。现代风力发电机组一般都增加了齿轮箱和偏航系统，尾部有测量风速的测风系统，还有液压刹车系统和相应的控制系统等，现代风机的示意如图2.1所示。图2.1现代风力发电机2.1.3现代风力发电的原理现代风力发电系统包括风力发电机组、偏航控制系统、变桨距控制装置、风速和风向传感器等几部分。其中风电系统的最关键的设备当属发电机组，风力发电机一般包含风轮机、变桨机构、继电器、增速器以及控制系统。并网的风力发电系统的结构示意图如图2.2所示。控制系统统风轮增速器发电机主继电器主开关熔断器变压器晶闸管电网控制系统统风轮增速器发电机主继电器主开关熔断器变压器晶闸管电网风变桨风速转速并网功率无功补偿风2.2风力发电机的组成结构风力发电机是将风能转化为电能的设备，现代并网风力机组在过去几十年里的发展中，一直以提高风能利用规模和降低风力发电成本为目标，设计和研发了许多类型和样式的风力机组。随着认识的深入，使用的需要和技术的进步，目前已逐步趋向少数几种结构形式。图2.3为发电机的内部结构。图2.3发电机的内部结构2.2.1风力机桨叶系统风力发电机的风轮也是风力发电机的一个核心部件，决定了整个风力机组的性能，风轮商业片的气动特性决定了风力机组的风能利用率，也决定了风力机组机械部件的主要载荷。风力发电机的风轮由叶片、风轮轴及变桨距机构等组成。风轮桨叶主要实现风能的吸收，因此其形状主要决定于空气动力学特性，设计目标是最大可能的吸收风能，同时使重量竟可能减轻，降低制造成本。风力机组桨叶应该满足以下的要求：良好的空气动力外形，能够充分的利用风电场的风资源条件。获得竟可能多的风能.可靠地结构强度，具备足够的承受极限载荷和疲劳载荷能力。合理的叶片刚度、叶尖变形位移，避免叶片与塔架碰撞。良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振和颤振现象震动和噪声小。耐腐蚀性和防雷击性能好，方便维护。为了达到这个目标，结构优化设计，可以降低叶片重量，降低制造成本。风力发电机组的桨叶系统如图2.4所示图2.4风力发电机组的桨叶2.2.2变桨距系统大多数现代大型电网的风力机变桨距系统连接，它有两个主要的功能：1）在通常的稳定运转条件下，如果风的速度高于设定的额定值，变桨距机构可以改变叶片桨距角度，来调节叶片的升力和阻力比，此而保障稳定的功率。2）当风速大大高于切出风速的时候，以及当风力机组出现了运行故障状，桨距角度可以迅速的从工作角度转化为顺桨的状态，保障安全运行，实现紧急制动。叶片的变桨距操作是通过变桨距系统实现的。变桨距系统按照驱动方式可分为液压变桨距和电动变桨距系统。按照变桨距操作方式可以分为同步变桨距系统和独立变桨距系统。同步变桨距系统中，风轮各叶片的变桨距动作同步进行，而独立变桨距系统中，每个叶片具有独立的变桨距机构，变桨距动作独立进行。变桨距机构如图2.5所示。a)液压变桨距b)电动变桨距图2.6变桨距机构叶片变桨距系统主要由叶片和轮毂间的旋转机构、变桨距驱动机构、执行机构、备用供电系统和控制系统组成。变桨距的硬件安装在轮毂内部，由电动机和减速器构成驱动机构和执行机构。叶片变桨距旋转动作通过内呲合齿轮实现。2.2.3风力机组传动系统传动系统用来连接风轮和发电机，将风轮产生的机械装具传递给发电机，同时实现转速的变换。它包括风轮主轴（低速轴）、增速齿轮箱、高速轴（齿轮箱输出轴）以及寄希望刹车制动装置等部件。整个传动系统和发电机安装在主机架上。作用在风轮上的各种气动载荷和重力载荷通过主机架及偏航系统传递给塔架。风轮主轴一端连接风轮轮毂，另一端连接增速齿轮箱的输入轴，用滚动轴承支撑在主机架上，风轮主轴的支撑结构形式与增速齿轮箱的形式密切相关。按照支撑方式的不同，可以分为三种结构形式，分别为独立轴承支撑结构，三点支撑式主轴，主轴轴承与齿轮箱集成形式。从齿轮箱的维修角度来讲，主轴单独支撑，既便于与齿轮箱分离，又能减轻齿轮箱的承载，大大的降低了维修费用，较为合理。相比于其他工业齿轮箱，风电齿轮箱的设计条件比较苛刻，同时也是机组的主要故障源之一。由于风轮转速与发电机转速之间的差距巨大，增速齿轮箱成为风力发电机组中的一个必不可少的部件。增速箱的低速轴接桨叶，高速轴联接发电机（直驱式风力发电机则没有齿轮箱机构）。齿轮箱系统的特点是：(1)速轴采用行星架浮动，高速轴采用斜齿轮（螺旋齿轮）浮动，这种两级或者三级的复合齿轮形式，使结构简化而紧凑，同时均载效果好。(2)入轴的强度高、刚性大、加大支承，可承受大的径向力、轴向力和传递大的转矩，以适应风力发电的要求。在大型风力发电机中，发电机的极数愈多，增速箱的传动比就可以越小。国外一般采用2-4极的发电机。如图2.7为齿轮箱结构图。图2.7齿轮箱结构图主轴（低速轴）2.一级星形齿轮3.发电机输入轴（高速轴）4.三级斜齿轮5.二级斜齿轮风力发电机组的设计通常要求在无人值班运行条件下工作长达20年之久，因此齿轮箱的轴承在此受到了真正的考验。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。在齿轮箱的使用中，应根据使用地点的不同添加润滑油冷却或加温机构，以确保齿轮箱的润滑，增加其使用寿命。与传统的风力发电机系统相比，直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率，降低了制造和维护成本，减小了机械效率损失，提高了运行效率。开发直驱式风力发电机组是我国日后风力发电机制造的趋势之一。2.2.4发电机系统风力发电机可以使用同步或异步发电机，并且可以直接或间接接地将发电机连接在电网上。直接电网连接指的是将发电机直接连接在交流电网上。间接电网连接指的是风力发电机的电流通过一系列电力设备，经调节与电网匹配。采用异步发电机，这个调节过程自动完成。发电机对中最终调整的位置尺寸：上下、前后、左右的尺寸在技术要求范围内即可。现今，风力发电机的单机容量越来越大。风力发电机所用的发电机一般都是采用异步发电机，对于定桨距风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且还改善了低风速时的叶尖速比。由于绕线式异步发电机有滑环电刷，这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障。所以，有些风力发电系统采用无刷双反馈电机，该电机定子有两套极数不同的绕组，转子为笼型结构，无须滑环与电刷，可靠性高。目前，这种发电机形式成为各风电制造厂商生产的主流形式。但对于直驱式风力发电机系统，采用的是永磁同步发电机形式。这种直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品，但在国外已经发展了很长时间。目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少，但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一。2.2.5偏航系统偏航系统主要是用于调整风轮的对风方向，即要使风轮对准风的方向，偏航控制系统是风力发电机组特有的一个位置伺服系统。它有两个主要的功能：一个是使追踪风向变化，改变偏航角度，直到风力发电机恢复正常工作。风轮能够时刻跟踪到改变稳定的那个风向;二是当偏航作用时，机舱内的电缆会随着偏航机构的旋转而发生环绕，为防止风力发电机被造成破坏，影响正常工作，对缠绕的电缆进行自动解缆。2.2.6解锁装置解缆和扭缆保护是风力发电机组的偏航系统所必须具有的主要功能。自然界中的风是一种随机不稳定的资源，风速与风向是不定的。由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常利用偏航系统来对风，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。自动解缆包括纽缆开关控制的安全链动作计算机报警和计算机控制的凸轮自动解缆两部分，以保证风电机组安全。凸轮控制的自动解缆过程如下:根据角度传感器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，当需要解缆且记录数字为负时，控制偏转电机正转，当需要解缆且记录数字为正时，控制偏转电机反转。在此过程中同时检测偏航中心电机工作，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，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。2.2.7刹车系统刹车系统的功能是当风力机需要停止运转或在大风时使风力机停止运转以达到维修或保护风力机的目的。在小型风力机中多采用机械抱闸刹车方式实现制动停车，可以手动也可自动实现停车；在大中型风力机中多采用液压或电气制动方式实现抱闸停车。风力发电机组的液压系统和刹车机构是一个整体。在定桨距风力发电机组中，液压系统的主要任务是执行风力发电机组的气动刹车和机械刹车；在变桨距风力发电机组中，液压系统主要控制变距机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制机械刹车机构。气动刹车机构是由安装在叶尖的扰流器通过不锈钢丝绳与叶片根部的液压油缸的活塞杆相联接构成的。扰流器的结构（气动刹车结构）。当风力发电机组正常运行时，在液压力的作用下，叶尖扰流器与叶片主体部分精密地合为一体，组成完整的叶片。当风力发电机组需要脱网停机时，液压油缸失去压力，扰流器在离心力的作用下释放并旋转80°-90°形成阻尼板，由于叶尖部分处于距离轴最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，使扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力发电机组在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即为叶片空气动力刹车。叶尖扰流器是风力发电机组的

主要制动器，每次制动时都是它起主要作用。在叶轮旋转时，作用在扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖扰流器力图脱离叶片主体转动到制动位置；而液压力的释放，不论是由于控制系统是正常指令，还是液压系统的故障引起，都将导致扰流器展开而使叶轮停止运行。因此，空气动力刹车是一种失效保护装置，它使整个风力发电机组的制动系统具有很高的可靠性。2.2.8塔架塔架是用来支撑风力机及机舱内各种设备，承受机组的重量、风载荷以及运行中产生的各种动载荷，并将这些载荷传递到基础。并使之离开地面一定高度，以使风力机能处于良好的风况环境下运转。根据风力机容量的大小，塔架可以制成实心铁柱式，也可以制成钢材晰架结构或柔性塔架。大并网的风力发电机组塔架高度一般超过几十米，甚至超过百米，重量占整个机组的一半左右，成本占风力发电机组制造成本的15%～20%。由于风力机组的主要部件全部安装在塔架顶端，因此塔架一旦发生倾斜倒塌，往往会造成珍格格机组报废。因此塔架和基础对着整个风力机组的安全性和经济性有着重要的影响。风力机组塔架结构形式主要有钢筋混泥土结构、钢筒结构。2.3风力发电机组的控制技术2.3.1风力发电机组控制系统风力发电机机组正常运行的核心就是其控制系统，控制系统就相当于人的大脑，它是风力发电的最关键的组成部分，控制系统紧密联系着风力发电机组的其他组成结构，风力发电机组的安全生产与发电效率决定于控制系统是否能够完成精确的控制，是否能够发挥出完善的功能。控制系统贯穿于风力发电机组的各个组成部分，它相当于动物的神经，起指挥操作的功能。风力发电机的工作状态是否良好、机组设备是否安全的运行，这些都取决于控制系统的好坏。好的控制系统会提高风力发电的效率和安全性。如果控制系统设计不好，将会直接影响风力发电的生产过程，不仅生产效率低下，并且无法确保安全运行。目前风力发电方面有两大问题需要得到解决：一个是发电效率的问题，一个是电能质量问题。风力发电机组控制系统的性能和着两大问题能否解决密切相关。风力发电研究这么多年以来，国内外的科研学者对风力发电的控制系统开展了大量的科学研究和优化仿真，并提出了大量的先进理论。如今随着现代控制技术、智能控制技术、电力电子技术以及机电一体化这些理论研究的深入，为风电控制技术的研究提供了大量的理论基础和宝贵的经验。风力发电控制系统的基本目标分为三个层次，也即是保证风力发电机组安全可靠运行、获得最大能量和同时提供高质量的电能。控制系统主要由各种传感器、变桨距系统、主控制器、无功补偿单元、功率输出单元、安全保护单元、并网控制单元、通信接口电路、监控单元等组成。具体控制内容有信号的数据采集和处理、转速控制、变桨控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、自动解锁、偏航控制、并网和解列控制、停机制动控制、就地监控、安全保护系统、远程监控等。不同类型的风力机控制单元的组成有所不同，发电机的控制系统的结构示意图如图2.8所示。图2.8发电机的控制系统的结构示意图2.3.2风力发电控制技术的发展趋势随着自动化技术的快速发展，工业自动化技术和计算机技术的结合，大大的提高了工业的自动化水平，提高了生产效率，保障了安全生产和可靠性。风力发电的控制系统也体现了先进的这些技术，目前的风力发电机的控制方式从单一的定桨距失速控制发展为变速恒频率和变桨距控制。（1）定桨距调节将被变桨距调节所取代风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源。由于风速的随机变化、风向的不确定性，导致风力发电机组的效率和功率的波动，并使传动力矩也会发生震荡，影响电能的质量和电网的稳定性。变桨距调节型风力发电机组是通过变桨距调节，它的叶片的安装角随风速的变化而变化，气流的功角是风速变化时可保持在一个比较合理的范围内，从而有可能在很大的风速范围内保持良好的空气动力学特性，获得较高的效率。特别当风速在大于额定风速条件下，变桨距系统发挥作用，调节叶片功角，使风力机保持输出功率的平衡。变桨距风力机具有结构简单、良好的变速性能和运输起吊难度小等优势，因而它是大型风力发电机组未来的发展方向。从目前我国的风力机单机容量不断上升的趋势来看，变桨距调节方式将迅速取代定桨距调节方式。（2）恒速运行方式将被变速运行方式所取代目前市场上恒速运行的风力发电机组一般采用双绕组结构（4级/6级）的异步发电机，双速运行。发电机运行在低速度上，此时6级电机开始动作。在风速较高时，发电机运行在较高的转速上，此时4级电机开始工作。在风速较低时。变速运行的风力发电机组一般采用双馈异步发电机或者多级同步电动机。双馈电机的转子侧通过功率变换器，通常为双PWM交直交型变换器连接到电网。同时这种机型还有一个优点就是，能将可以双向流动。可以大范围的调节运行速度是变速恒频运行方式的一个优点，它可以适应因风速变化的引起的风力发电机功率的变化，可以尽最大可能的吸收风能，所以它的效率高。在控制上也很灵活，可以较好地调节系统的有功功率、无功功率，不过其控制系统较为复杂。变频恒速包括异步感应发电机、绕线转子异步发电机、双馈发电机、永磁直驱同步发电机。2.4本章小结本章主要介绍了风力发电机组的组成结构，和各部分的功能作用。在第三节还介绍了风力发电的控制技术，以及未来的发展趋势。3风力发电机组偏航控制策略偏航控制系统，它是风力发电机组的控制系统中必不可少的重要组成部分。它有两个主要的功能：一是要控制风轮跟踪变化的风向，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，这样既能充分利用风能,又提高了风力发电机组的发电效率；二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。保证风力机组的安全运行。3.1偏航控制系统的基本结构偏航系统包括偏航轴承、偏航制动器、偏航驱动装置、偏航计数器、扭缆保护装置等几个部分组成。偏航系统的一般组成结构为：图3.1偏航控制系统的组成结构示意图风力机的偏航系统包含两大组成部分，分别是偏航控制机构以及偏航驱动机构。偏航控制机构的组成部分为：偏航控制器（2）风向传感器（3）解缆传感器机械驱动机构的组成部分为：偏航驱动装置（2）偏航轴承（3）偏航制动器3.1.1偏航轴承偏航轴承的轴承内外圈通过螺栓分别和风力机组的机舱、塔架连接在一起。可以采用内齿或者外齿形式。内齿形式，轮齿位于偏航轴承的内圈上，其结构比较静凑。而外齿形式，轮齿位于偏航轴承的外圈上，优点是加工比较简单。具体采用内齿结构还是外齿结构，要根据机组的具体机构和总体的布置来决定。目前，常用的偏航轴承有回转支承和滑动轴承两种类型。滑动轴承，常用工程塑料做轴瓦，这优点是在缺少润滑的情况下能够正常工作。轴瓦分为轴向上推力瓦、径向推力瓦和轴向下推力瓦三种类型，分别用来承受平行于塔筒方向的轴向力，以及垂直于塔筒方向的径向力和机舱的倾覆力矩。回转支承，它是一种特殊结构的大型轴承，能够承受径向力、轴向力外，以及承受倾覆力矩。这种轴承已经开始了大批量标准件生产。目前使用的大多数风力机都采用这种回转支承这种轴承。3.1.2偏航制动器偏航制动器，它是偏航系统的重要部件，制动器啊在额定的负载下，制动力矩保持稳定，其值应不小于设定值。一般采用液压拖动的钳盘式制动器。为保证风力机停止偏航时，不会因叶片受风载荷而被动偏离风向的情况，风力机上多装有偏航制动器。在偏航过程中，由制动器产生的阻尼力矩应该保持平稳，偏差应小于5%，同时制动过程不得有异常噪声。在额定负载下，制动器闭合时，制动衬垫和制动盘的贴合面积应大于设计面积的50%；制动器包含自动补偿机构，以便在制动衬块磨损时自动补偿，使得制动力矩和偏航阻尼力矩保持稳定。在偏航系统中，制动器可以采用常闭式和常开式两种结构形式，常闭式制动器是在有动力的条件下处于松开状态，常开式制动器则是处于锁紧状态。两种形式相比较并考虑失效保护，一般采用常闭式制动器。3.1.3偏航控制驱动装置偏航驱动器主要包括偏航电机和偏航减速齿轮机构。它由偏航电机、偏航齿轮箱、偏航小齿轮、电磁制动器组成。风力发电机组的偏航系统一般有内齿形式和外齿形式两种。偏航驱动装置采用电动机驱动，有的是采用液压马达驱动，它的制动器可以是常闭式，也可以是常开式。常开式制动器，是指有液压力或电磁力拖动时，制动器一直处于锁紧状态的制动器；常闭式制动器，是指有液压力或电磁力拖动时，制动器始终处于断开状态的制动器。如果要采用常开式制动器，偏航系统必须具有防逆传动装置和偏航定位锁紧装置。偏航驱动装置通常采用开式齿轮传动。大齿轮固定在塔架顶部静止不动，多采用内齿轮结构，小齿轮由安装在机舱上的驱动器驱动。为了减小偏航驱动器的体积，也有采用低速大扭矩液压马达驱动，通过一级行星减速器装置。3.1.4偏航计数器偏航计数器，它是一个记录偏航系统旋转圈数的装置。计数器一般是一个带有控制开关的涡轮蜗杆装置，或者是与其相似的程序。当偏航系统旋转的圈数不低于设计是所规定的初级解锁和终极解锁的圈数时，计数器则给控制系统发出信号，使风力机组的偏航系统自动进行解锁。3.1.5扭转保护装置 扭转保护装置，它也是偏航系统的必须具备的重要装置。它的目的是为了实现失效保护，在偏航系统的偏航动作失效后，电缆的扭转达到威胁机组的安全运行的程度而触发该装置，使机组进行紧急停车。通常，这个装置是独立于控制系统的，一旦这个装置被触发，则机组应当立即停车。扭转保护装置一般由控制开关和触点机构组成，控制开关一般安装在机组的塔架上，触点机构一般安装在电缆上，当电缆扭绞到一定的程度时，触点机构会松开。3.2偏航控制系统的工作原理 风力发电机偏航控制系统实质上是一个位置伺服控制系统。偏航控制系统是根据风向信号的随机变化而变化的。风向传感器能够检测到风向信号，并发出控制信号给偏航电机，风力发电机通过偏航电动机来带动风力机风轮转动，对风轮位置进行调整，以达到对风的效果。它的工作原理是:当风向与风力机风轮的主轴线产生偏离时，风力发电机尾部的风向传感器传来信号,通过风传感器检测风向、风速，并将检测到的风向信号送到微处理器，微处理器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，才能尽快对准风向。当需要调整方向时，控制中心发出信号给偏航驱动机构，偏航电动机将风力机的风轮调整到与变化后的风向相一致的方位，以调整机舱的方向，达到对准风向的目的。简言之偏航控制过程就是一个风力机风轮的对风过程。偏航控制系统的系统框如图3.2所示。图3.2偏航控制系统在风轮的前部和机舱一侧，装有风向仪，当风轮与风向仪指向发生偏离时，偏航控制器开始计时，这种角度偏差达到规定值时，认为风向改变。控制器发出向左向右的偏航指令，直到方向偏差消除。偏航角度大小通过安装在机舱内的角度编码器的检测来实现。在由机舱引入塔架的电缆上安装有行程开关，当电缆缠绕达到一定程度时，行程开关会动作，控制器将能检测到该信号，同时运行相应的处理程序。在风电机组工作时，如果偏航的角度过大，将使塔架的电缆发生缠绕，从而影响整个发电机组的正常工作。当偏航角度累计达到1080°时，必须启动自动解缆控制程序。通过偏航调节，机舱回转1080°，完成解缆。解缆完成后，发电机组再次开始正常工作。风电机组无论处于运行状态还是待机状态均可以主动对风。当紧急停车时，需要通过偏航调节使机舱经过最短的路径与风向成90°夹角。为了实现这样的伺服控制，就偏航控制本身来讲，对控制精度以及响应速度并没有要求，但在偏航对风过程中，风力机组作为一个整体，具有很大的转动惯量，考虑到风力发电的稳定性，需要设置足够的阻尼。通过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：自动解缆、人工偏航、自动对风。图3.3为偏航程序流程图。图3.3偏航程序流程图设计偏航控制系统应具备的以下几个要求：根据风向的变化进行自动偏航调节；超大风速时的90度侧风控制功能。人工偏航调节功能；4.自动解缆功能。3.2.1自动偏航自动偏航，它是指风力发电机能够自动调整机舱位置，它是根据风向与机舱的夹角自动做出判断,确保风轮能够准确对风，捕捉到最大的风能。为了使风力发电机发挥最大效能，吸收的功率最大，机舱必须准确对风；当风向改变时，偏航控制系统设定的旋转角度与实际的角度的偏差超过允许误差范围时，系统会发出自动偏航指令，为使机舱准确对风，风力机上的传感器以及偏航电机组成的对风系统执行校正动作。所以偏航系统需要有设定一个合适的偏航偏差角范围，当超出偏差范围时,系统控制器发出自动偏航指令，这样还可以保证风力发电机的寿命。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度所需时间，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，向中心控制器发出自动偏航完成信号并复位自动偏航标志位。自动偏航传感器ASS状态示意图，如图3.4所示，参数说明和电机运行状态如表3.1所示。图3.4自动偏航传感器状态示意图（虚线表示风向标0度位置）表3.1自动偏航传感器ASS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3.2.290度侧风控制控制过程如下：根据90度侧风风向标传感器DSS的信号，当DSS=00时，表明机舱已处于90度侧风位置；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度侧风，否则判断计时时间是否超过偏转360度所需时间，若计时时间超过偏转360度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度所需时间时，控制偏航电机继续运转，直到DSS=00，向中心控制器发出90度侧风完成信号并复位90度侧风标志位。3.2.3人工偏航控制人工偏航控制，是指当风力机自动偏航控制系统不能正常工作时，偏航系统需要维修和人工解缆时，风力机的偏航控制只能通过人工操作，发出相应的信号开进行控制。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。3.2.4自动解锁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。自动解缆包括计算机控制的凸轮自动解缆和纽缆开关控制的安全链动作计算机报警两部分，以保证风电机组安全。凸轮控制的自动解缆过程如下:根据角度传感器顺时针CW和逆时针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。3.3偏航控制系统模糊控制策略风力发电机的偏航控制系统是一个非线性的系统,风向是随时变化的，偏航系统的各个参数也具有时变性。如果选择经典控制理论来进行控制，很可能会得到一个不满意的结果,即便是选择现代控制理论，也很难保证能达到预期的效果。模糊逻辑控制是一种新颖的控制策略，它的优势在于无论被控对象是线性的还是非线性的，它都能对其很好的控制。而且模糊控制这种控制策略的适应性和鲁棒性非常良好。它不需要确定精确的数学模型,这个优势扩大了模糊控制的应用范围。模糊控制它只是一种基于模糊推理,以模糊语言、模糊数学知识来表示，逻辑规则推理为理论基础,它是特别适用于数学模型没法准确确定的控制系统的一种有效控制策略。模糊逻辑控制技术已经引起了研究者的重视。它已在风机控制领域得到了广阔的运用。风的方向和风的速度的随机性等不良因素在运用模糊控制这种控制策略时，都能够有效地克服这些影响。保障了风轮可以准确地跟踪风向的变化。大大降低参数变化和外部扰动对控制效果的影响。因为模糊控制系统非常适合用于非线性、时变及纯滞后的系统，所以本论文关于风力发电机组的偏航控制系统选择用模糊控制策略来研究。选择着模糊控制策略能够有效地提高风力发电机组偏航控制中的稳定性、可靠性和精确度。3.4偏航控制系统模糊控制器的设计3.4.1模糊控制器的结构控制系统要实现的是对风向的检测，以及控制偏航电机的起停,调整风轮的偏转角度来对准风向，使风力发电机能够最大可能的捕捉风能。因此,风力发电偏航控制系统是基于风向的变化来研究。需要采集风向信号。本文研究的是风力发电机组偏航控制系统，所以选择输入变量为两个，即偏航角度误差的变化及误差的变化率作为输入变量,输出变量为偏航电机的控制量。对于所设计的风力发电机组偏航控制系统，我们选择模糊控制器的输入量为:由风向风速仪测得的实际旋转角度和我们设定的理论旋转角度的偏差e及其变化率ec。输出量为偏航控制系统的角度控制量u。图3.5为模糊控制器的系统框图。图3.5模糊控制器的系统框图3.4.2输入输出变量的模糊化根据模糊控制器的设计方法，选择输入变量e和ec的基本论域分别为[－15°，15°],[－12°，12°].输出变量u基本域设置为[60，60]。我们将论域分为13个等级，选定语言变量偏差E、偏差变化率EC、被控量U的模糊论域为E={－6，－5，－4，－3，－2，－1，－0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，EC={－6，－5，－4，－3，－2，－1，－0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6},U={－6，－5，－4，－3，－2，－1，－0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。则有：偏差e的量化因子:（3-1）偏差变化率的量化因子为：（3-2）被控变量的比例因子为：（3-3）输入输出的变量E、EC、U的语言值选取7个语言变量来表示:{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，它们各自代表{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。由于三角形隶属函数具有分辨率较高、灵敏度强的优点，输入变量角度偏差E、偏差变化率EC、输出变量偏航控制角度U均采用三角形函数。图3.6模糊控制FIS编辑器。图3.7到图3.9分别为为模糊变量E、EC、U的隶属度函数。图3.6模糊控制FIS编辑器图3.7糊变量E的隶属度函数图3.8糊变量EC的隶属度函数图3.9糊变量U的隶属度函数3.4.3模糊控制规则表偏航系统模糊控制规则表设计原则为:当风轮旋转角度偏差较大时，控制量的主要目的是尽可能小地减小偏差;当偏差较小时，除了消除偏差外，选择控制量时应该注意避免系统的震荡和超调，保障系统的稳定性。将这些模糊控制规则加以归纳，可建立偏航系统的模糊控制规则表。IfEisNBandECisNBthenUisNBIfEisNBandECisNMthenUisNB...IfEisPBandECisPMthenUisPBIfEisPBandECisPBthenUisPB如表3.2为模糊控制规则表。偏航控制系统设计的模糊规则编辑器如同3.10所示，观测窗界面如图3.11所示。表3.2模糊控制规则表ECENBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSNSZENMNBNMNMNSNSZEPSNSNMNMNSNSZEPSPSZENMNSNSZEPSPSPMPSNSNSZEPSPSPMPMPMNSZEPSPSPMPMPBPBZEPSPSPMPMPBPB图3.10模糊规则编辑器图3.11模糊规则观测窗界面3.4.4风力发电机组偏航系统模糊控制器的仿真本文用MATLAB实现基于模糊控制的偏航控制仿真。由于风的方向不确定，偏航控制系统具有非线性和随动性。关于偏航系统的数学模型，我们很难精确的确定，所以本次试验用传递函数为：来近似替代。本文研究的是变桨距风力发电机，当风速为10m/s的环境下工作时，风的压力为130。经运算可得传递函数个系数的值，其中=65，=500。故此时的偏航系统传递函数为：在simulink仿真平台上搭建仿真模型。偏航控制系统simulink仿真模型图如图3.12所示。图3.12偏航控制系统simulink仿真模型图3.4.5仿真结果与分析搭建好simulink仿真模型，添加模糊规则，给偏航系统加单位阶跃信号进行仿真，得到的模糊控制仿真曲线如图3.13所示。图3.13模糊控制仿真曲线由仿真曲线可以看出，偏航系统在受到风向变化的扰动后，能够尽快的恢复到平衡位置。并且由仿真曲线图可知，超调量也不是很大，系统的波动较小。表明模糊控制进行偏航控制可较好地克服风向扰动的影响,可得到较快动态响应，较小的超调量，工作可靠,调向路径合理,能够准确跟踪风向变化,可满足风力发电机的工作需要。同时由实验结果可知，对风力发电机的偏航控制选择模糊控制作为控制策略非常适合。3.5本章小结本章只要介绍了风力发电机的偏航控制系统的组成，偏航控制的工作原理，根据偏航控制的工作原理给出来偏航控制的流程图。选着模糊控制的控制策略来研究偏航控制，并在MATLAB软件上得到了仿真结果。4系统研制开发平台4.1.wincc软件的介绍Wincc是一个在Microsoftwin都是下使用的强大的HMI系统。，HMI系统即为人机界面，是指操作人员与机器之间的界面。Wincc可以为操作人员开发一种图形界面，实现过程的可视化。操作人员可以直接通过wincc界面，来了解生产现场的一些情况，也可以用于软件人员开发研究，操作人员直接在wincc界面上，对一些数据做出改变，我们能看到每个过程的状态都会发生改变，直接从人机界面上就能够很好的反映。Wincc界面一般包括好几个子系统组成，一是图像系统，二是报警系统，三是归档系统，四是报表系统，另外还有通寻，用户管理等构成。西门子Wincc系统有组态软件和运行系统软件构成，使用组态软件可以创建新的项目。而运行系统软件可以及时的处理一些执行项目。组态软件和系统软件共同作用，完成对整个工业过程控制的监视。如果出现了临界过程状态，wincc组态能够自动做出报警响应，发出报警型号。比如当变量的测量值大于或者小于预先设定的值是，wincc界面上将会显示一条信息，或者发出报警声音。在使用wincc进行工作时，既可以打印出变量的过程值，还可以对变量的过程值进行归档。这样有一个好处就是使得过程的文档值更容易编制，还可以方便以后访问过去的数据。当今的工业生产正在冲着自动化发展，智能化发展。目前的工业自动化技术的发展方向是全集成自动化。Wincc系统可以喝西门子的其他自动化系统十分协调的进行工作。同时，wincc还支持其他厂家的自动化装装备。Wincc上装有标准化借口，可以实现与其他设备的通信或者交换数据。Wincc具有开放的编程借口，允许用户根据自己的需要，输入自定的程序。已达到操作员的母的。从而控制工业生产。Wincc组态还有一个优点就是，用户可以随时对其修改，就算是组态完成了还可以对其修改，以满足过程的需要，支持大范围的组态可能性。4.2风力发电偏航控制组态仿真平台设计4.2.1wincc6.0的功能和优点本文设计中应用SIMATICwincc监控组态软件的V6.0版本。具有高水平的创新和基于标准的长期产品策略。wincc监控组态软件有如下突出的优点:(l)通用的应用程序,适合所有工业生产的过程控制。(2)Wincc是西门子过程控制系统的人机界面,支持多种语言,全球通用Wincc的组态界面可以在不用语言之间进行切换,也可在项目中设计多种运行时目标语言。（3）提供通信通道Wincc提供了所有最重要的通讯通道,用于连接到SIMATIC55/57/505控制器的通讯,以及如PROFIBUS一DP/FMS!DDE和OPC等非专用通道".(4)硬件连接不受限制，全新版本的Wincc由于采用了新的标准,具有更大的灵活性和更高的效率。4.2.2监控系统的设计和功能实现风力发电机组偏航控制的组态监控系统有以下几个功能模块组成：(1)风力发电机偏航控制运行主界面：在图像编辑器上画出系统运行时的主界面，并且可以对主界面编辑，当变量改变时，系统运行的状态也会发生改变，显示偏航过程的变化。主界面的图形系统由运行系统组件构成。在图像编辑器下，可以显示静态和操作者可以自由控制的画面。对与风力发电机偏航控制系统，主界面包括，风轮，偏航控制系统。方向的显示。还有一些动作按钮。当单击按钮时，系统运行状态会发生改变，通过主界面可以看出变化。（2）报警记录系统：用于对消息进行组态的编辑器叫做报警记录编辑器，当风力发电机的偏航角度大于设定值时，系统报警。报警系统是给操作员提供出现故障和错误的消息，当系统运行时候出现故障率，发出报警型号。这样操作员就可以在最快上的时间，对系统设备进行检修，避免浪费时间，耽误了工业生产。还可以减小故障所带来的损失。报警记录编辑器的报警系统的组态组件，当系统出现故障时，报警记录可以用于确定报警应该什么时候出现。抱紧记录运行系统是消息记录的运行组态软件啊。当偏航系统在正常工作情况时，报警记录的功能就是对系统运行情况实时监视。（3）归档系统：用于判断什么类型的数据进行归档的编辑器，即变量记录记录编辑器。将数据记录下来，可以随时随地的显示当前的过程值。假如需要访问某一历史时刻的过程值，这些数据都存放在过程值的归档中，除了可以对历史过程的数据进行访问外，过程归档还有一个好处就是，它可以根据过程值得大小，判断出系统是否组成运行。同时，除了对过程值得处理外，还可以对消息进行归档。这样有一个好处就是，当我们呢想知道某一时间的过程变化，只需要在wincc的消息系统中就能找到相关的数据。（4）报表系统：用于创建报表布局的编辑器称为表表记录器。报表系统分为两种，一个是报表中的组态数据，一个是报表中的运行系统数据。组态数据一般都通过报表系统来反映，比如，把各个运行状态下的数据记录下来，并且制成表格。这样有利于对数据的统计和分析。消息顺序报表系统是按照时间线后顺序，记录下各个变量的数据。可以逐页打印出来，归档报表中可以反映出，在某一个时刻下归档的所有消息。4.3step7软件的介绍STEP7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC的编程、监控和参数设置，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。STEP7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1可以得到该对象的相关帮助。在STEP7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATICS7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。STEP7是用于西门子SIMATIC可编程控制器组态和编程的标准软件包，提供一系列的应用程序，如SymbolEditor(符号编辑器)、编程语言、硬件组态等。西门子STEP7目前的最新版本为STEP7V11。使用STEP7设计完成一项自动化任务的基本步骤：第一步：根据需求设计一个自动化解决方案；第二步：在STEP7中创建一个项目（Project）;第三步：在项目中进行硬件组态；第四步：编写程序；第五步：保存下载，进行在线调试，最终完成整个自动化项目。4.4PLC简介可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），是随着科学技术的发展，为适应多品种、小批量生产的需要而发展起来的一种工业控制装置。1980年，美国电器制造商协会对它做了如下定义：可编程控制器是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口；以位运算为主；能够完成逻辑、顺序、定时、计数和算数运算的功能；面向机器或者生产过程的自动控制装置。PLC作为一种通用的工业控制器有它的特点：可靠性高，必须能够在各种不同的工业环境中正常工作，抗干扰能力强，平均无故障工作时间长，能适应恶劣的环境。使用方便灵活，主要体现在硬件使用和软件使用上。PLC按照程序的要求，通过对来自设备外围的按钮、行程开关、接触器点等开关量信号进行逻辑运算处理并控制外围指示灯、电磁阀、接触器线圈通断等功能。PLC能适应风电的恶劣环境，对于风电的稳定、安全运行有了保障。