风力发电机组变桨矩控制系统的研究

风力发电机组变桨矩控制系统的研究摘要由于石油资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风能作为可再生绿色能源以其突出的优点成为全世界普遍重视的能源。风能开发的重要性已无可争辩，风力发电技术也随之得到迅猛发展。风力发电技术是涉及空气动力学、机械、电机学和自动控制理论等综合性的学科。而进行大规模风能开发首先必须解决一系列关键技术问题，其中，风力发电机的变桨矩控制是一个极具挑战性的控制问题，对其进行深入研究具有十分重要的现实意义。通过阅读大量国内外文献资料，研究风力发电机工作原理，论文首先对变桨矩驱动装置的选择进行比较，最终确定本变桨矩控制系统采用独立电动变桨的方式。分析了风力电机的空气动力学特性，在此基础上设计了风力发电机组在不同风速段下的控制策略。由于PID控制稳定性好、控制算法简单、响应速度快且能实现无差调节，论文采用PID控制算法。由于PLC在工业控制上有许多优势，且价格合理，综合各方面因素，本文选择S7-200作为控制器。随后，设计了基于PID控制的变桨矩控制器的控制框图和硬件电路图。基于V4.0STEP7MicroWINSP6软件设计了变桨矩控制器相应的软件。关键词：风力发电机组；电动变桨矩控制；变速恒频；PLCThewindturbinepitchcontrolsystemAbstractWiththeincreasingdepletionofoilresourcesandtheconcerninghumanpayattentiontoglobalenvironmentaldegradation.Windpowerasrenewablegreenenergyforitsoutstandingadvantagesbecomestheworld'sorientedenergy.Theimportanceofwindenergydevelopmentisindisputablesothatthewindpowertechnologywillberapiddevelopment.Windpowertechnologyinvolvesthedisciplinesofaerodynamics,mechanical,electricalandautomaticcontroltheory.Itisimportanttoresolveanumberofkeytechniquesforlarge-scaledevelopmentofwindenergy.Windturbinepitchcontrolisachallengingproblemandin-depthstudyhasimportantpracticalsignificance.Readingalargenumberofdomesticandforeignliteraturestostudyworkingprincipleandtocomparethepitchdrives,andultimatelydeterminethepitchcontrolsystemwhichisindependentelectricpitchinthispaper.Designthecontrolstrategyofwindturbinesondifferentwindspeedswhichbasedontheanalysisofthewindmotoraerodynamics,.ThecontrolstabilityofPIDisgoodandthecontrolalgorithmissimple,fastresponseandcanachievewithoutdifferentadjustment,sothispaperusesthePIDcontrolalgorithm.PLChasmanyadvantagesinindustrialcontrolandreasonableprice.Concerningaboutallroundfactors,wehavechosentheS7-200asacontrollerinthispaper.Subsequently,controlhardwareblocksdiagramandschematicofthepitchcontrollerbasedonPIDcontrolweredesigned.BasedontheV4.0STEP7MicroWINSP6,wedesignthepitchcontrollersoftware.Keywords:Windturbine;Bladepitchcontrol;VSCF;PLC

目录TOC\o"1-3"\f\h\z摘要 IAbstract II第一章绪论 11.1论文的研究背景和意义 11.1.1论文的研究背景 11.1.2选题的意义 21.2风力发电变桨控制系统国内外的研究现状 21.3本论文主要工作 3第二章风力发电机组的基本组成、基本理论与变桨矩系统 42.1风力发电机组的基本组成 42.1.1桨叶系统 52.1.2齿轮箱系统 62.1.3发电机系统 72.1.4控制系统 72.1.5偏航系统 82.1.6塔架 92.1.7制动系统 92.1.8UPS供电系统 92.2空气动力学原理 102.2.1叶素理论 102.2.2风能计算 102.2.3风能利用系数与贝兹理论 112.3风速特性分析 142.3.1风切变效应 142.3.2塔影效应 142.4变桨矩风力机组的运行状态 152.4.1启动状态 152.4.2欠功率状态 162.4.3额定功率状态 162.5变桨矩系统的原理与结构 172.5.1变桨矩调节原理 172.5.2变桨矩系统分类 192.6风力发电机组变桨矩驱动装置比较和选择 212.6.1液压变桨与电动变桨技术比较 212.6.2液压变桨与电动变桨供应链分析 222.7本章小结 24第三章变桨系统设备选型与硬件电路设计 253.1变桨系统设备选型 253.1.1伺服电机的选型 253.1.2控制器的选型 263.1.3各种传感器的选型 273.1.4控制算法的选择 313.2变桨矩控制系统 323.3本章小结 35第四章变桨系统软件设计 364.1PLC的介绍和选择 364.1.1PLC的定义、特点及组成 364.1.2PLC的基本工作原理 384.1.3PLC主要部件的选择 394.2编程条件设计 394.3控制流程图设计 424.4变桨矩系统程序设计 43第五章总结与展望 44参考文献： 45附录A 47附录B 53致谢 70第一章绪论1.1论文的研究背景和意义1.1.1论文的研究背景在21世纪的今天，能源、环境已成为人类生存和发展所要解决的紧迫问题，常规能源以煤、石油、天然气为主。它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用受到世界各国的高度重视。日前风能是具有大规模开发利用前景的可再生能源之一。从全球范围来看，风力发电已经从试验研究阶段迅速发展为一项成熟技术。现代风电技术面临的挑战主要包括进一步提高可靠性、提高效率和降低成本。中国拥有着辽阔的地域、狭长的海岸、风能资源极其丰富。根据不完全数字统计，在全国陆地上风能的技术可开发量共计约2.53亿千瓦（根据地面以上10m高度的风力资料计算得出），在海上可开发利用的风能资源约7.5亿千瓦，风能资源的总量高达10亿千瓦，所以我国开发和利用风能的潜力非常大[1]。截止到2008年12月底，全球的风电机组总装机容量已经超过了2.2亿千瓦；国内已有25个省、市、自治区已具有风电装机，风力发电机组总的装机容量达到6500万千瓦。《全球风能展望2010》报告称，2010年，在每3台安装完成的风电机组中，就有1台安装在中国。到2020年，中国的风电机组总装机容量有可能达到现在的10倍，届时风力发电可解决全球约12%的电力需求量，到2030年可达到22%。随着风力发电产业技术的不断成熟和发展，变桨矩风力发电机的优越性越来越突显；于是风力机运行的可靠性有了大大的提高；再加上拥有高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线；进而由于叶轮的重量有所减轻，因此风力机的受力状况有了极大的改善，这就使风力机在不同的风速下运行时，始终保持着最佳的转换效率，从而获得最大的输出功率，提高风能利用率。当前，单机容量越来越大，兆瓦级别的机组占据了主要位置，变桨矩技术已经成为了风电的发展趋势。1.1.2选题的意义变桨矩风力发电机组有很多的优越性，变桨矩风力发电机组将会成为大型风力发电机组发展的主流[2]。而变桨矩风力发电机组核心之一就是变桨矩系统，其中的变桨矩控制器是非常重要的，合理控制桨叶角度，在额定风速以下运行时与变速恒频技术结合以最大限度的获取能量，在额定风速以上运行时能够得到稳定的功率输出。控制器设计的是否合理直接关系到变桨矩风力发电机组是否能够正常、可靠、安全的运行。我国幅员辽阔，蕴藏着丰富的风力资源。为了开发利用我国的风力资源，应尽快研制生产具有自主知识产权的风电设备，以减少对进口设备的依赖，降低风电的制造成本对我国的新能源产业发展具有极其重要的意义。本课题对变桨矩风力发电机组的变桨矩控制系统进行研究，希望对我国变桨矩控制系统的国产化提供有益参考，具有重要的现实意义。1.2风力发电变桨控制系统国内外的研究现状风力发电发展到20世纪80年代，风力发电机装机还比较少，技术也不够成熟，发展到90年代中期，世界风力发电技术取得了突飞猛进的发展，设计、制造技术日趋成熟，产品进入商品化阶段，功率等级从几十千瓦到几百千瓦，逐渐发展为兆瓦级。同时，也对风电并网技术的发展起到了促进作用，而且风电场的建设和管理水平以及规模也上升到崭新的阶段。国外最早的风力发电机主要采用定桨矩系统[3]。国内如新疆金风科技早期主要研发和制造定桨矩风力发电机。对于定桨矩风力发电机组，在低风速段的风能利用系数高，而当风速接近额定点，风能利用系数开始大幅度下降，这时随着风速的升高，功率上升己趋缓，而过了额定点后，桨叶已开始失速，风速升高，功率反而有所下降。所以定桨矩风力发电机组对风能利用效率不高。目前世界上风力发电机上大多采用变桨矩控制系统。其特点是:变桨矩风力发电机的整个叶片攻角在一定范围绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角在一定范围内(一般为00一900)变化，以调节输出功率不超过设计的容许值[4]。变桨系统按照原理有分为电动变桨和液压变桨两种，主要是动力不一样，电动变桨用伺服电机驱动，液压变桨用液压缸驱动。世界上的风力发的厂家和发展情况如下:世界风电厂家Vestas，Aeciona，Enercon，Gamesa，Dewind，GE，三菱重工等。Vestas所占份额最大，超过百分之三十，他连同Gamesa都主要采用液压变桨系统[5]。其余的厂家多采用电动变桨系统。我国早在上个世纪七八十年代开始研制风力发电机组，但直到90年代，风力发电才真正从科研走向市场。初期研制成功的主要是额定功率为600KW以下的风力发电机组，近年来开始研制兆瓦级风力发电机组，并且已经取得成功，其制造技术已基本掌握。虽然我国近几年风电发展快，但是相比国外，我国在风力发电技术上的研究比较落后。主要是工艺技术落后，零部件以及大容量的风力发电装置大多数依靠进口，因此，我国风电行业有很长的路要走。1.3本论文主要工作随着常规能源的消耗越来越大，越来越多的国家都在加快风力发电的步伐，尤其是中国这样的大国，能源消耗特别大，所以要积极开发新能源、绿色能源。由于我国风力发电起步慢，技术相对落后，在加快发展规模的同时，要引进国外技术，学习欧洲国家的先进技术。随着我国对风电的越来越重视，我国的风电产业将会快步前进。从发展趋势来看，风力机将会向单机容量大、变桨矩、变速恒频和智能控制等方向发展。本文的主要研究工作有以下几点：1）查阅大量相关风力发电的国内外相关资料，了解风力发电技术的发展趋势和最新动态。2）讨论了电动变桨矩系统与液压变桨矩系统的优缺点，对独立变桨矩和统一变桨矩进行了分析。3）对风力发电机的空气动力学特性进行分析，确定不同风速段的不同控制策略。4）变桨矩控制系统设备选型，基于S7-200PLC采用PID算法控制设计了控制框图和硬件电路图，及其控制程序。5）对本次设计进行思考和总结。第二章风力发电机组的基本组成、基本理论与变桨矩系统随着风力发电机组的单机容量的不断增大，在额定风速下能提高捕获风能效率，在额定风速以上能保持额定功率稳定输出成为迫切需要解决的问题。变桨矩调速方式和变速恒频技术，在捕获风能效率和稳定输出功率等问题上显示出优势，逐渐占据了风力发电技术的主导地位。变桨矩控制是保持功率稳定输出的主要手段，因此本章介绍了风力发电机组的基本组成，基于风机空气动力学原理、变桨矩系统原理与结构，以及变桨矩风力机组的运行状态，风力发电机组变桨矩驱动装置比较和选择，为本文的变桨矩控制提供了理论基础。2.1风力发电机组的基本组成目前，风力发电机组系统有常见的几种结构形式如异步感应风力发电机系统，同步风力发电机系统和双馈风力发电机系统。目前研究最多的也是双馈感应风力机系统，与传统的恒速恒频风力发电系统相比，采用双馈电机的变速恒频风力发电系统具有风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，以及可以改善系统的功率因数等但无论哪种结构形式，风力发电机系统基本包括以下几个组成部分：风力机桨叶系统，齿轮箱系统（永磁直趋式风力发电机则无齿轮增速箱，见图2.1所示）发电机系统，控制系统，偏航系统，刹车系统等。[6]图2.1永磁直驱式风力发电机2.1.1桨叶系统风轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变为机械能，进而通过增速器驱动发电机。风能是随机性能源，当风力变化时，风力机轴上输出功率也将随之发生变化，因此如何调节风力机的输出功率对并网运行的风力发电机而言是十分重要的关键技术之一。对于水平轴风力机，功率调节方式可分为两类，即变桨矩功率调节与定桨矩失速功率调节。(1)定桨矩系统对于定桨矩系统，其桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之改变。就是根据计算所得的实际安装角将其固定到轮毂上，不能变动叶片安装角。这一特点，给定桨矩风力发电机组提出了两个必须要解决的问题，一是当风速高于风轮额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。称桨叶的这一特性为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。为解决这样的问题，制造商家通过改善叶轮的制造材料，采用加强玻璃塑料、碳纤维强化塑料、钢和铝合成。另外在桨叶尖部安装叶尖扰流器，在需要制动时打开。由于叶尖部分处于矩离轴的最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即是桨叶空气动力刹车。(2)变桨矩系统就是叶片用可转动的轴安装在轮毂上，轮毂上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角以满足不同的风速条件下风力发电机得到最大功率。随着风力机单机容量的不断增加，风力机发电效率和可靠性的不断改善，大中型风力机的叶片材料逐渐由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。[7]2.1.2齿轮箱系统由于风力发电机桨叶的转速达不到发电机所需的同步转速，这就需要增速齿轮箱。增速箱的低速轴接桨叶，高速轴连接发电机（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）低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）输入轴的强度高、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。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。图2.2示为1.5WM风力机齿轮箱结构图。该齿轮箱系统是一个3级行星/螺旋（斜齿轮）复合机构。图2.2齿轮箱结构图2.1.3发电机系统现今，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采用异步发电机，对于定桨矩风力发电机组，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。图2.3为双反馈异步感应电机系统，通过轴承与齿轮箱机构连接。图2.3双反馈异步感应发电机系统结构图2.1.4控制系统与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网状况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。定桨矩风力发电机组主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。定桨矩风力机控制系统由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，桨叶的节矩角在安装时已经固定；发电机的转速则是由电网频率限制。所以，在允许的风速范围内，该形式的控制系统在运行过程中对由于风速的变化引起输出量的变化是不作任何控制的。变桨矩风力发电机组，则在控制性能方面，大大改善，不但在起动时可对转速进行控制，在并网后则可对功率进行控制。相对于定桨矩风力发电机组来说，变桨矩风力发电机组的液压系统也不再是简单的执行机构，作为变矩系统，它自身是一个闭环控制系统，采用了电液比例阀或驱动电机，控制系统水平得到了极大的改善和提高，并逐渐发展成熟。使控制系统的水平提高到一个新的阶段。2.1.5偏航系统由于风向经常改变，偏航系统是用来调整风力机的风轮叶片旋转平面与空气流动方向相对位置的机构，因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大。风向标是偏航系统的传感器，将风向信号发给控制器，经过与机舱的方位进行比较后，发出指令给偏航电机，驱动小齿轮沿着与塔架顶部固定的大齿圈移动，经过偏航轴承使机舱转动，直到机舱对准风向后停止。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。2.1.6塔架用来支撑风力机及机舱内各种设备，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，也可以制成钢材塔架结构或柔性塔架。2.1.7制动系统其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。2.1.8UPS供电系统风力发电机组离开电网的支持是无法工作的，一旦有突发故障而停电时，控制计算机由于失电会立即终止运行，并失去对风机的控制，控制叶尖气动刹车和机械刹车的电磁阀就会立即打开，液压系统会失去压力，制动系统动作，执行紧急停机。紧急停机意味着在极短的时间内，风机的制动系统将风机叶轮转数由运行时的额定转速变为零。大型的机组在极短的时间内完成制动过程，将会对机组的控制系统、齿轮箱、主轴和叶片以及塔架产生强烈的冲击。紧急停机的设置是为了在出现紧急情况时保护风电机组安全的。然而，电网故障无须紧急停机；突然停电往往出现在天气恶劣、风力较强时，紧急停机将会对风机的寿命造成一定影响；风机主控制计算机突然失电就无法将风机停机前的各项状态参数及时存储下来，这样就不利于迅速对风机发生的故障做出判断和处理。针对上述情况，对控制电路作了相应的改进。在控制系统电路中加设了一台在线UPS后备电源，这样当电网突然停电时，UPS急时投入，为风机的控制系统提供足够的动力，使风机制动系统按正常程序完成停机过程。它兼具传统电容器的大电流快速充放电特性与电池的储能特性。2.2空气动力学原理2.2.1叶素理论叶素理论将叶片等效为若干个基本单元进行研究，将每个基本单元称作叶素。叶片翼型弦线与风轮扫掠面的夹角，称作桨矩角。风轮旋转角速度为，则半径为处叶素的圆周速度为，而风轮平面的绝对风速为，叶片的相对风速和风轮的圆周速度三者之间的关系是。功角是弦线与气流速度矢量之间的夹角。是和风轮扫掠面的夹角，称作入流角。如图2.4所示，气流流经叶素，会对其产生气动力作用，在垂直于气流方向产生一个气动力，即升力，同时，还会在气流方向产生一个阻力。单个叶素受到的升力和阻力可以表示为升力系数和阻力系数的函数[8]： 图2.4叶素受力分析式(2.1)式(2.2)其中:为叶素弦长，为空气密度。2.2.2风能计算由流体力学理论可知，流动气体所含有的动能可以表示为[9]：式(2.3)式中:为气体质量。假设单位时间内流经截面积为的气体体积为，则有：式(2.4)该体积的空气质量为：式(2.5)则气流所具有的动能为：式(2.6)2.2.3风能利用系数与贝兹理论风轮作为风电机组的能量捕获和转换部件，将风能转换为主轴旋转机械能，该能量经过齿轮箱传递到发电机。依据贝兹(Betz)理论，流过风轮的气流速度不可能为零，因此，只有部分风能能够被转换为机械能[10]。贝兹理论假定风轮是一个平面桨盘(即无轮毂，叶片无穷多)，经过风轮的气流没有阻力，且整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向在通过风轮前后都平行于风轮轴线。图2.5为气流流过理想风轮旋转面所形成风廓线和通过前后风速和压力的变化。由于风轮的旋转，在靠近风轮处及风轮后某距离处的气流速度均有所降低，同时，气流通过风轮前到达靠近风轮处时，空气压力升高，而通过风轮后压力急剧下降，形成某种程度的“真空”，之后“真空”程度逐渐减弱，直到恢复原来的压力[11]。设为通过风轮截面的实际风速，为风轮后方远处的风速，在单位时间内，从风轮前到风轮后气流动能的变化量就是为风轮所吸收并使风轮旋转的风能，即：式(2.7)图2.5空气流过风轮旋转面及其前后的状况假设风速己知，而可以看成是v2的函数，按照求解一元函数极值方法，得到风轮吸收风能最大值为：式(2.8)定义单位时间内风轮吸收的风能E与通过风轮旋转面的全部风能之比为风能利用系数，即：式(2.9)由贝兹理论可知，理想风轮的最大理论效率，就是说即使转化风能过程无损耗，也只能有的风能可以为风力发电机组所用。贝兹理论中，没有考虑涡流损失，而是假设在叶尖速比时，叶片翼形优化，涡流损失很小。叶尖速比是旋转风轮的叶尖速度与风速之比，是风力发电机组的一个重要设计参数，表示为：式(2.10)其中:为风轮半径；叶尖速比直接影响叶片的能量捕获，影响风能利用系数，如图2.6所示，在实际中常用风能利用系数对叶尖速比入的变化曲线表示该风轮的空气动力特性[12]。图2.6风能利用系数与叶尖速比的关系曲线风能利用系数在叶尖速比为，时取到最大值。恒速运行的风力发电机组，风轮转速恒定，而风速一直变化，因此不可能保持在最大值，这样一来，风力发电机组的运行效率通常不高。变速运行的风力发电机组，可以使机组在叶尖速比恒定的情况下运转，从而使在较大风速范围内保持最大值。对于变速变桨矩风电机组来说，是叶尖速比和桨矩角的函数，风能利用系数可以表示为[13]：式(2.11)对于不同桨矩角，风能利用系数与叶尖速比入的变化曲线如图2.7所示[14]，可以看出：对于某一固定桨矩角，对应存在风能利用系数的唯一最大值。对于任意叶尖速比λ，叶片桨矩角时的风能利用系数相对较大，而随着桨矩角增大，风能利用系数变小，这为风电机组的运行控制提供了理论依据。图2.7不同桨矩角条件下，风能利用系数与叶尖速比的关系曲线2.3风速特性分析上文对于风速的空气动力学的分析是基于风速在空间均匀分布，不随时域变化的前提条件下的。然而，自然界的风在时间和空间上都是变化的，因此，风轮平面内风速分布是不均匀的。影响风速的因素有很多，其中作用最为显著的是高度，尤其随着风机的大型化，风轮直径的增加，高度对于风轮平面内风速的影响就越来越明显，而其它随机干扰反而可能会因为叶片长度的增加相互抵消而减弱。风速在竖直方向上的变化主要是由风切变和塔影效应导致的。2.3.1风切变效应风切变是稳定平均风速随着空间高度发生的变化，也就是风速会随高度的增加而增加，这种现象被称为风切变效应[15]。假设以地面为零风速参考平面，则风切变经验公式为：式(2.12)式中:为风速测量点高度，单位；为风速计算点高度，单位；为离地参考高度处的风速，即测量点风速，单位；为离地参考高度处的风速，即计算点风速，单位；为风剪切指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度。2.3.2塔影效应因为塔架对气流的阻碍，所以在塔架的长游和下游都将使气流速度减小，这种效应称为塔影效应[16]。气流的塔影效应描述如图2.8所示。图2.8塔影效应对于气流的影响对于上风向机组来说，在塔影坐标系下某点处垂直于风轮旋转平面的风速可以表示为：式(2.13)式中：为塔架半径，随塔架高度变化；为塔架某点的塔架高度；为塔架半径修正因子；(，)为塔架坐标系下的水平两个方向坐标。若该点的桨叶方位角在风轮旋转平面下沿中心相对于轮毂中心在±600之间，即叶片处于方位角为1200到2400的范围则上式成立，如图2.9所示。塔影效应引起的叶片载荷变化比风切变效应等其他因素导致的载荷变化更容易引起风轮叶片的振动。图2.9风轮平面内风速影响区域分布2.4变桨矩风力机组的运行状态根据风机所处的状态以及变桨矩系统所起的作用，变桨矩风力发电机组大致可以分为3种运行状态，即启动状态、欠功率状态和额定功率状态[17]。2.4.1启动状态 变桨矩风力发电机在停机状态的时候，叶片的桨矩角为900，此时气流对桨叶不产生切向力也没有转矩，整个桨叶实际上相当于一块阻尼板。当风速达到启动风速的时，变桨矩机构控制桨叶向00方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮由于桨叶受力开始转动。在发电机并入电网之前，发电机转速信号作为变桨矩系统的桨矩角的主要控制量。转速控制器按照一定的速度上升斜率给出速度的参考值，变桨矩系统根据给定的速度参考值，进而调整桨叶的桨矩角，进行速度控制。为了确保并网平稳及稳定性，对电网产生尽可能小的冲击，变桨矩系统可以在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近，以便寻找最佳并网时机。为了使控制过程简单化，早期的变桨矩风力发电机在风轮转速达到发电机同步转速前采用不控制桨叶的桨矩角的方式。在这种情况下，桨叶的桨矩角一直保持在同步转速对应的角度。直到发电机转速上升到同步转速后，变桨系统才开始投入工作。转速控制的给定值是恒定的，即同步转速。然后，转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过同步转速的时，桨叶的桨矩角就向迎风面积减小的方向转动一定的角度；反之，桨叶向迎风而增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一段时间后，发电机才并入电网。2.4.2欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机的输出功率在额定功率以下运行方式。与转速控制方式同理，在早期的变桨矩风力发电机组中，对于欠功率状态是不进行控制的。这时变桨矩风力发电机组和定桨矩风力发电机组相同，它的功率完全取决于桨叶的气动特性。现在多采用的双馈异步发电机的风力发电机在该状态能够通过风速采集的低频分量为参数调整发电机转差率，使其运行在最佳叶尖速比，进而达到对风能的最大利用率。2.4.3额定功率状态在风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率运行状态。这时风力发电机组运行方式从转速控制切换到功率控制，变桨矩系统开始根据发电机的功率信号进行控制。控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。功率反馈信号与给定值进行比较，当功率超过额定功率的时，桨叶就向着迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向着迎风面积增大的方向转动一个角度。2.5变桨矩系统的原理与结构2.5.1变桨矩调节原理变桨矩风机的叶片与轮毂之间采用非刚性联结方式，这时叶片可以绕叶片纵梁进行桨矩调节，使得叶片相对于风向有不同的攻角。当风速持续变化时，叶片的桨矩角始终保持在最佳的角度，从而使风电机组在不同风速下始终保持其风轮的最佳转换效率，使输出功率达到最大值。风机吸收风能产生的输出功率为：式(2.14)式中：为输出功率；价为风能利用系数；为空气密度；为风轮半径；为风轮正面风速。风机将产生的能量转换为机械能传递给负载，机械能表达式为式(2.15)式中：为机械能；为风机扭矩；为风机角速度。这里的扭矩是由负载决定的。这样由式(2.14)和(2.15)得式(2.16)当风机处于一定的风速下，对于一定的负载，、、亦为常数量，那么转速就取决于风能利用系数的大小。则有式(2.17)根据叶素理论特性，根据风轮起动后以某种速度稳定旋转时叶片的受力情况，得出理想情况下气流与叶片角的关系式(2.18)式(2.19)式中：为攻角；为桨矩角；为入流角；为叶尖速比。根据力的平衡关系，叶片的扭矩为式(2.20)式(2.21)式(2.22)式中：为扭矩系数；为风轮的迎风面积；为风轮半径；为叶片的相对风速。由图2.10可知，升力系数和升阻比/随攻角的变化而变化。对于在一定转速下运转的风机，当风速和风向一定时，和为定值。如果增大攻角，升力系数将增大，升阻比/。也将增大，由式(2.22)可知扭矩系数也会增大。又由(2.17)和(2.20)可以得到式(2.23)所以有式(2.24)式中：为风机叶片受力平衡时的叶尖速比。图2.10i和CL与CL与CD的关系由式(2.20)可得正比于，所以当攻角增大时，风能利用系数增大；反之当攻角减小时，风能利用系数减小。又由式(2.17)可知，当风速和风机负载一定时，当攻角增大，风机转速增大；反之，当攻角减小，值减小，风机转速减小。再由式(2.19)，，这里增大，将减小;如果减小，将增大。为了直观起见，通常用桨矩角来说明上面的关系，即当增大时，风机速度下降;当减小时，风机转速增加。2.5.2变桨矩系统分类（1）变桨矩的执行机构大致分为电液伺服系统和电动伺服系统两类[18]。a)液压变桨矩b)电动变桨矩图2.8变桨矩系统的轮毂照片1）液压伺服变桨矩系统。液压伺服变桨矩系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大等优点。目前丹麦Vestas公司的V80-2.0MW风机等都采用液压变桨矩机构。然而，液压系统存在死区、滞环、库伦摩擦，还有一些软参量，如体积弹性模量、油的粘度、系统阻尼比等，有非线性特征，甚至会出现漏油、卡塞等现象。液压伺服变桨矩执行机构原理如图2.9所示。桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接，桨矩角的变化同液压缸位移成正比。当液压缸活塞杆向左移动到最大位置时，桨矩角为900;而活塞杆向右移动最大位置时，桨矩角为00。液压缸的位移由液压比例阀进行精准的控制。在负载变化不大的情况下，电液比例阀的输入电压与液压缸的速度成正比，为进行精确的液压缸位置控制，则必须引入液压缸位置检测和反馈控制。图2.9液压伺服变桨矩执行机构的原理框图2）电动变桨矩系统。电动伺服变桨矩执行机构可对每个桨叶采用独立的调节方式，伺服电动机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相啮合，进而直接对桨矩角进行控制。如图2.10所示[19]。图2.10电动变桨矩结构图图2.10中只画出了一个桨叶的电动变桨矩的结构，其它两个桨叶则与此完全相同。而每个桨叶采用一个带位置反馈的伺服电动机进行单独调节，安装在伺服电动机输出轴上，采集电动机的转动角度。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，带动桨叶转动，从而实现对桨叶的桨矩角的直接控制。在轮毂内齿圈的边上又安了一个非接触式位移传感器，对内齿圈转动的角度进行直接检侧，即桨叶桨矩角变化，当内齿圈转过一个角度，则非接触式位移传感器输出一个脉冲信号。位置传感器采集桨矩角的变化与电动机形成闭环PID负反馈控制。变桨矩控制是根据伺服电动机自带的位置编码器所测的位移值进行控制的，电动伺服变桨矩执行机构原理框图如图2.11。在系统出现故障，控制电源断电时，桨叶控制电动机由UPS系统供电，使桨叶调节到顺桨位置。该执行机构结构简单、可靠，充分利用了有限的空间，实现了分散布置，且可以实现对单一桨叶进行控制，但对于大功率风机的动态特性相对较差。图2.11电动伺服变桨矩执行机构原理框图制动装置的突出特点是空气动力学制动刹车单独由变桨矩控制，桨叶充分发挥刹车的作用。即使其中一个桨叶刹车制动失败，其它两个叶片也可以安全完成刹车的过程，提高了整个系统的安全性和可靠性。制动系统还装备了备用电源，用于故障或维修时可以快速准确地控制桨叶。它为风力发电机组功率输出和刹车制动提供了足够的能力。这样可以避免过载对风机的破坏[20]。（2）按每个叶片是独立调节还是同步调节可以分为两种：1）共同驱动变桨矩系统。这种变桨矩系统在早期风力发电机组中采用的较为普遍。其特点是三只叶片的驱动由同一个驱动装置驱动，三只叶片的桨矩角调节是同步的。它的控制系统比较简单、成本低，但机械装置庞大，调整复杂，安全冗度小。2）独立驱动变桨矩系统。这种变桨矩系统在现代风力发电机组中采用的较为普遍。其特点是三只叶片的驱动由同三个相同的驱动装置驱动，三只叶片的桨矩角调节是相互独立的。它需要三套控制系统、成本较高，但结构紧凑、可靠、控制灵活，安全余度大。2.6风力发电机组变桨矩驱动装置比较和选择2.6.1液压变桨与电动变桨技术比较由于风力发电机组大多安装在环境恶劣的偏远地区，这为风力发电机组的维护和保养增加了许多困难，这就要求风力机组具有高度的可靠性，因此要求风机的各个部件要有稳定且可靠的质量。变桨系统在风力发电机组各组成部分中是非常重要的，其性能及质量的优劣直接影响整台风机的性能。液压变桨系统与电动变桨系统的特点及性能比较[21]见表2.1。表2.1液压变桨系统与电动变桨系统的比较项目液压变桨矩系统电动变桨矩系统桨矩调节响应速度慢响应速度快紧急情况下的保护储存能量小储存能量较大使用寿命蓄能器的使用寿命大约6年蓄电池的使用寿命大约3年外部配套需求占用空间小占用空间相对较大环境清洁容易漏油，造成机舱及轮毂内部油污机舱及轮毂内部清洁维护液压油、滤清器进行更换，维护困难蓄电池的更换，易维护2.6.2液压变桨与电动变桨供应链分析在软件方面，国内的变桨控制技术基本上被国外厂商垄断，国内一些科研机构开始对变桨软件系统进行研究，但由于缺乏经验，与国外的变桨控制策略还相比差矩很大[22]。在硬件方面，我们的分析从变桨系统结构部件的供应链的情况来进行。（1）液压变桨矩系统风电机组要求变桨系统具有较高的可靠性，而我国液压行业水平与发达国家还存在差矩，因此，液压变桨实现国产化的难度非常高[23]。1）液压泵站：液压柱塞泵是泵站的核心，国外品牌的液压柱塞泵质量大多比较可靠，国内品牌中，北京华德品质较好。2）控制阀摸块：控制阀块的制造难度较低，但基本上是国外设计在国内生产。问题是大尺寸的挤压铝及其相应的热处理在国内很难找到合适渠道。3）液压油缸：中高端的伺服油缸在国内基本都是进口产品，其中还包括安置在活塞杆中的位移传感器，国内的油缸厂商提供的产品主要用于在工程机械、冶金等行业的中低端油缸。国内液压油缸的整体水平还是与发达国家有着相当大的差矩的。4）蓄能器：蓄能器分皮囊式蓄能器与活塞式蓄能器。皮囊式蓄能器在国内应用较多，但皮囊是影响其寿命的关键部件，中高端产品还多为进口。活塞式蓄能器具有更长的使用寿命，但其在国内遇到与液压油缸相似问题。5）管路：标准接头在国内有很多优秀的厂商，如伊顿永华的系列产品，质量稳定，性价比高。所以标准接头在国内容易很找到合适的渠道，国产化率较高。液压管系统中常用的管路种类是液压钢制弯管。通常是无缝钢管经冷拔、折弯、表面处理等工序后制成的，技术含量较低，国内厂商即可满足要求。液压胶管是另一种常用的管路，中高端胶管总成中的软管部分基本上是进口软管。液压旋转接头是风机管路中较为关键的连接部件，市场基本上也是进口产品垄断着。可以看出，我国的液压行业普遍服务于普通工程机械领域，高精度、高稳定性的液压产品在国内的发展还比较落后。国内液压行业的生产商相比国外的帕克、伊顿、萨奥、力士乐等知名厂家，无论是从产品的系列化的广度上，还是从做工质量的深度上来讲，都有相当大的差矩。风机中液压变桨系统的实质国产化率按价值算不超过10%，高精度核心部件基本全部是进口产品，技术含量较低的如紧固件、泵站油箱等可在国内找到合适渠道[24]。（2）电动变桨系统相对于液压驱动变桨系统而言，电动变桨系统在国内应用较多，国内渠道培养以及发展的时间也较长，可选择度也较大。由于电动行业在国内发展的较好，各部件的国产化率较高，但在高可靠性、高稳定性的部件上某些进口产品仍居主导地位[25]。1）伺服电机及减速器：伺服电机是整个电动桨系统的动力源，减速机是调速传动装置，二者都要求具有很高的可靠性、稳定性和准确性。目前生产风机的原件还是以进口产品或跨国公司在华所设工厂生产的产品为主。但这方面基本上可以实现国产化，且国内供应厂商较多，渠道明朗，价格也较透明。2）控制器等电子设备：控制器相当于整个电动变桨系统的大脑，技术含量较高，基本被国外公司垄断，成为发展电动变桨系统主要的瓶颈之一。3）蓄电池：由于铅酸蓄电池构成UPS电源，国产渠道也较多，国产化比率高。4）位移传感器和接近开关：位移传感器和接近开关是安装在轴承内齿轮部位的主要检测装置，要求可靠性高、精准度好，也都是进口产品。5）电路：电路的国内渠道很多，质量也很好，其他的电器元件国内都有很成熟的渠道。然而值得一提的是电滑环，由于变桨矩系统对电滑环的要求比较高，因此，高性能的电滑环还值得关注的。总体来说，电动变桨系统的国内渠道较多，进行国产化的可能性也较大，厂商掌握起来也较容易，预计得到的推广也较快。相比较液压变桨系统国内现有的优势也比较明显。而且电动变桨矩系统与液压变桨系统相比具有更多的优点，不仅可实现独立变桨，还具有定位精度高的优势，且无温漂、调速范围大、无零漂、承载范围大、控制方便、动作滞后小、适应性强、配套简单，为大载荷变桨提供高精度的控制[26]。因此，本文选择的研究对象是基于独立驱动的电动变桨系统。2.7本章小结本章首先对风力发电机组的基本组成进行介绍，然后对变桨矩风电机组的空气动力学原理以及风切变、塔影效应等风速特性进行分析，得出结论:对于某一确定的桨矩角，存在唯一的CPmax；对于任意的情况，桨矩角为00时CP相对最大。随着桨矩角的增加，风轮受力明显减小，由此得出变桨矩风力发电电机组的功率调节原理：当风速低于额定值时，桨矩角在00附近，通过变速恒频技术实现最大风能捕获；当风速高于额定值时，调节桨矩角实现机组输出功率稳定在额定值附近。此外，本章对于变桨矩控制原理和系统的类型进行介绍，对比分析液压变桨和电动变桨的工作原理，得出结论：电动变桨矩伺服可以实现对单一桨叶进行控制，执行机构结构简单、可靠，充分利用有限的空间，实现分散布置，对于迅速发展的大型风电机组来说，更容易实施独立变桨矩调节方式，具有更好的应用前景。第三章变桨系统设备选型与硬件电路设计设备选型对任何一个系统来说都显得非常重要，因为它既决定了本系统的控制效果的优劣，又与经济性直接相关。由于本人还对风电的具体情况不是特别了解，在此，仅对变桨系统的伺服电机、控制器和控制算法进行了选择。还对变桨控制的两项技术和四类工况进行了论述，从而，设计了变桨矩控制系统的硬件电路。3.1变桨系统设备选型3.1.1伺服电机的选型风力发电机变桨系统伺服电机属于控制电机，常见的有感应电动机，无刷直流电动机，三相永磁同步电动机和步进电机四种，其各自特点[27]如表3.1所示下面是四种伺服电机的比较：表3.1伺服电机的种类和特点电机种类主要特点DC伺服电机高响应特性；高功率密度（体积小，重量轻）；可实现高精度数字控制；接触换相器件，需要维护。AC永磁同步伺服电机具有DC伺服电机的全部优点；无接触换相器件；需要磁极位置检测器AC感应伺服电机具有DC伺服电机的全部优点；对定子电流的激磁分量和转矩分量分别控制。步进电机转角与控制脉冲数成正比，可构成直接数字控制；有定位转矩；可构成廉价的开环控制系统。变桨伺服电机要求:根据驱动器指令运转，通过减速机带动桨叶回转轴承旋转，从而调节桨叶的转矩角；通过编码器将电机的位置信号反馈至驱动器。额定转速:和减速机配合能够以较快的速度转动桨叶，在迅速顺桨时使桨叶以7度每秒的速度顺桨，以确保风机安全。转矩:和减速机配合之后足以驱动桨叶转动。惯量:和减速机配合在风机起动和停止时能够满足惯量要求。额定功率:要和伺服驱动器相匹配。通常驱动器的功率略大于电机功率。带制动器。伺服电机内部自带有相应的变桨位置编码器。由于轮毂内空间限制，安装法兰至轴端尺寸应满足空间要求。根据风力发电机组对变桨电机的要求，结合电机自身的特点，选择交流永磁同步电动机(PMSM)作为变桨系统的执行电机。3.1.2控制器的选型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。S7-200PLC是家族中I/O点数最少、功能最精简的微型PLC产品，主要有以下特点：采用整体式I/O型与基本单元加扩展的结构，CPU、电源、输入输出安装于一体，结构紧凑、安装简单；编程指令、元件丰富，性价比高。算速度快，0.22毫秒能执行一条基本逻辑控制指令，可实现高速控制。均带有固定点数的高速计数输入和高速脉冲输出，输入/输出频率可以达到20-100kHz。S7-200PLC的CPU模块共有五种基本规格：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU224XP。S7-200PLC可以使用56条基本逻辑处理指令、11条定时器/计数器指令、4条实时钟指令、27条数学运算指令、84条其他指令，总计可达182条。CPU模块有4-6个高速计数指定输入端，用于转速、位置、速度等计数。CPU模块均集成1到2个串行通信接口，用于连接外部设备或组成PLC网络体系。图3.1为CPU226外观图：图3.1CPU226PLC外形图最新S7-200PLC除（CPU221）可由25中不同的扩展模块，来增加PLC的I/O点数以及功能，模拟量模块会增加PLC的温度、转速、位置等的测量与显示调节功能。通过与模块CP243-1来连接到工业以太网上，能通过远程编辑器，对PLC进行程序编辑、传送、状态监视、数据交换、存储、读取数据等。考虑到经济性，和功能的实现故选用S7-200PLCCPU226作为本系统的控制器。对应风速的两个运行范围，设计两个不同的控制器，风速在切入风速和额定风速之间变化时，以发电机转速作为控制输入量，根据转速传感器测得的转速信号，由PLC发出驱动信号，控制发电机转速变化，使得叶尖速比维持在最佳值不变，同时保持叶片桨矩角为00,使得风力机追踪最佳功率曲线，具有最高的风能转换效率。风速在额定风速和切出风速之间变化时，以发电机输出功率作为控制输入量，根据转速传感器测得的发电机转速信号，有PLC发出驱动信号，使得变桨矩机构动作来调节叶片桨矩角的变化，保持额定功率不变[28]。3.1.3各种传感器的选型功能1）液晶：开机，背光亮，显示风速值2）工作指示灯：正常运行时，绿灯闪烁。3）欠风速指示灯：当风速W≤Wmin时,黄灯亮，同时报警；4）过风速指示灯：当风速W≥Wmax时,红灯亮，同时报警；5）功能键：按此键，进入参数设置画面；此时光标在第一位数字上闪烁。6）数字键：在参数设置画面状态，按此键则光标闪烁位的数字增加1；连续按此键，可以设置所需要的数值。7）移位键：在参数设置画面状态，按此键，则光标在不同位数字之间切换；结合数字键，可以设置所需要的欠风速（）、过风速（）及回差值。图3.2风速仪平面图2．参数设置：a.按功能键功能键画面，c.设置好所有数值以后，按再按一下功能键：液晶显示主画面；到参数设置完毕。3．技术指标测量范围：风速：0～60M/S风向：0～3600精度:±0.3M/S±30工作电源：AC220V±20%50HZ，直流12V、5V可选。记录间隔：1分钟～60分钟连续可调通讯接口：RS-232工作环境温度：-40℃～50℃输出信号：4-20mA4．接线端子：表3.2风速仪接线表输入+5V5V接地输出+5V风速过风速欠风速123456当风速在一段时间内平均值大于25m/s时，风力发电机组可能出现超速和过载，为了机组的安全停机风速传感器给PLC一个脉冲信号这时风力发电机组必须进行大风脱网停机。风力发电机组先投入气动刹车，同时偏航900，等功率下降后脱网，20s后或者低速轴转速小于一定值时，抱机械闸，风力发电机组完全停止。当风速回到工作风速区后，风力发电机组开始恢复自动对风，待转速上升后，风力发电机组又重新开始自动并网运行，从而保证变桨系统的安全控制。5．特点FS10风传感器由风速传感器和风向传感器组成。风杯采用碳纤维材料，强度高，起动好。风向重锤采用附翼板，提高了动态特性。FS10风传感器互换性好、量程大、线性好、抗雷击能力强、工作可靠。二、功率传感器4、引脚定义表3.3功率传感器引脚引脚号名称描述1UAA相电压输入3UBB相电压输入5UCC相电压输入7UN电压输入，地9D+RS-485接口信号正极10D-RS-485接口信号正极11VCC正电源12GND电源负，地13IA-A相电压输入负端14AI+A相电压输入正端15IB-B相电压输入负端16IB+B相电压输入正端17IC-C相电压输入负端18IC+C相电压输入正端其他NC未连接、用于控制机械设备的行程及限位保护。当超过限定值撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。00限位开关和900限位开关，是限定叶片转过的角度，保证变桨过程不超过极限位置。行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。1、简介S1系列限位开关符合标准，开关的重要特征为结构牢实耐用，尤其适用于当机械操动力大的情况下满足实际中各种需求。速动式开关的触头组合形式有常开、常闭二类，其系统的特征为触头间电气绝缘。2、结构：a）常规，b）陶瓷绝缘，c）耐高温，外壳：铸铁，进行镀锌和镀铬处理，深蓝色图漆触头：纯银，双断点接触绝缘性：符合标准。3、参数：额定绝缘电压：a）380VAC，25-60Hz；b）和c）500VAC，25-60Hz。电流：16A工作电流：4A（380VAC）工作温度：a）和b）：-30＋90℃；c）-40＋200℃。优点：采用ML441限位开关用于风力发电机组变桨系统，一方面可以提供高精度的桨矩角，既可以作为变桨伺服电机的角度输入信号，也可作为冗余校验信号，同时还可作为变桨工作位置与顺桨极限位置指示。3.1.4控制算法的选择为了尽可能地最大捕获风能，国内外学者分别对风力机的风速、叶尖速比、桨矩角三者关系做了理论分析，提出了一种风能叶尖速比、桨矩角变化的优化算法，使得功率系数维持在最优值附近变化，从而获得最大风能。但是，他们都没有对风速的不同取值范围进行详细的研究，实际上只有切入风速和额定风速之间变化时才能得到最优功率系数。风速在额定风速和切出风速之间变化时，功率系数反而会随风速减小。为实现高精度控制，学者们还致力于研究更加有效的控制方法。（1）他们提出的有基于传统的PID参数进行在线实时调节。但是，由于BP网络和遗传算法自身的特点，不能获得良好的实时控制效果。（2）随着风力发电技术的发展，学者们在风电控制系统中引入了模糊控制，解决了风力发电系统的非线性问题和数学模型不确定问题。但是，模糊控制器自身消除系统稳态误差的能力较差，难以达到较高的控制精度。（3）他们而后将神经网络、非线性鲁棒控制应用到风力发电系统，神经网络适用于非线性系统，并且不需要精确的数学模型，通过自学习可以实现良好的控制效果，但由于控制算法计算量比较大，不能保证系统的实时性，不能在风速整个变化范围内都取得理想的效果。（4）他们又提出了一种变速变桨矩最大风能控制方式，风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制方式，追踪最大功率曲线，获得最大功率；风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨矩控制方式，调节桨叶桨矩角的变化，保持额定功率不变。但是该控制方式在变桨矩控制时的控制效果并不理想。[25]所以，本文采用PLC作为控制器，采用传统的PID算法来实现对变桨角的控制。对应风速的两个运行范围，设计两个不同的控制器，风速在切入风速和额定风速之间变化时，以发电机转速作为控制输入量，根据转速传感器测得的转速信号，由PLC发出驱动信号，控制发电机转速变化，使得叶尖速比维持在最佳值不变，同时保持叶片桨矩角为00,使得风力机追踪最佳功率曲线，具有最高的风能转换效率。风速在额定风速和切出风速之间变化时，以发电机转速作为控制输入量，根据转速传感器测得的发电机转速信号，有PLC发出驱动信号，使得变桨矩机构动作来调节叶片桨矩角的变化，保持额定功率不变。3.2变桨矩控制系统在变桨矩变速风力机组的控制技术中两项关键的控制技术起到了至关重要的作用：他们分别是最大风能捕获控制技术和恒功率控制技术。最大风能捕获控制技术是在风速低于额定风速时，调节发电机转子转速以追踪最佳叶尖速比，尽可能最大限度地捕获风能，同时通过控制励磁电流频率稳定发电机输出电能的频率。而恒功率控制技术是当风速高于额定风速时，由于风力发电机组自身机械电气强度的限制，以及电网对供电品质的要求，控制发电机输出功率稳定在额定功率左右，这就是恒功率控制。变速风力发电机组的一个重要运行特性就是运行工况随风速变化的切换特性，所以根据风速情况和风力机功率特性，可以将整个运行过程划分为四个典型工况。不同的工况控制目标不同，对变桨矩和励磁调节也各有侧重。第一个工况是启动并网阶段。此时风速应满足的条件是达到切入风速并保持一定的时间，风电机组解除刹车装置，由待机状态进入启动状态。第二个工况是最大风能捕获控制阶段。由于此工况下风速没有达到额定风速，发电机送入电网的功率必然小于额定值，所以这个工况下的控制目标是最大限度的利用风能，提高机组的发电量。因此，变桨矩控制系统此时只需将桨矩角设定在最佳风能吸收效率角度不变即可（即零度）。第三个工况为恒功率控制阶段。当风速超过额定，发电机的功率不断增大，此时变桨矩系统开始动作，增大转矩角，恒功率控制则以维持发电机输出功率的恒定。所以，恒功率控制阶段主要由变桨矩控制系统完成。第四个工况为超风速切出阶段。如果机组处于风速高于额定风速的恒功率阶段，风速不断增大到机组所能承受的最大风速，即切出风速，控制系统的控制目标就变成保护机组而使机组安全停机。变桨矩控制系统任务是使桨叶顺桨，以使风轮尽快减速，刹车系统也同时用于此目标，这样就完成了一个完整的风力发电机组全过程运行，全过程控制的功率输出如图4.3所示。图3.3变桨矩变速风电机组典型工况图根据最大风能捕获控制技术与恒功率控制技术，以及风机的四种运行工况的分析。对于常见的风力发电机来说，切入风速一般为3m/s，额定风速一般为12m/s，切出风速一般为25m/s。所以，在风速小于3m/s时，风机不运行，变桨矩系统为顺桨状态（即桨矩角为900），当风速大于3m/s小于12时，风机开始启动，变桨系统动作，桨矩角迅速调节到00，且保持不变。此时将发电机转速作为控制系统的控制量，在这个区域进行最大风能捕获控制，励磁控制系统根据风速变化进行相应的转速调节，确保风力机的风能利用系数始终保持为最大值CPmax，也称此区域为CP恒定区。当风速大于12m/s小于25m/s时，随着风速的增大，发电机的输出功率也相应的增大。这是就需要变桨矩系统动作，来增大桨矩角以维持输出功率的恒定。当风速大于25m/s时，风机由于机械部分的原因不得不停机。此时变桨系统应迅速动作，使力发电机处于顺桨状态。根据以上分析，可得出如图3.4所示的控制图。3.4由上述控制系统图，对变桨矩系统的硬件电路进行设计，利用风速传感器对风速进行测量并输入到PLC的模拟量输入模块以实现控制；利用发电机转速传感器对发电机的转速进行测量并输入到PLC的模拟量输入模块以实现控制；利用功率传感器对发电机的输出功率进行测量并输入到PLC的模拟量输入模块以实现控制。通过伺服电机内部的的位置传感器将变桨系统的对应桨矩角精确的测量出来，并输入到PLC的模拟量输入模块以实现PID控制；当风速大于系统切入风速小于额定风速时，将发电机转速作为控制量；当风速大于额定风速小于切出风速时，将发电机输出功率作为控制量。根据系统的输入量和输出量点数，本系统需要两片EM231与CPU226PLC级联，本系统通过控制三个独立的伺服电机的正反转来实现桨矩角的变化。还设有手动调节按钮，以及调试系统。系统故障指示，以保证系统安全运行。系统还备有紧急供电电源UPS系统。以保证系统在断电情况下也能安全的停机。设定伺服电机正转，为桨矩角从00到900的方向；伺服电机反转，为桨矩角从900到00的方向。具体变桨矩系统的硬件电路设计图见附录A。3.3本章小结本章主要叙述了硬件系统的设计，其中包括风力PLC的选型，伺服电机、几种传感器、控制算法的选型设计。PLC选型主要介绍了PLC的选取原则和本设计的I/O地址分配。硬件电路为变桨矩控制电路的设计，对原理图进行了相应的绘制，并对控制的原理及方法进行了详细的阐述。第四章变桨系统软件设计4.1PLC的介绍和选择4.1.1PLC的定义、特点及组成国际电工委员会（IEC）在颁发的可编程控制器标准草案中，对PLC的定义如下：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程系的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。定义强调了PLC是应直接运用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和运用范围，这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征；强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机，是专为在工业环境下运用而设计的工业计算机；强调了PLC与以往所讲的鼓式、机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。由于PLC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并规定的指令进行编程，所以能灵活地修改程序，即它是用软件方式来实现“可编程”的目的。现代工业生产过程是复杂多样的，他们对控制的要求也各不相同。PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎，那是因为它有如下许多优点：抗干扰能力强，可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易于使用；功能完善；设计、施工、调试的周期短；体积下，维护操作方便。[28]正是由于PLC有这些优点，所以在选择控制器时，选用了PLC可编程控制器。但可编程控制器不是单一型号和单一用途，所以必须对其各部件进行了解，从而做出选择。PLC是由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出单元、电源部分、扩展接口、通信接口、编程器等部件组成。下面对主要部件进行介绍：中央处理单元（CPU）：起“心脏”作用，一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映像寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映像寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。存储器：具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。输入/输出接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程是当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。PLC的继电器输出接口电路工作过程是当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。输出有三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载；晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载；晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载。编程器：分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序[28]。4.1.2PLC的基本工作原理一．PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式[29]：（1）每次扫描过程，集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。（2）输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。（5）扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。（6）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。二．PLC与继电器控制系统、微机区别：（1）PLC与继电器控制系统区别：前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。（2）PLC与微机区别：前者工作方式是“循环扫描”。后者工作方式是“待命或中断”。三．PLC编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。因为在本设计中运用的是梯形图语言进行编程，所以要对这语言进行了解。其中梯形图语言特点：（1）每个梯形图由多个梯级组成。（2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为1时，有假想的电流通过。（3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。（4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。（5）输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。4.1.3PLC主要部件的选择本设计采用S7-200，CPU为226，模拟扩展模块为两块EM231。226CPU：有24个数字输入点、16个数字输出点、可带7个扩展模块、4个模拟量扩展模块。EM231：有4个输入点。设备选型在变桨系统设备选型与硬件电路设计中作了详细介绍，在这就不多做介绍了。4.2编程条件设计当