基于plc变桨系统的研究.docx

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基于plc变桨系统的研究

摘要

随着全球经济的发展和人口的增长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力。

风能作为一种蕴藏量丰富的自然资源因其使用便捷，可再生、成本低、无污染等特点，在世界范围内得到了较为广泛的使用和迅速发展，发展潜力巨大。

特别是随着风力发电控制技术和伺服控制技术的迅猛发展。

风能作为清洁的可再生资源受到全世界的重视，同时各国对变桨距风力机的设计、控制和运行已有完整的理论和方法，目前兆瓦级风力机已经是国际风电市场上的主流产品。

随着风力发电机组大型化，智能化的发展，风力机必须具有较高的可靠性、风能利用系数和不断优化的输出功率曲线，变桨距技术随之产生。

与定桨距控制技术相比，变桨距控制的优点是桨叶较为轻巧，桨距角可以随风速的大小而自动调节，因而能够尽可能更多的吸收风能，同时在高风速段保持平稳的功率输出。

关键词:

电动变桨系统；MotionPLC；交流伺服电机；CAN总线

Abstract

Withtheglobaleconomicdevelopmentandpopulationgrowth,humanityisfacingpressureonenergyutilizationandenvironmentalprotectionintwoways.Windpowerasanabundantreservesofnaturalresourcesforitseaseofuse,renewable,low-cost,nopollution,intheworldhasbeenmorewidelyusedandtherapiddevelopmentandhugedevelopmentpotential.Especiallywiththerapiddevelopmentofwindpowercontroltechnologyandservocontroltechnology.Windenergyasacleanandrenewableresourceattentionoftheworld,whilethecountriesofthevariablepitchwindturbinedesign,controlandoperationoftheexistingcompletetheoryandmethodscurrentlymegawattwindturbinehasbeenthemainstreamproductsintheinternationalwindpowermarket.Withlarge-scalewindturbine,intelligentdevelopment,windturbinemusthaveahighreliability,windenergyutilizationfactorandthecontinuousoptimizationoftheoutputpowercurve,pitchtechnologyfollow.Comparedwithfixedpitchcontroltechnology,theadvantagesofvariablebladepitchcontrolisrelativelylightweight,windspeedpitchanglecanautomaticallyadjustthesize,andthusabletoabsorbmorewindasmuchaspossible,whilemaintaininghighwindsegmentsmoothpoweroutput.

  Keywords:

electricpitchsystem;MotionPLC;ACservomotor;CANbus

第1章绪论

1.1.选题背景和意义

1.1.1环境的保护和新能源的发展能源

环境是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,风力发电己经从试验研究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效率提高可靠性和降低成本。

变桨距控制系统（variabzeitCheontrolSystem）.是提高风电系统效率和可靠性的重要手段之一,对风电系统全可靠运行有极其重要的作用。

变桨距控制是指安装在轮毂上的叶片可以借助控制技术改其桨距角的大小,从而改变叶片气动特性,使桨叶和整机的受力得到调整,从而保证风机恒功率输出和在特殊情况下安全顺桨。

1.1.2风力资源的利用和系统的国产化

变桨距风力发电机组有很多的优越性,变桨趴风力发电机组将会成为大型风力发电机组发展的主流。

而变桨距风力发电机组核心之一便是变桨距系统,其中的变桨距控制器也是非常重要,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能够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距风力发电机组是否能够安全的运行。

我国幅员辽阔,蕴藏这丰富的风力资源为了开发利用我国的风力资源,进一步掌握人型风力发电机组的核心技术,拥有自主知识产权的大型风力发电机组是必要的。

木课题对变桨距风力发电机组的变桨距控制系统进行研究,希望对我国变桨距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风力发电的发展过程

人类很早就开始利用风能,风力机最早出现在3000年前,人们用来碾米和提水第1台水平式风力发电机产生于十二世纪早期的风力发电机采用多桨叶,后来发展成了典型的三叶式。

风力发电机最旱是采川定桨距控制,到后期人们为了适应风速的小断变化和提高风能的利川率,研制出了变桨距控制风力发电机。

对于功率而言,早期的风力发电机都是以小功率为主,后来风力发电机逐渐往兆瓦级发展,目前国内研制的风力发电机功率可达5兆瓦。

早期风力发电机由于安装的原因,都是建造于陆地上的。

随着科技的进步,人们开始把风力发电机塔架建在了海上,称之为离岸风力发电机,把储量丰富的海上风能利用起来。

与此同时,离岸风力发电机对于风机的维护来讲无疑是增大了难度,所以要求内部元件的有高的可靠性和寿命,同时也在风机中增加了冗余系统。

1.3风力发电变桨控制系统国内外的研究现状

世界上的风力发电发展情况如下:

世界风电厂家VestaS,EnerCon,Gamesa,AeCiona,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60OKW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。

国内风力发电机主要采用变桨系统主要采用电动变桨系统。

主要有两力面原因:

1、国内风力发电机的生产技术主要是引进德国Repower,Nordex等少一家的技术这些公司主要采用的是电动变桨控制系统。

2、电动变桨系统技术相对简单,而且维护方便。

国内的主要风电制造厂家有:

金风,华锐,联合动力,广东明阳,上海电气,浙江运达等。

第2章风力发电变桨系统的原理和结构

2.1风力发电机的原理

风力发电机是将风能转换为机械能的动力机械,又把机械能转换为电能风力发电利用的是自然能源,是清洁能源。

但由于风能受到季节和地理环境的影响.供电的稳定性不如火力发电,所以风力发电有时视为备用电源,但是现在可以把风力发电和其他能源如太阳能发电一起互相补充,或者把风力发电场建立在风能丰富的海上,可克服其供电不稳的缺陷。

发电机组按照传动方式可分为直驱式发电机组和双馈发电机组直驱发电机技术近年来取得了较快的发展,但是目前双馈风力发电机组在行业中占有大部分市场装机容量以双馈风力发电机组为例,如图2-2

风力发电作为清洁能源已经在世界形成一股热潮,因为风力发电没有燃料问题,也不会产生辐射或空气污染。

风力发电已经进入到我们的生活当中,除了在风电场,马路边和公园里的路灯上,部分居民房顶上都能看到风力发电机。

图2-2双馈发电机原理图

2.1.1风力发电机的结构

以有齿轮箱双馈大型并网风力发电机组为例,风力发电机的组成有风轮,发电机与增速齿轮箱,偏航系统,变桨系统,变流系统,塔架。

1、风轮

风轮一般由叶片,轮毅,连接螺栓组件,盖板和导流罩组成.。

风轮是风力发电机关键的部件,是它把风能转变成机械能。

目前大多数风力发电机的风轮由三个叶片组成,虽然早期风力发电机都是有很多叶片,荷兰典型的风车也有4个叶片,到了后期,3叶片结构成为了风力发电机最经典的结构。

叶片的材料有木质,铝合金,玻璃钢等,现在的风机叶片都选用玻璃钢。

风轮在出厂前经过试装和静平衡试验,风轮的叶片不能互换,所以有的厂家在叶片与轮毅之问做了安装标记,组装时按标记固定叶片，在组装风轮时要注意叶片的旋转方向,一般都是顺时针方向，固定扭矩要严格按照厂商说明书的要求。

风轮的工作原理:

风轮旋转时,风轮产生的功率与空气的密度成正比,与风轮直径的平方成正比,与风速的立方成正比。

通常,风力发电机风的实际效率一般在O.35至0.45之间。

2、发电机与齿轮箱

双馈发电机电机的结构类似十绕线式感应电机,定子绕组也山具有固定频率的对称三相电源激励,所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励,一般采用交一交变频器或交一直一交变频器供以低频电流。

齿轮箱双馈发电机和直驱发电机最大的区别在于双馈发电机有齿轮箱而直驱发电机没有双馈风力发电机中,风轮轴通常要通过弹性联轴节和增速齿轮箱相连。

因为通常情况,风轮的转速较低时,不足以驱动发电机发电,所以要加一个增速环节。

3、偏航控制系统

风力机的偏航系统也称对风装置。

其作用在于当风能方向发生变化时,能够旋转风机,快速平稳地对准风向,以便风轮获得最大的风能。

大中型风力发电机一般采用电动偏航系统来调整风轮并使其对准风向。

偏航系统包括感应风向的风向标,偏航伺服电机,行星齿轮减速器,轴承和制动装置，解缆装置。

大多数风力发电机的发电机输出功率的同轴电缆在风力发电机偏航时和风扫同时旋转,为了防止偏航超出位移过大引起的电缆拧在一起或者拉断电缆,都要设置解缆装置,并增加扭缆传感器以监视电缆的扭转状态。

通常我们使用编码器和齿轮限位开关的串联工作来解决该问题。

4、变桨控制系统

通过调整风轮桨叶的节距角来提高风能的利用率,保证发电机以稳定功率输出,在切入风时能够迅速顺桨。

主要应用的变桨系统主要有一两种,一种是液压变桨,另一种是电机驱动变桨，液压变桨系统（HydrauliCPitChControlSysteln）的结构原理:

液压变桨系统由液压水泵站,控制阀块,液压油缸,蓄能器，和管路构成。

变桨控制器根据功率或者转速信号给出一个电压信号,再通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号,控制比例阀输出流量的大小和方向。

变桨距液压缸按比例阀输出的方向和流量操纵桨叶桨距角通常在-5到+88之间变化液压变桨系统的特点:

结构简单,元器件寿命长,但是容易存在漏油的情况,所以要求定期对液压