风力发电机偏航系统控制.docx

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风力发电机偏航系统控制

摘要

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。

风力发电作为一种可持续发展的新能源，不仅可以节约常规能源，而且减少环境污染，具有较好的经济效益和社会效益，越来越受到各国的重视。

由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统，因此，控制技术是机组安全高效运行的关键。

偏航控制系统成为水平轴风力发电机组控制系统的重要组成部分。

风力发电机组的偏航控制系统，主要分为两大类：

被动迎风偏航系统和主动迎风系统。

前者多用于小型的独立风力发电系统，由尾舵控制，风向改变时，被动对风。

后者则多用大型并网型风力发电系统，由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。

本文设计是大型风力发电机组根据风速仪、风向标等传感器数据，对风、制动、开闸并确定起动，达到同步转速一段时间后，进行并网操作，开始发电。

本文介绍了风力机的偏航控制机构、驱动机构的基础上，采用PLC作为主控单元，设计了风电机组的偏航控制系统。

系统根据风向、风速传感器采集的数据，采取逻辑控制主动对风，实现了对风过程可控。

论文给出了基于风向标、风速仪的偏航控制系统的软硬件设计结果。

关键词：

风力发电机；风向标；偏航控制系统；驱动机构

第1章绪论

1.1课题的背景和意义

人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。

在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。

所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。

它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。

在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。

风能是一种干净的可再生能源。

太阳辐射对地球表面的不均匀性加热是风的主要成因。

空气从高气压区向低气压区流动就产生了风。

地球自转、公转的影响和地形、地貌的差异，加剧了空气流量和流向的变化，造成风速和风向的变化。

地球上大约有2%的太阳能被转化成风能。

风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。

风力发电的优越性可归纳为五点:

（1）风力发电是一种洁净的自然能源。

风能在转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污染。

风电没有常规能源及核电对环境造成的污染问题。

核电的放射性废料仍是一个较难解决的问题。

（2）风力发电技术不断进步，单机容量逐步增大，产品质量得到改善，可用率达到98%以上，是一种安全可靠的能源。

（3）由于技术进步和产品批量增加，风力发电的经济性日益提高，风电成本持续下降。

从表1.1可以看出，风力发电的成本己接近煤电，低于油电和核电。

若考虑煤电的环境污染和交通安全等问题，风电的经济性优于煤电。

（4）风力发电场建设周期短。

单台风力发电机组安装仅需几个星期，可多台同时安装，互不干扰。

建设一个风力发电场，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间；而煤电、核电的建设需要二至十年。

（5）风力发电占地面积少。

塔筒与监控、变电建筑仅占风电场约1%的土地，其余99%的场地可供农、林、牧使用。

由此可见，风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展受到世界各国政府的高度重视。

自从20世纪80年代现代并网风力发电机组问世以来，随着桨叶空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入风电场的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展;运行可靠性从20世纪80年代初的50%提高到98%以上;并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制;风电场发展空间更加广阔，已从内陆移到海上。

风电的迅猛发展已经形成了规模巨大的产业，因此它还可带动一批相关产业和产品的发展，对促进国民经济的发展具有重要的意义。

1.2国内风力发电的发展

在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。

这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。

另外在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。

目前我国的风能利用方面与国际水平还有一定差距，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。

新华社报道，截至2006年10月，内蒙古自治区克什克腾旗的风电装机容量达80160千瓦，占全国风电装机总容量的10.54%，年发电量达1.6亿千瓦时。

克什克腾旗风能资源十分丰富。

自1999年首批2台单机600千瓦风机投入运行以来，到2005年由大唐集团公司投资3.5亿元兴建的塞罕坝一期36台单机850千瓦风电机组投入运营，克什克腾旗规划的5个风电场已建成了4个，共装风机109台。

中国2004年电力新投产的装机容量破世界纪录，但同时全国却仍然发生大范围拉闸限电现象。

形成这种巨大反差的基本原因是，快速增长的电力供给赶不上更快速增长的电力需求。

沿海发达地区和西北地区都是我国风能资源分布的丰富区。

如果能够充分开发地区的风能优势则风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电力短缺的难题，在西北经济落后地区既可以提高当地人民生活水平，有可以增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度。

第2章风力发电机组系统组成及功能简介

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，发电机系统，控制系统，偏航系统，刹车系统等。

如图2.1所示。

图2.1风力发电机组结构总图

2.1风力机桨叶系统

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。

对于定桨距系统，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。

这一特点，给定桨距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。

由于叶尖部分处于距离轴的最远点，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。

对于变桨距系统，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。

2.2风力机齿轮箱系统

由于风轮转速与发电机转速之间的巨大差距，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）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。

2.3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。

图2.2所示为双馈异步感应发电机系统，通过轴承与齿轮箱机构联结。

图2.2双馈异步感应发电机系统结构图

2.4偏航系统

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。

2.6刹车系统

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。

2.8控制系统

风力发电机组控制系统的结构图如图2.9所示。

定桨距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，桨叶的节距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。

相对于定桨距风力发电机组来说，变桨距风力发电机组的液压系统也不再是简单的执行机构，作为变距系统，它自身是一个闭环控制系统，采用了电液比例阀或电液伺服阀，控制系统水平得到了极大的改善和提高，并逐渐发展成熟。

图2.3所示为风力发电机控制系统的结构，针对此控制系统，选用集散型或分布式工业控制计算机，是绝大多数风力发电机组选用的形式。

其优点是有各种功能的专用模块可供选择，可以方便地实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采焦信号讲行处理。

这样就避免了各类传感器和舱内执行机构与地面主控制器之间的通信线路及控制线路。

主控制器通过各类安装在现场的模块，对电网风况及风力发电机组的运行参数进行监控，并与其它控制模块保持通信，通过对各方面的情况进行综合分析后，发出控制指令，实现控制目的。

图2.3控制系统结构图

第3章偏航控制系统功能和原理

风力机的偏航系统由偏航控制机构和偏航驱动机构两大部分组成，偏航控制机构是风力机特有的伺