兆瓦級風電機組偏航系統(tǒng)的設計

1、兆瓦級風電機組偏航系統(tǒng)的設計自動化06-2 賀燁 指導教師 李愛蓮摘 要 風能是綠色能源。我國在風力發(fā)電上的投入和研究也正進入一個快速發(fā)展的時期。偏航控制一直未能取得有效的發(fā)展。針對這方面的問題，本論文展開了相應的設計。在設計過程主控制器選用了德國beckhoff的軟PLC，文中對其硬件模塊的組態(tài)和編程環(huán)境TwinCAT以及現(xiàn)場通訊協(xié)議Profibus-DP做了詳細介紹和設計說明。偏航電機的控制選用了西門子G120變頻器實現(xiàn)了變頻調(diào)速，在惡劣環(huán)境下減小了偏航系統(tǒng)的振動。運用TwinCAT編程軟件對偏航系統(tǒng)的四個部分：自動偏航、自動解纜、自動潤滑、人工偏航的程序進行了編寫。最后，在個人計算機進行

2、了編譯、下載和運行，在聯(lián)機模式下，通過TwinCAT實時可視化的畫面對各種狀態(tài)進行了模擬運行，該偏航系統(tǒng)在各種狀態(tài)下呈現(xiàn)出很好的控制效果。關鍵詞 風力發(fā)電；偏航控制系統(tǒng)；軟PLC Abstract Wind energy is a green energy. Wind power will fleetly develop in China,too. the technology for yaw system wasnt still developed for a long time.Therefore,aim at this subject,related research and desig

3、n will be reported in this thesis.Master controller used the German beckhoff soft PLC in the design process, Paper, the hardware modules to their configuration and programming environment TwinCAT and PROFIBUS-DP communication protocol site a detailed description and design specification. Electric mo

4、tor control yaw selected Siemens G120 frequency converter frequency control in harsh environments reduces the yaw system vibration. TwinCAT programming software using the four parts of the yaw system: automatic yaw, automatic Cable release ,automatic lubrication, artificial yaw program was written.

5、Finally, in the personal computer to compile, download and run, in online mode, real-time visualization by TwinCAT picture of the various state simulation run, the yaw system in various states shows good control effect.Key words Wind Power Generation; Yaw Control System; soft PLC前言能源是人類生存的基本要素，國民經(jīng)濟發(fā)

6、展的主要物質(zhì)基礎。由于化石資源的日益枯竭和人類對全球環(huán)境惡化的倍加關注，風力發(fā)電技術也隨之得到迅猛發(fā)展。偏航控制機構(gòu)是風力機特有的伺服系統(tǒng)，用于控制風電機組跟蹤變化的風向，并且當電纜發(fā)生纏繞時，能夠自動解纜的功能,并能夠定時潤滑偏航機械機構(gòu)。1 偏航控制系統(tǒng)硬件設計及選型風力機的偏航系統(tǒng)由偏航檢測機構(gòu)、偏航控制機構(gòu)和偏航驅(qū)動機構(gòu)三大部分組成，其中偏航檢測機構(gòu)包括：風傳感器、機艙位置傳感器；偏航控制機構(gòu)包括：偏航控制器、變頻器；機械驅(qū)動機構(gòu)包括：偏航軸承、偏航潤滑系統(tǒng)、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器。1.1偏航檢測機構(gòu)風向信號作為偏航控制系統(tǒng)中最關鍵的輸入信號，對其準確的測量將影響整個控制系統(tǒng)的性能。

7、風作為矢量，既有大小，又有方向，其測量包括風向和風速兩項。設計中測風感器采用的Thies Clima公司測風傳感器，風向傳感器型號：。風速傳感器型號：。由于風力機總是選擇最短距離最短時間內(nèi)偏航對風，由于風向的變化隨意性，風力機有可能長時間往一個方向偏航對風，這樣就會造成電纜的纏繞，如果纏繞圈過多，超過了規(guī)定值，將造成電纜的損壞。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，通常安裝有機艙位置編碼器。設計中采用了絕對值編碼器，選型為HEIDENHAIN公司ROQ425的絕對型多轉(zhuǎn)編碼器。1.2 偏航控機構(gòu)偏航控制平臺擁有四層結(jié)構(gòu),包括網(wǎng)絡層,主站層,從站層和現(xiàn)場層。網(wǎng)絡層通過TCP/IP協(xié)議可以實現(xiàn)遠程操作、資源共享

8、及網(wǎng)絡化;主站層由嵌入式PC、電源模塊 、現(xiàn)場總線模塊以及其他I/O模塊等組成，完成對整個系統(tǒng)的控制；從站層是智能化I/O模塊，帶內(nèi)置Profibus-DP接口的總線耦合器，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、控制信號輸出等功能;現(xiàn)場層由變頻器、偏航電機、風向傳感器及電磁閥等組成，完成物理量的檢測與變送、接收并執(zhí)行控制量、實現(xiàn)對偏航電機的控制。偏航控制平臺結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。控制器和通訊模塊配置數(shù)量如表1.1所示。表1.1 控制器和通訊模塊置表名稱型號數(shù)量控制器CX1020-00001PROFIBUS 現(xiàn)場總線主站接口CX1500-M3101電源模塊CX1100-00021數(shù)字量輸入模塊KL1408

9、1數(shù)字量輸出模塊KL21343總線耦合器BK31501安全總線端子模塊KL19041SSI 編碼器接口模塊KL50011模擬量輸入模塊KL31221總線末端模塊KL90102這些功能模塊可以通過現(xiàn)場總線Profibus-DP與上位機進行通信及數(shù)據(jù)交換；接收控制量，并將控制量送給控制對象的執(zhí)行機構(gòu)；采集現(xiàn)場過程值送入上位機運算，實現(xiàn)實時控制等功能。圖1.1 偏航控制平臺結(jié)構(gòu)圖為了使偏航系統(tǒng)達到很好的控制效果，為避免在不同的風速下風力發(fā)電機組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動而造成整機的共振，設計中選用的變頻器，實現(xiàn)了在不同風速下的變頻控制，風速與頻率對應的關系曲線如圖1.2圖1.2 風速與頻率對應的關系

10、曲線設計中選用了SINAMICS G120變頻器，該變頻器是一個由多種不同功能單元組成的模塊化變頻器。兩種主要的單元是：控制單元（CU）、功率模塊（PM）。在設計中選用CU240S DP-F型號的控制單元。功率模塊選用了PM240功率模塊具體型號為6SL3224-0BE31-5AA0。由于在偏航系統(tǒng)中采用Bonfiglioli公司4個100LB電磁抱閘一體化的三相異步電動機，額定電流為5.2A。在選擇變頻器時，依據(jù)電流相加計算，總電流 i=5.24=20.8A，考慮1.2倍的裕量 i=20.81.2=25A,同時考慮了輸出功率的問題，最終選擇型號為6SL3224-0BE31-5AA0的功率模塊

11、。同時，根據(jù)設計要求以及制動電阻的選型手冊，選用了選型為6SE6400-4BD16-5CA0的制動電阻。1.3 偏航驅(qū)動機構(gòu) 設計針對的偏航軸承采用的是回轉(zhuǎn)軸承是一種特殊結(jié)構(gòu)的大型軸承，必須定時給軸承潤滑。針對軸承的潤滑，設計了自動潤滑系統(tǒng)，其由潤滑泵、油脂分配器、潤滑小齒輪、潤滑管等組成如圖，主要用于偏航軸承滾道及齒面的潤滑，潤滑系統(tǒng)原理圖如圖1.3所示。選型：電機選用了單相交流電動機，為力士德YL8014型號的電機，額定功率：0.75kw； 額定電壓：220V ；額定電流：4A 額定轉(zhuǎn)速：1400rpm。圖1.3 自動潤滑系統(tǒng)原理圖偏航驅(qū)動裝置包括偏航電機和偏航減速齒輪機構(gòu)。偏航電機：為電

12、磁制動三相異步電動機，在三相異步電動機的基礎上附加一個直流電磁鐵制動器組成，電磁鐵的直流勵磁電源由安放在電機接線盒內(nèi)的整流裝置供給，制動器具有手動釋放裝置。偏航時，電磁剎車通電，剎車釋放。偏航停止時，電磁剎車斷電，剎車釋放將電機鎖死。附加的電磁剎車手動釋放裝置，在需要時可將手柄抬起剎車釋放。設計中選用了Bonfiglioli公司100LB電磁抱閘一體化的三相異步電動機。為了得到對稱的驅(qū)動扭矩，在設計中用四臺電機驅(qū)動偏航系統(tǒng)。通過行星齒輪減速機得到合適的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，由于偏航速度很慢，減速器傳動比很大，通常在1：1000左右，因此采用多級減速器，在設計中選用Bonfiglioli 700T系列

13、的711T行星齒輪減速機。 為了保證風力機停止偏航時不會因葉片受風載荷而被動偏離風向的情況，風力機上多裝有偏航制動器,在設計中采用了電磁抱閘制動和液壓制動兩套制動系統(tǒng)，以防止停止偏航時機艙被動偏離風向。液壓制動系統(tǒng)的原理圖如圖1.4所示。制動器在液壓驅(qū)動管路上一般裝有一個預壓閥，以使在松閘狀態(tài)時，制動液壓缸仍保持有很小的壓力，使偏航過程中仍有一定的阻力，以保證偏航的穩(wěn)定性。圖1.4 液壓制動系統(tǒng)的原理設計中機組選用用10臺制動器，每臺制動器由上下兩個閘體組成。剎車閘為液壓卡鉗形式，在偏航剎車時，電磁K1關閉，先導溢流閥溢流值設定為150bar的壓力，此時剎車盤約具有150bar的壓力，使剎車片

14、緊壓在剎車盤上，提供制動力。當需要偏航時，電磁閥K1得電打開，先導溢流閥維持在23 bar左右的一個設定值，產(chǎn)生一定的阻尼力矩，使偏航運動更加平穩(wěn)，減小機組振動。液壓泵電機為三相異步電機，品牌：恒碩 ；型號：Y80M2 ；電流：2.5 A ； 極數(shù)：2 ；額定轉(zhuǎn)速：2830 r/min ； 額定功率：1.1KW 。電磁抱閘制動有兩部分組成：閘片部分和電磁部分，原理圖如1.5所示，安裝在電動機的主軸上，當需要偏航時，電磁部分通電閘片松開，停止偏航時電磁線圈斷開，閘片抱住電動機主軸進行制動。在設計中也選用Bonfiglioli的抱閘系統(tǒng)，該抱閘系統(tǒng)通過整流模塊線圈最終得到24V的直流電來開啟閘片。

15、同時在閘片上聯(lián)動了一個常開開關，將電磁抱閘分合狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)，來確保電機在電磁抱閘打開情況下啟動運轉(zhuǎn)，使設備的安全性和可靠性得到大大提高。圖1.5 電磁抱閘制動原理圖2 風力機偏航軟件設計風力機偏航控制系統(tǒng)工作原理是通過測風傳感器檢測風向、風速，并將檢測到的風向信號送到控制器。當需要調(diào)整方向時，控制器發(fā)出信號給偏航驅(qū)動機構(gòu)，以調(diào)整機艙的方向，達到對準風向的目的，偏航控制系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。2.1典型的偏航控制系統(tǒng)框圖為了實現(xiàn)這樣的伺服控制，通過對整個偏航系統(tǒng)的控制過程進行分析。偏航系統(tǒng)的控制過程可以分為：自動潤滑、自動解纜、人工偏航、自動偏航。2.1測量值濾波由于大自然中風的隨機性，風

16、傳感器的測量值隨機干擾很大，為了消除干擾，保證系統(tǒng)的可靠性，綜合考慮各種濾波的優(yōu)缺點，設計中選用了一階滯后濾波法，器程序設計如下（結(jié)構(gòu)文本語言編寫）函數(shù)體：out := (old_value * (1.0 - ( 1.0 / time_factor) + ( in / time_factor) ;old_value := out ;根據(jù)風向和風速的特性和經(jīng)驗值，在調(diào)用該函數(shù)塊濾波時，風向測量值的濾波平滑系數(shù)取300，風速測量值的濾波平滑系數(shù)取60。2.2主程序主程序流程圖如圖2.2所示,主程序采用了連續(xù)功能圖（CFC）編寫，具體程序如圖2.3所示。圖2.2 主程序流程圖圖2.3 主程序2.3自

17、動潤滑風電發(fā)電機組因其工作環(huán)境和設備運行方式的特殊性，對機組的潤滑提出了較高的要求。自動潤滑系統(tǒng)通過油脂潤滑泵定時定量的將偏航潤滑油脂以及偏航小齒潤滑脂連續(xù)的輸入軸承及偏航齒輪外齒面，最終到達連續(xù)潤滑效果，避免了手動潤滑的間隔性以及潤滑不均問題（過潤滑，欠潤滑）的產(chǎn)生。只有這樣才能使風力發(fā)電機組在惡劣多變的復雜工況下長期保持最佳運行狀態(tài)。本設計的自動潤滑系統(tǒng)控制流程圖如圖2.3所示。執(zhí)行自動潤滑的步驟： 潤滑計時及計算潤滑偏航的停止位置程序在程序設計時，潤滑時間可以自由設定，從上次執(zhí)行潤滑時開始計時，計時時間到，啟動潤滑系統(tǒng)，潤滑時間從新計時。在執(zhí)行潤滑時，若機艙位置0；潤滑偏航停止位置=機艙

18、位置-355；反之，潤滑偏航停止位置=機艙位置+355。圖2.3 自動潤滑控制流程圖 判斷是否需要潤滑當風力發(fā)電機組自動運行時，設定自動潤滑時間，在機組運行過程中，從上次潤滑開始計時，若機組運行時間大于潤滑設定時間，此時機組需要潤滑.若機組運行時間運行時間+120h, 此時機組必須潤滑。 判斷是否滿足潤滑的條件當機組需要潤滑時，且風速在8m/s以下，將自行自動潤滑程序；當機組必須潤滑時，且風速在16m/s以下，將自行自動潤滑程序。 開始自動潤滑當機組滿足潤滑條件時，運行時間置零從新計時、屏蔽自動解纜和自動偏航，根據(jù)機艙的具體位置，判斷潤滑是的偏航方向以及計算潤滑結(jié)束時停車的位置，啟動偏航電機，

19、當?shù)玫狡诫姍C運行的反饋信號后，啟動潤滑電機，同時打開潤滑電磁閥。2.3自動偏航該過程是以風向傳感器輸出為基準，當風向改變超過允許誤差范圍時，控制器發(fā)出自動偏航指令。自動偏航系統(tǒng)控制流程圖如圖2.4所。圖2.4 自動偏航控制流程圖控制過程如下： 連續(xù)一段時間檢測風向情況，為了達到很好的控制效果，在不同的角度差值下設置不同的延時時間，如控制流程圖所示，根據(jù)風向傳感器信號給出偏航控制指令。當=1800，表明機艙已處于準確對風位置，若17101890，屬于誤差范圍之內(nèi)，偏航系統(tǒng)將不對稱做出任何調(diào)節(jié)。差值大于250時延時20s執(zhí)行自動偏航動作；差值小于250大于150時延時50s執(zhí)行自動偏航動作；差值

20、小于150時延時90s執(zhí)行自動偏航動作，這樣實現(xiàn)了大角度快速執(zhí)行，小角度精確檢測執(zhí)行。在此基礎上，若1800表明機艙相對風向標有一個向右偏離的夾角，偏航電機啟動，機艙右偏自動對風。若1800表明機艙相對風向標有一個向左偏離的夾角，偏航電機啟動，機艙左偏自動對風。圖2.5 自動解纜控制流程圖2.4自動解纜由于風向的不確定性，風力發(fā)電機就需要經(jīng)常偏航對風，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會隨風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動而扭轉(zhuǎn)。如果風力發(fā)電機多次向同一方向轉(zhuǎn)動，就會造成電纜纏繞，絞死，甚至絞斷，因此必須設法解纜。在設計中，根據(jù)電纜的特性和機組的運行環(huán)境，當其某個方向達到5800時，若此時風速小于

21、3m/s，即風機組不運行時，系統(tǒng)將自動解纜，此時啟動偏航電機向相反方向轉(zhuǎn)動纏繞圈數(shù)解纜，將機艙返回電纜無纏繞位置。當其某個方向達到8000時，無論機組是否運行，機組都將執(zhí)行自動解纜。若因故障，自動解纜未起作用，風力發(fā)電機組方向達到9000極值時，紐纜開關將動作，此開關動作將會觸發(fā)安全鏈動作，向中心控制器發(fā)出緊急停機信號和不可自復故障信號，等待進行人工解纜操作，自動解纜的程序流程圖如圖2.5所示。 人工偏航人工偏航是指在自動偏航失敗、人工解纜或者是在需要維修時，通過人工指令來進行的風力發(fā)電機偏航措施，程序流程圖如圖2.6所示。圖2.6 自動解纜程序流程圖人工偏航控制過程如下：首先檢測人工偏航起停信號。若此時有人工偏航信號，清除其他偏航控制標志；然后讀取人工偏航方向信號，松偏航閘，控制偏航電機運轉(zhuǎn)，執(zhí)行人工偏航。直到檢測到相應的人工偏航停止信號出現(xiàn)，停止偏航電機工作，抱閘，清除人工偏航標志，在設計中，人工偏航和自動相關程序相互獨立，程序嵌套在主程序中。3仿真設計中使用