風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳矩控制系統(tǒng)的研究

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳矩控制系統(tǒng)的研究摘要由于石油資源的日益枯竭和人類對全球環(huán)境惡化的倍加關(guān)注，風(fēng)能作為可再生綠色能源以其突出的優(yōu)點(diǎn)成為全世界普遍重視的能源。風(fēng)能開發(fā)的重要性已無可爭辯，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也隨之得到迅猛發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動力學(xué)、機(jī)械、電機(jī)學(xué)和自動控制理論等綜合性的學(xué)科。而進(jìn)行大規(guī)模風(fēng)能開發(fā)首先必須解決一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳矩控制是一個極具挑戰(zhàn)性的控制問題，對其進(jìn)行深入研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過閱讀大量國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理，論文首先對變槳矩驅(qū)動裝置的選擇進(jìn)行比較，最終確定本變槳矩控制系統(tǒng)采用獨(dú)立電動變槳的方式。分析了風(fēng)力電機(jī)的空氣動力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同風(fēng)速段下的控制策略。由于PID控制穩(wěn)定性好、控制算法簡單、響應(yīng)速度快且能實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，論文采用PID控制算法。由于PLC在工業(yè)控制上有許多優(yōu)勢，且價格合理，綜合各方面因素，本文選擇S7-200作為控制器。隨后，設(shè)計了基于PID控制的變槳矩控制器的控制框圖和硬件電路圖?；赩4.0STEP7MicroWINSP6軟件設(shè)計了變槳矩控制器相應(yīng)的軟件。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；電動變槳矩控制；變速恒頻；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

目錄TOC\o"1-3"\f\h\z摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1論文的研究背景和意義 11.1.1論文的研究背景 11.1.2選題的意義 21.2風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 21.3本論文主要工作 3第二章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成、基本理論與變槳矩系統(tǒng) 42.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成 42.1.1槳葉系統(tǒng) 52.1.2齒輪箱系統(tǒng) 62.1.3發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 72.1.4控制系統(tǒng) 72.1.5偏航系統(tǒng) 82.1.6塔架 92.1.7制動系統(tǒng) 92.1.8UPS供電系統(tǒng) 92.2空氣動力學(xué)原理 102.2.1葉素理論 102.2.2風(fēng)能計算 102.2.3風(fēng)能利用系數(shù)與貝茲理論 112.3風(fēng)速特性分析 142.3.1風(fēng)切變效應(yīng) 142.3.2塔影效應(yīng) 142.4變槳矩風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài) 152.4.1啟動狀態(tài) 152.4.2欠功率狀態(tài) 162.4.3額定功率狀態(tài) 162.5變槳矩系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 172.5.1變槳矩調(diào)節(jié)原理 172.5.2變槳矩系統(tǒng)分類 192.6風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳矩驅(qū)動裝置比較和選擇 212.6.1液壓變槳與電動變槳技術(shù)比較 212.6.2液壓變槳與電動變槳供應(yīng)鏈分析 222.7本章小結(jié) 24第三章變槳系統(tǒng)設(shè)備選型與硬件電路設(shè)計 253.1變槳系統(tǒng)設(shè)備選型 253.1.1伺服電機(jī)的選型 253.1.2控制器的選型 263.1.3各種傳感器的選型 273.1.4控制算法的選擇 313.2變槳矩控制系統(tǒng) 323.3本章小結(jié) 35第四章變槳系統(tǒng)軟件設(shè)計 364.1PLC的介紹和選擇 364.1.1PLC的定義、特點(diǎn)及組成 364.1.2PLC的基本工作原理 384.1.3PLC主要部件的選擇 394.2編程條件設(shè)計 394.3控制流程圖設(shè)計 424.4變槳矩系統(tǒng)程序設(shè)計 43第五章總結(jié)與展望 44參考文獻(xiàn)： 45附錄A 47附錄B 53致謝 70第一章緒論1.1論文的研究背景和意義1.1.1論文的研究背景在21世紀(jì)的今天，能源、環(huán)境已成為人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題，常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主。它不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的大氣污染。因此，對可再生能源的開發(fā)利用受到世界各國的高度重視。日前風(fēng)能是具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源之一。從全球范圍來看，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)從試驗研究階段迅速發(fā)展為一項成熟技術(shù)。現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要包括進(jìn)一步提高可靠性、提高效率和降低成本。中國擁有著遼闊的地域、狹長的海岸、風(fēng)能資源極其豐富。根據(jù)不完全數(shù)字統(tǒng)計，在全國陸地上風(fēng)能的技術(shù)可開發(fā)量共計約2.53億千瓦（根據(jù)地面以上10m高度的風(fēng)力資料計算得出），在海上可開發(fā)利用的風(fēng)能資源約7.5億千瓦，風(fēng)能資源的總量高達(dá)10億千瓦，所以我國開發(fā)和利用風(fēng)能的潛力非常大[1]。截止到2008年12月底，全球的風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量已經(jīng)超過了2.2億千瓦；國內(nèi)已有25個省、市、自治區(qū)已具有風(fēng)電裝機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總的裝機(jī)容量達(dá)到6500萬千瓦。《全球風(fēng)能展望2010》報告稱，2010年，在每3臺安裝完成的風(fēng)電機(jī)組中，就有1臺安裝在中國。到2020年，中國的風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量有可能達(dá)到現(xiàn)在的10倍，屆時風(fēng)力發(fā)電可解決全球約12%的電力需求量，到2030年可達(dá)到22%。隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性越來越突顯；于是風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的可靠性有了大大的提高；再加上擁有高的風(fēng)能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線；進(jìn)而由于葉輪的重量有所減輕，因此風(fēng)力機(jī)的受力狀況有了極大的改善，這就使風(fēng)力機(jī)在不同的風(fēng)速下運(yùn)行時，始終保持著最佳的轉(zhuǎn)換效率，從而獲得最大的輸出功率，提高風(fēng)能利用率。當(dāng)前，單機(jī)容量越來越大，兆瓦級別的機(jī)組占據(jù)了主要位置，變槳矩技術(shù)已經(jīng)成為了風(fēng)電的發(fā)展趨勢。1.1.2選題的意義變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很多的優(yōu)越性，變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將會成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展的主流[2]。而變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心之一就是變槳矩系統(tǒng)，其中的變槳矩控制器是非常重要的，合理控制槳葉角度，在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時與變速恒頻技術(shù)結(jié)合以最大限度的獲取能量，在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時能夠得到穩(wěn)定的功率輸出?？刂破髟O(shè)計的是否合理直接關(guān)系到變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否能夠正常、可靠、安全的運(yùn)行。我國幅員遼闊，蘊(yùn)藏著豐富的風(fēng)力資源。為了開發(fā)利用我國的風(fēng)力資源，應(yīng)盡快研制生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電設(shè)備，以減少對進(jìn)口設(shè)備的依賴，降低風(fēng)電的制造成本對我國的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。本課題對變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳矩控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，希望對我國變槳矩控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化提供有益參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電發(fā)展到20世紀(jì)80年代，風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)還比較少，技術(shù)也不夠成熟，發(fā)展到90年代中期，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，設(shè)計、制造技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品進(jìn)入商品化階段，功率等級從幾十千瓦到幾百千瓦，逐漸發(fā)展為兆瓦級。同時，也對風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用，而且風(fēng)電場的建設(shè)和管理水平以及規(guī)模也上升到嶄新的階段。國外最早的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采用定槳矩系統(tǒng)[3]。國內(nèi)如新疆金風(fēng)科技早期主要研發(fā)和制造定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)。對于定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用系數(shù)高，而當(dāng)風(fēng)速接近額定點(diǎn)，風(fēng)能利用系數(shù)開始大幅度下降，這時隨著風(fēng)速的升高，功率上升己趨緩，而過了額定點(diǎn)后，槳葉已開始失速，風(fēng)速升高，功率反而有所下降。所以定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對風(fēng)能利用效率不高。目前世界上風(fēng)力發(fā)電機(jī)上大多采用變槳矩控制系統(tǒng)。其特點(diǎn)是:變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個葉片攻角在一定范圍繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片攻角在一定范圍內(nèi)(一般為00一900)變化，以調(diào)節(jié)輸出功率不超過設(shè)計的容許值[4]。變槳系統(tǒng)按照原理有分為電動變槳和液壓變槳兩種，主要是動力不一樣，電動變槳用伺服電機(jī)驅(qū)動，液壓變槳用液壓缸驅(qū)動。世界上的風(fēng)力發(fā)的廠家和發(fā)展情況如下:世界風(fēng)電廠家Vestas，Aeciona，Enercon，Gamesa，Dewind，GE，三菱重工等。Vestas所占份額最大，超過百分之三十，他連同Gamesa都主要采用液壓變槳系統(tǒng)[5]。其余的廠家多采用電動變槳系統(tǒng)。我國早在上個世紀(jì)七八十年代開始研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，但直到90年代，風(fēng)力發(fā)電才真正從科研走向市場。初期研制成功的主要是額定功率為600KW以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，近年來開始研制兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并且已經(jīng)取得成功，其制造技術(shù)已基本掌握。雖然我國近幾年風(fēng)電發(fā)展快，但是相比國外，我國在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)上的研究比較落后。主要是工藝技術(shù)落后，零部件以及大容量的風(fēng)力發(fā)電裝置大多數(shù)依靠進(jìn)口，因此，我國風(fēng)電行業(yè)有很長的路要走。1.3本論文主要工作隨著常規(guī)能源的消耗越來越大，越來越多的國家都在加快風(fēng)力發(fā)電的步伐，尤其是中國這樣的大國，能源消耗特別大，所以要積極開發(fā)新能源、綠色能源。由于我國風(fēng)力發(fā)電起步慢，技術(shù)相對落后，在加快發(fā)展規(guī)模的同時，要引進(jìn)國外技術(shù)，學(xué)習(xí)歐洲國家的先進(jìn)技術(shù)。隨著我國對風(fēng)電的越來越重視，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將會快步前進(jìn)。從發(fā)展趨勢來看，風(fēng)力機(jī)將會向單機(jī)容量大、變槳矩、變速恒頻和智能控制等方向發(fā)展。本文的主要研究工作有以下幾點(diǎn)：1）查閱大量相關(guān)風(fēng)力發(fā)電的國內(nèi)外相關(guān)資料，了解風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢和最新動態(tài)。2）討論了電動變槳矩系統(tǒng)與液壓變槳矩系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，對獨(dú)立變槳矩和統(tǒng)一變槳矩進(jìn)行了分析。3）對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動力學(xué)特性進(jìn)行分析，確定不同風(fēng)速段的不同控制策略。4）變槳矩控制系統(tǒng)設(shè)備選型，基于S7-200PLC采用PID算法控制設(shè)計了控制框圖和硬件電路圖，及其控制程序。5）對本次設(shè)計進(jìn)行思考和總結(jié)。第二章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成、基本理論與變槳矩系統(tǒng)隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量的不斷增大，在額定風(fēng)速下能提高捕獲風(fēng)能效率，在額定風(fēng)速以上能保持額定功率穩(wěn)定輸出成為迫切需要解決的問題。變槳矩調(diào)速方式和變速恒頻技術(shù)，在捕獲風(fēng)能效率和穩(wěn)定輸出功率等問題上顯示出優(yōu)勢，逐漸占據(jù)了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的主導(dǎo)地位。變槳矩控制是保持功率穩(wěn)定輸出的主要手段，因此本章介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成，基于風(fēng)機(jī)空氣動力學(xué)原理、變槳矩系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)，以及變槳矩風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳矩驅(qū)動裝置比較和選擇，為本文的變槳矩控制提供了理論基礎(chǔ)。2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)有常見的幾種結(jié)構(gòu)形式如異步感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。目前研究最多的也是雙饋感應(yīng)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，采用雙饋電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有風(fēng)能利用系數(shù)高，能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動以避免主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力，以及可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)等但無論哪種結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)基本包括以下幾個組成部分：風(fēng)力機(jī)槳葉系統(tǒng)，齒輪箱系統(tǒng)（永磁直趨式風(fēng)力發(fā)電機(jī)則無齒輪增速箱，見圖2.1所示）發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)，剎車系統(tǒng)等。[6]圖2.1永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)2.1.1槳葉系統(tǒng)風(fēng)輪是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部件，風(fēng)以一定的速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，進(jìn)而通過增速器驅(qū)動發(fā)電機(jī)。風(fēng)能是隨機(jī)性能源，當(dāng)風(fēng)力變化時，風(fēng)力機(jī)軸上輸出功率也將隨之發(fā)生變化，因此如何調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的輸出功率對并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言是十分重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于水平軸風(fēng)力機(jī)，功率調(diào)節(jié)方式可分為兩類，即變槳矩功率調(diào)節(jié)與定槳矩失速功率調(diào)節(jié)。(1)定槳矩系統(tǒng)對于定槳矩系統(tǒng)，其槳葉與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之改變。就是根據(jù)計算所得的實(shí)際安裝角將其固定到輪轂上，不能變動葉片安裝角。這一特點(diǎn)，給定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提出了兩個必須要解決的問題，一是當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)輪額定風(fēng)速時，槳葉必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，因為風(fēng)力機(jī)上所有材料的物理性能是有限度的。稱槳葉的這一特性為自動失速性能。二是運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在突然失去電網(wǎng)的情況下，槳葉自身必須具備制動能力，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在大風(fēng)情況下安全停機(jī)。為解決這樣的問題，制造商家通過改善葉輪的制造材料，采用加強(qiáng)玻璃塑料、碳纖維強(qiáng)化塑料、鋼和鋁合成。另外在槳葉尖部安裝葉尖擾流器，在需要制動時打開。由于葉尖部分處于矩離軸的最遠(yuǎn)點(diǎn)，整個葉片作為一個長的杠桿，擾流器產(chǎn)生的氣動阻力相當(dāng)高，足以使風(fēng)力機(jī)在幾乎沒有任何磨損的情況下迅速減速，這一過程即是槳葉空氣動力剎車。(2)變槳矩系統(tǒng)就是葉片用可轉(zhuǎn)動的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個葉片可同步轉(zhuǎn)動以改變?nèi)~片的安裝角，即同步改變?nèi)~片的迎角以滿足不同的風(fēng)速條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到最大功率。隨著風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量的不斷增加，風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率和可靠性的不斷改善，大中型風(fēng)力機(jī)的葉片材料逐漸由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維。[7]2.1.2齒輪箱系統(tǒng)由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉的轉(zhuǎn)速達(dá)不到發(fā)電機(jī)所需的同步轉(zhuǎn)速，這就需要增速齒輪箱。增速箱的低速軸接槳葉，高速軸連接發(fā)電機(jī)（直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)則沒有齒輪箱機(jī)構(gòu)）齒輪箱系統(tǒng)的特點(diǎn)是：（1）低速軸采用行星架浮動，高速軸采用斜齒輪（螺旋齒輪）浮動，這種兩級或者三級的復(fù)合齒輪形式，使結(jié)構(gòu)簡化而緊湊，同時均載效果好。（2）輸入軸的強(qiáng)度高、剛性大、加大支承，可承受大的徑向力、軸向力和傳遞大的轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電的要求。在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)的極數(shù)愈多，增速箱的傳動比就可以越小。國外一般采用2-4極的發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計通常要求在無人值班運(yùn)行條件下工作長達(dá)20年之久，因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗。近年來國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障率最高的部件當(dāng)數(shù)齒輪箱，而齒輪箱的故障絕大多數(shù)是由于軸承的故障造成。在齒輪箱的使用中，應(yīng)根據(jù)使用地點(diǎn)的不同添加潤滑油冷卻或加溫機(jī)構(gòu)，以確保齒輪箱的潤滑，增加其使用壽命。與傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相比，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)取消了沉重的增速齒輪箱，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和可利用率，降低了制造和維護(hù)成本，減小了機(jī)械效率損失，提高了運(yùn)行效率。開發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是我國日后風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造的趨勢之一。圖2.2示為1.5WM風(fēng)力機(jī)齒輪箱結(jié)構(gòu)圖。該齒輪箱系統(tǒng)是一個3級行星/螺旋（斜齒輪）復(fù)合機(jī)構(gòu)。圖2.2齒輪箱結(jié)構(gòu)圖2.1.3發(fā)電機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)今，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量越來越大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的發(fā)電機(jī)一般采用異步發(fā)電機(jī)，對于定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機(jī)，這一方案不僅解決了低功率時發(fā)電機(jī)的效率問題，而且還改善了低風(fēng)速時的葉尖速比。由于繞線式異步發(fā)電機(jī)有滑環(huán)電刷，這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)在風(fēng)力發(fā)電惡劣的運(yùn)行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。所以，有些風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用無刷雙反饋電機(jī)，該電機(jī)定子有兩套極數(shù)不同的繞組，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，無須滑環(huán)與電刷，可靠性高。目前，這種發(fā)電機(jī)形式成為各風(fēng)電制造廠商生產(chǎn)的主流形式。但對于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，采用的是永磁同步發(fā)電機(jī)形式。這種直接驅(qū)動式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于沒有齒輪箱，零部件數(shù)量相對傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組要少得多。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在我國是一種新型的產(chǎn)品，但在國外已經(jīng)發(fā)展了很長時間。目前我國在直驅(qū)式風(fēng)機(jī)中系統(tǒng)的研究相對傳統(tǒng)機(jī)型較少，但開發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也是我國日后風(fēng)機(jī)制造的趨勢之一。圖2.3為雙反饋異步感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)，通過軸承與齒輪箱機(jī)構(gòu)連接。圖2.3雙反饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1.4控制系統(tǒng)與一般工業(yè)控制過程不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)狀況和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，而且還要根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電量。定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問題和運(yùn)行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動力剎車技術(shù)、偏航與自動解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要解決的最基本的問題。定槳矩風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制的，槳葉的節(jié)矩角在安裝時已經(jīng)固定；發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速則是由電網(wǎng)頻率限制。所以，在允許的風(fēng)速范圍內(nèi)，該形式的控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對由于風(fēng)速的變化引起輸出量的變化是不作任何控制的。變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，則在控制性能方面，大大改善，不但在起動時可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，在并網(wǎng)后則可對功率進(jìn)行控制。相對于定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)也不再是簡單的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作為變矩系統(tǒng)，它自身是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了電液比例閥或驅(qū)動電機(jī)，控制系統(tǒng)水平得到了極大的改善和提高，并逐漸發(fā)展成熟。使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。2.1.5偏航系統(tǒng)由于風(fēng)向經(jīng)常改變，偏航系統(tǒng)是用來調(diào)整風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與空氣流動方向相對位置的機(jī)構(gòu)，因為當(dāng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時，風(fēng)力機(jī)從流動的空氣中獲取的能量最大，因而風(fēng)力機(jī)的輸出功率最大。風(fēng)向標(biāo)是偏航系統(tǒng)的傳感器，將風(fēng)向信號發(fā)給控制器，經(jīng)過與機(jī)艙的方位進(jìn)行比較后，發(fā)出指令給偏航電機(jī)，驅(qū)動小齒輪沿著與塔架頂部固定的大齒圈移動，經(jīng)過偏航軸承使機(jī)艙轉(zhuǎn)動，直到機(jī)艙對準(zhǔn)風(fēng)向后停止。自然界中的風(fēng)是一種不穩(wěn)定的資源，它的速度與風(fēng)向是不定的。由于風(fēng)向的不確定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就需要經(jīng)常偏航對風(fēng)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動而扭轉(zhuǎn)。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shè)法解纜。不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要解纜時的纏繞圈數(shù)都有其規(guī)定。當(dāng)達(dá)到其規(guī)定的解纜圈數(shù)時，系統(tǒng)應(yīng)自動解纜，此時啟動偏航電機(jī)向相反方向轉(zhuǎn)動纏繞圈數(shù)解纜，將機(jī)艙返回電纜無纏繞位置。若因故障，自動解纜未起作用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也規(guī)定了一個極值圈數(shù)，在紐纜達(dá)到極值圈數(shù)左右時，紐纜開關(guān)動作，報紐纜故障，停機(jī)等待人工解纜。在自動解纜過程中，必須屏蔽自動偏航動作。2.1.6塔架用來支撐風(fēng)力機(jī)及機(jī)艙內(nèi)各種設(shè)備，并使之離開地面一定高度，以使風(fēng)力機(jī)能處于良好的風(fēng)況環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)風(fēng)力機(jī)容量的大小，塔架可以制成實(shí)心鐵柱式，也可以制成鋼材塔架結(jié)構(gòu)或柔性塔架。2.1.7制動系統(tǒng)其功能是當(dāng)風(fēng)力機(jī)需要停止運(yùn)轉(zhuǎn)或在大風(fēng)時使風(fēng)力機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)以達(dá)到維修或保護(hù)風(fēng)力機(jī)的目的。在小型風(fēng)力機(jī)中多采用機(jī)械抱閘剎車方式實(shí)現(xiàn)制動停車，可以手動也可自動實(shí)現(xiàn)停車;在大中型風(fēng)力機(jī)中多采用液壓或電氣制動方式實(shí)現(xiàn)抱閘停車。2.1.8UPS供電系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組離開電網(wǎng)的支持是無法工作的，一旦有突發(fā)故障而停電時，控制計算機(jī)由于失電會立即終止運(yùn)行，并失去對風(fēng)機(jī)的控制，控制葉尖氣動剎車和機(jī)械剎車的電磁閥就會立即打開，液壓系統(tǒng)會失去壓力，制動系統(tǒng)動作，執(zhí)行緊急停機(jī)。緊急停機(jī)意味著在極短的時間內(nèi)，風(fēng)機(jī)的制動系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)由運(yùn)行時的額定轉(zhuǎn)速變?yōu)榱?。大型的機(jī)組在極短的時間內(nèi)完成制動過程，將會對機(jī)組的控制系統(tǒng)、齒輪箱、主軸和葉片以及塔架產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。緊急停機(jī)的設(shè)置是為了在出現(xiàn)緊急情況時保護(hù)風(fēng)電機(jī)組安全的。然而，電網(wǎng)故障無須緊急停機(jī)；突然停電往往出現(xiàn)在天氣惡劣、風(fēng)力較強(qiáng)時，緊急停機(jī)將會對風(fēng)機(jī)的壽命造成一定影響；風(fēng)機(jī)主控制計算機(jī)突然失電就無法將風(fēng)機(jī)停機(jī)前的各項狀態(tài)參數(shù)及時存儲下來，這樣就不利于迅速對風(fēng)機(jī)發(fā)生的故障做出判斷和處理。針對上述情況，對控制電路作了相應(yīng)的改進(jìn)。在控制系統(tǒng)電路中加設(shè)了一臺在線UPS后備電源，這樣當(dāng)電網(wǎng)突然停電時，UPS急時投入，為風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)提供足夠的動力，使風(fēng)機(jī)制動系統(tǒng)按正常程序完成停機(jī)過程。它兼具傳統(tǒng)電容器的大電流快速充放電特性與電池的儲能特性。2.2空氣動力學(xué)原理2.2.1葉素理論葉素理論將葉片等效為若干個基本單元進(jìn)行研究，將每個基本單元稱作葉素。葉片翼型弦線與風(fēng)輪掃掠面的夾角，稱作槳矩角。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度為，則半徑為處葉素的圓周速度為，而風(fēng)輪平面的絕對風(fēng)速為，葉片的相對風(fēng)速和風(fēng)輪的圓周速度三者之間的關(guān)系是。功角是弦線與氣流速度矢量之間的夾角。是和風(fēng)輪掃掠面的夾角，稱作入流角。如圖2.4所示，氣流流經(jīng)葉素，會對其產(chǎn)生氣動力作用，在垂直于氣流方向產(chǎn)生一個氣動力，即升力，同時，還會在氣流方向產(chǎn)生一個阻力。單個葉素受到的升力和阻力可以表示為升力系數(shù)和阻力系數(shù)的函數(shù)[8]： 圖2.4葉素受力分析式(2.1)式(2.2)其中:為葉素弦長，為空氣密度。2.2.2風(fēng)能計算由流體力學(xué)理論可知，流動氣體所含有的動能可以表示為[9]：式(2.3)式中:為氣體質(zhì)量。假設(shè)單位時間內(nèi)流經(jīng)截面積為的氣體體積為，則有：式(2.4)該體積的空氣質(zhì)量為：式(2.5)則氣流所具有的動能為：式(2.6)2.2.3風(fēng)能利用系數(shù)與貝茲理論風(fēng)輪作為風(fēng)電機(jī)組的能量捕獲和轉(zhuǎn)換部件，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為主軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，該能量經(jīng)過齒輪箱傳遞到發(fā)電機(jī)。依據(jù)貝茲(Betz)理論，流過風(fēng)輪的氣流速度不可能為零，因此，只有部分風(fēng)能能夠被轉(zhuǎn)換為機(jī)械能[10]。貝茲理論假定風(fēng)輪是一個平面槳盤(即無輪轂，葉片無窮多)，經(jīng)過風(fēng)輪的氣流沒有阻力，且整個風(fēng)輪掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向在通過風(fēng)輪前后都平行于風(fēng)輪軸線。圖2.5為氣流流過理想風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面所形成風(fēng)廓線和通過前后風(fēng)速和壓力的變化。由于風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)，在靠近風(fēng)輪處及風(fēng)輪后某距離處的氣流速度均有所降低，同時，氣流通過風(fēng)輪前到達(dá)靠近風(fēng)輪處時，空氣壓力升高，而通過風(fēng)輪后壓力急劇下降，形成某種程度的“真空”，之后“真空”程度逐漸減弱，直到恢復(fù)原來的壓力[11]。設(shè)為通過風(fēng)輪截面的實(shí)際風(fēng)速，為風(fēng)輪后方遠(yuǎn)處的風(fēng)速，在單位時間內(nèi)，從風(fēng)輪前到風(fēng)輪后氣流動能的變化量就是為風(fēng)輪所吸收并使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的風(fēng)能，即：式(2.7)圖2.5空氣流過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面及其前后的狀況假設(shè)風(fēng)速己知，而可以看成是v2的函數(shù)，按照求解一元函數(shù)極值方法，得到風(fēng)輪吸收風(fēng)能最大值為：式(2.8)定義單位時間內(nèi)風(fēng)輪吸收的風(fēng)能E與通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能之比為風(fēng)能利用系數(shù)，即：式(2.9)由貝茲理論可知，理想風(fēng)輪的最大理論效率，就是說即使轉(zhuǎn)化風(fēng)能過程無損耗，也只能有的風(fēng)能可以為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所用。貝茲理論中，沒有考慮渦流損失，而是假設(shè)在葉尖速比時，葉片翼形優(yōu)化，渦流損失很小。葉尖速比是旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪的葉尖速度與風(fēng)速之比，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個重要設(shè)計參數(shù)，表示為：式(2.10)其中:為風(fēng)輪半徑；葉尖速比直接影響葉片的能量捕獲，影響風(fēng)能利用系數(shù)，如圖2.6所示，在實(shí)際中常用風(fēng)能利用系數(shù)對葉尖速比入的變化曲線表示該風(fēng)輪的空氣動力特性[12]。圖2.6風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線風(fēng)能利用系數(shù)在葉尖速比為，時取到最大值。恒速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速恒定，而風(fēng)速一直變化，因此不可能保持在最大值，這樣一來，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率通常不高。變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可以使機(jī)組在葉尖速比恒定的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使在較大風(fēng)速范圍內(nèi)保持最大值。對于變速變槳矩風(fēng)電機(jī)組來說，是葉尖速比和槳矩角的函數(shù)，風(fēng)能利用系數(shù)可以表示為[13]：式(2.11)對于不同槳矩角，風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比入的變化曲線如圖2.7所示[14]，可以看出：對于某一固定槳矩角，對應(yīng)存在風(fēng)能利用系數(shù)的唯一最大值。對于任意葉尖速比λ，葉片槳矩角時的風(fēng)能利用系數(shù)相對較大，而隨著槳矩角增大，風(fēng)能利用系數(shù)變小，這為風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制提供了理論依據(jù)。圖2.7不同槳矩角條件下，風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線2.3風(fēng)速特性分析上文對于風(fēng)速的空氣動力學(xué)的分析是基于風(fēng)速在空間均勻分布，不隨時域變化的前提條件下的。然而，自然界的風(fēng)在時間和空間上都是變化的，因此，風(fēng)輪平面內(nèi)風(fēng)速分布是不均勻的。影響風(fēng)速的因素有很多，其中作用最為顯著的是高度，尤其隨著風(fēng)機(jī)的大型化，風(fēng)輪直徑的增加，高度對于風(fēng)輪平面內(nèi)風(fēng)速的影響就越來越明顯，而其它隨機(jī)干擾反而可能會因為葉片長度的增加相互抵消而減弱。風(fēng)速在豎直方向上的變化主要是由風(fēng)切變和塔影效應(yīng)導(dǎo)致的。2.3.1風(fēng)切變效應(yīng)風(fēng)切變是穩(wěn)定平均風(fēng)速隨著空間高度發(fā)生的變化，也就是風(fēng)速會隨高度的增加而增加，這種現(xiàn)象被稱為風(fēng)切變效應(yīng)[15]。假設(shè)以地面為零風(fēng)速參考平面，則風(fēng)切變經(jīng)驗公式為：式(2.12)式中:為風(fēng)速測量點(diǎn)高度，單位；為風(fēng)速計算點(diǎn)高度，單位；為離地參考高度處的風(fēng)速，即測量點(diǎn)風(fēng)速，單位；為離地參考高度處的風(fēng)速，即計算點(diǎn)風(fēng)速，單位；為風(fēng)剪切指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度。2.3.2塔影效應(yīng)因為塔架對氣流的阻礙，所以在塔架的長游和下游都將使氣流速度減小，這種效應(yīng)稱為塔影效應(yīng)[16]。氣流的塔影效應(yīng)描述如圖2.8所示。圖2.8塔影效應(yīng)對于氣流的影響對于上風(fēng)向機(jī)組來說，在塔影坐標(biāo)系下某點(diǎn)處垂直于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速可以表示為：式(2.13)式中：為塔架半徑，隨塔架高度變化；為塔架某點(diǎn)的塔架高度；為塔架半徑修正因子；(，)為塔架坐標(biāo)系下的水平兩個方向坐標(biāo)。若該點(diǎn)的槳葉方位角在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面下沿中心相對于輪轂中心在±600之間，即葉片處于方位角為1200到2400的范圍則上式成立，如圖2.9所示。塔影效應(yīng)引起的葉片載荷變化比風(fēng)切變效應(yīng)等其他因素導(dǎo)致的載荷變化更容易引起風(fēng)輪葉片的振動。圖2.9風(fēng)輪平面內(nèi)風(fēng)速影響區(qū)域分布2.4變槳矩風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)風(fēng)機(jī)所處的狀態(tài)以及變槳矩系統(tǒng)所起的作用，變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大致可以分為3種運(yùn)行狀態(tài)，即啟動狀態(tài)、欠功率狀態(tài)和額定功率狀態(tài)[17]。2.4.1啟動狀態(tài) 變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)在停機(jī)狀態(tài)的時候，葉片的槳矩角為900，此時氣流對槳葉不產(chǎn)生切向力也沒有轉(zhuǎn)矩，整個槳葉實(shí)際上相當(dāng)于一塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動風(fēng)速的時，變槳矩機(jī)構(gòu)控制槳葉向00方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪由于槳葉受力開始轉(zhuǎn)動。在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)之前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號作為變槳矩系統(tǒng)的槳矩角的主要控制量。轉(zhuǎn)速控制器按照一定的速度上升斜率給出速度的參考值，變槳矩系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，進(jìn)而調(diào)整槳葉的槳矩角，進(jìn)行速度控制。為了確保并網(wǎng)平穩(wěn)及穩(wěn)定性，對電網(wǎng)產(chǎn)生盡可能小的沖擊，變槳矩系統(tǒng)可以在一定時間內(nèi)，保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，以便尋找最佳并網(wǎng)時機(jī)。為了使控制過程簡單化，早期的變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速前采用不控制槳葉的槳矩角的方式。在這種情況下，槳葉的槳矩角一直保持在同步轉(zhuǎn)速對應(yīng)的角度。直到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速后，變槳系統(tǒng)才開始投入工作。轉(zhuǎn)速控制的給定值是恒定的，即同步轉(zhuǎn)速。然后，轉(zhuǎn)速反饋信號與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速的時，槳葉的槳矩角就向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動一定的角度；反之，槳葉向迎風(fēng)而增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。當(dāng)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近保持一段時間后，發(fā)電機(jī)才并入電網(wǎng)。2.4.2欠功率狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)的輸出功率在額定功率以下運(yùn)行方式。與轉(zhuǎn)速控制方式同理，在早期的變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對于欠功率狀態(tài)是不進(jìn)行控制的。這時變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相同，它的功率完全取決于槳葉的氣動特性。現(xiàn)在多采用的雙饋異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在該狀態(tài)能夠通過風(fēng)速采集的低頻分量為參數(shù)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使其運(yùn)行在最佳葉尖速比，進(jìn)而達(dá)到對風(fēng)能的最大利用率。2.4.3額定功率狀態(tài)在風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率運(yùn)行狀態(tài)。這時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方式從轉(zhuǎn)速控制切換到功率控制，變槳矩系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率信號進(jìn)行控制?？刂菩盘柕慕o定值是恒定的，即額定功率。功率反饋信號與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)功率超過額定功率的時，槳葉就向著迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向著迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。2.5變槳矩系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)2.5.1變槳矩調(diào)節(jié)原理變槳矩風(fēng)機(jī)的葉片與輪轂之間采用非剛性聯(lián)結(jié)方式，這時葉片可以繞葉片縱梁進(jìn)行槳矩調(diào)節(jié)，使得葉片相對于風(fēng)向有不同的攻角。當(dāng)風(fēng)速持續(xù)變化時，葉片的槳矩角始終保持在最佳的角度，從而使風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下始終保持其風(fēng)輪的最佳轉(zhuǎn)換效率，使輸出功率達(dá)到最大值。風(fēng)機(jī)吸收風(fēng)能產(chǎn)生的輸出功率為：式(2.14)式中：為輸出功率；價為風(fēng)能利用系數(shù)；為空氣密度；為風(fēng)輪半徑；為風(fēng)輪正面風(fēng)速。風(fēng)機(jī)將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能傳遞給負(fù)載，機(jī)械能表達(dá)式為式(2.15)式中：為機(jī)械能；為風(fēng)機(jī)扭矩；為風(fēng)機(jī)角速度。這里的扭矩是由負(fù)載決定的。這樣由式(2.14)和(2.15)得式(2.16)當(dāng)風(fēng)機(jī)處于一定的風(fēng)速下，對于一定的負(fù)載，、、亦為常數(shù)量，那么轉(zhuǎn)速就取決于風(fēng)能利用系數(shù)的大小。則有式(2.17)根據(jù)葉素理論特性，根據(jù)風(fēng)輪起動后以某種速度穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時葉片的受力情況，得出理想情況下氣流與葉片角的關(guān)系式(2.18)式(2.19)式中：為攻角；為槳矩角；為入流角；為葉尖速比。根據(jù)力的平衡關(guān)系，葉片的扭矩為式(2.20)式(2.21)式(2.22)式中：為扭矩系數(shù)；為風(fēng)輪的迎風(fēng)面積；為風(fēng)輪半徑；為葉片的相對風(fēng)速。由圖2.10可知，升力系數(shù)和升阻比/隨攻角的變化而變化。對于在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)向一定時，和為定值。如果增大攻角，升力系數(shù)將增大，升阻比/。也將增大，由式(2.22)可知扭矩系數(shù)也會增大。又由(2.17)和(2.20)可以得到式(2.23)所以有式(2.24)式中：為風(fēng)機(jī)葉片受力平衡時的葉尖速比。圖2.10i和CL與CL與CD的關(guān)系由式(2.20)可得正比于，所以當(dāng)攻角增大時，風(fēng)能利用系數(shù)增大；反之當(dāng)攻角減小時，風(fēng)能利用系數(shù)減小。又由式(2.17)可知，當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)機(jī)負(fù)載一定時，當(dāng)攻角增大，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大；反之，當(dāng)攻角減小，值減小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速減小。再由式(2.19)，，這里增大，將減小;如果減小，將增大。為了直觀起見，通常用槳矩角來說明上面的關(guān)系，即當(dāng)增大時，風(fēng)機(jī)速度下降;當(dāng)減小時，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加。2.5.2變槳矩系統(tǒng)分類（1）變槳矩的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大致分為電液伺服系統(tǒng)和電動伺服系統(tǒng)兩類[18]。a)液壓變槳矩b)電動變槳矩圖2.8變槳矩系統(tǒng)的輪轂照片1）液壓伺服變槳矩系統(tǒng)。液壓伺服變槳矩系統(tǒng)具有傳動力矩大、重量輕、剛度大等優(yōu)點(diǎn)。目前丹麥Vestas公司的V80-2.0MW風(fēng)機(jī)等都采用液壓變槳矩機(jī)構(gòu)。然而，液壓系統(tǒng)存在死區(qū)、滯環(huán)、庫倫摩擦，還有一些軟參量，如體積彈性模量、油的粘度、系統(tǒng)阻尼比等，有非線性特征，甚至?xí)霈F(xiàn)漏油、卡塞等現(xiàn)象。液壓伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理如圖2.9所示。槳葉通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)與液壓缸相連接，槳矩角的變化同液壓缸位移成正比。當(dāng)液壓缸活塞桿向左移動到最大位置時，槳矩角為900;而活塞桿向右移動最大位置時，槳矩角為00。液壓缸的位移由液壓比例閥進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。在負(fù)載變化不大的情況下，電液比例閥的輸入電壓與液壓缸的速度成正比，為進(jìn)行精確的液壓缸位置控制，則必須引入液壓缸位置檢測和反饋控制。圖2.9液壓伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理框圖2）電動變槳矩系統(tǒng)。電動伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)可對每個槳葉采用獨(dú)立的調(diào)節(jié)方式，伺服電動機(jī)通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相嚙合，進(jìn)而直接對槳矩角進(jìn)行控制。如圖2.10所示[19]。圖2.10電動變槳矩結(jié)構(gòu)圖圖2.10中只畫出了一個槳葉的電動變槳矩的結(jié)構(gòu)，其它兩個槳葉則與此完全相同。而每個槳葉采用一個帶位置反饋的伺服電動機(jī)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，安裝在伺服電動機(jī)輸出軸上，采集電動機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。伺服電機(jī)通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連，帶動槳葉轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)對槳葉的槳矩角的直接控制。在輪轂內(nèi)齒圈的邊上又安了一個非接觸式位移傳感器，對內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動的角度進(jìn)行直接檢側(cè)，即槳葉槳矩角變化，當(dāng)內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)過一個角度，則非接觸式位移傳感器輸出一個脈沖信號。位置傳感器采集槳矩角的變化與電動機(jī)形成閉環(huán)PID負(fù)反饋控制。變槳矩控制是根據(jù)伺服電動機(jī)自帶的位置編碼器所測的位移值進(jìn)行控制的，電動伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理框圖如圖2.11。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制電源斷電時，槳葉控制電動機(jī)由UPS系統(tǒng)供電，使槳葉調(diào)節(jié)到順槳位置。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，充分利用了有限的空間，實(shí)現(xiàn)了分散布置，且可以實(shí)現(xiàn)對單一槳葉進(jìn)行控制，但對于大功率風(fēng)機(jī)的動態(tài)特性相對較差。圖2.11電動伺服變槳矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理框圖制動裝置的突出特點(diǎn)是空氣動力學(xué)制動剎車單獨(dú)由變槳矩控制，槳葉充分發(fā)揮剎車的作用。即使其中一個槳葉剎車制動失敗，其它兩個葉片也可以安全完成剎車的過程，提高了整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。制動系統(tǒng)還裝備了備用電源，用于故障或維修時可以快速準(zhǔn)確地控制槳葉。它為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出和剎車制動提供了足夠的能力。這樣可以避免過載對風(fēng)機(jī)的破壞[20]。（2）按每個葉片是獨(dú)立調(diào)節(jié)還是同步調(diào)節(jié)可以分為兩種：1）共同驅(qū)動變槳矩系統(tǒng)。這種變槳矩系統(tǒng)在早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的較為普遍。其特點(diǎn)是三只葉片的驅(qū)動由同一個驅(qū)動裝置驅(qū)動，三只葉片的槳矩角調(diào)節(jié)是同步的。它的控制系統(tǒng)比較簡單、成本低，但機(jī)械裝置龐大，調(diào)整復(fù)雜，安全冗度小。2）獨(dú)立驅(qū)動變槳矩系統(tǒng)。這種變槳矩系統(tǒng)在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的較為普遍。其特點(diǎn)是三只葉片的驅(qū)動由同三個相同的驅(qū)動裝置驅(qū)動，三只葉片的槳矩角調(diào)節(jié)是相互獨(dú)立的。它需要三套控制系統(tǒng)、成本較高，但結(jié)構(gòu)緊湊、可靠、控制靈活，安全余度大。2.6風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳矩驅(qū)動裝置比較和選擇2.6.1液壓變槳與電動變槳技術(shù)比較由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多安裝在環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維護(hù)和保養(yǎng)增加了許多困難，這就要求風(fēng)力機(jī)組具有高度的可靠性，因此要求風(fēng)機(jī)的各個部件要有穩(wěn)定且可靠的質(zhì)量。變槳系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各組成部分中是非常重要的，其性能及質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響整臺風(fēng)機(jī)的性能。液壓變槳系統(tǒng)與電動變槳系統(tǒng)的特點(diǎn)及性能比較[21]見表2.1。表2.1液壓變槳系統(tǒng)與電動變槳系統(tǒng)的比較項目液壓變槳矩系統(tǒng)電動變槳矩系統(tǒng)槳矩調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢響應(yīng)速度快緊急情況下的保護(hù)儲存能量小儲存能量較大使用壽命蓄能器的使用壽命大約6年蓄電池的使用壽命大約3年外部配套需求占用空間小占用空間相對較大環(huán)境清潔容易漏油，造成機(jī)艙及輪轂內(nèi)部油污機(jī)艙及輪轂內(nèi)部清潔維護(hù)液壓油、濾清器進(jìn)行更換，維護(hù)困難蓄電池的更換，易維護(hù)2.6.2液壓變槳與電動變槳供應(yīng)鏈分析在軟件方面，國內(nèi)的變槳控制技術(shù)基本上被國外廠商壟斷，國內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)開始對變槳軟件系統(tǒng)進(jìn)行研究，但由于缺乏經(jīng)驗，與國外的變槳控制策略還相比差矩很大[22]。在硬件方面，我們的分析從變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的供應(yīng)鏈的情況來進(jìn)行。（1）液壓變槳矩系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組要求變槳系統(tǒng)具有較高的可靠性，而我國液壓行業(yè)水平與發(fā)達(dá)國家還存在差矩，因此，液壓變槳實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的難度非常高[23]。1）液壓泵站：液壓柱塞泵是泵站的核心，國外品牌的液壓柱塞泵質(zhì)量大多比較可靠，國內(nèi)品牌中，北京華德品質(zhì)較好。2）控制閥摸塊：控制閥塊的制造難度較低，但基本上是國外設(shè)計在國內(nèi)生產(chǎn)。問題是大尺寸的擠壓鋁及其相應(yīng)的熱處理在國內(nèi)很難找到合適渠道。3）液壓油缸：中高端的伺服油缸在國內(nèi)基本都是進(jìn)口產(chǎn)品，其中還包括安置在活塞桿中的位移傳感器，國內(nèi)的油缸廠商提供的產(chǎn)品主要用于在工程機(jī)械、冶金等行業(yè)的中低端油缸。國內(nèi)液壓油缸的整體水平還是與發(fā)達(dá)國家有著相當(dāng)大的差矩的。4）蓄能器：蓄能器分皮囊式蓄能器與活塞式蓄能器。皮囊式蓄能器在國內(nèi)應(yīng)用較多，但皮囊是影響其壽命的關(guān)鍵部件，中高端產(chǎn)品還多為進(jìn)口。活塞式蓄能器具有更長的使用壽命，但其在國內(nèi)遇到與液壓油缸相似問題。5）管路：標(biāo)準(zhǔn)接頭在國內(nèi)有很多優(yōu)秀的廠商，如伊頓永華的系列產(chǎn)品，質(zhì)量穩(wěn)定，性價比高。所以標(biāo)準(zhǔn)接頭在國內(nèi)容易很找到合適的渠道，國產(chǎn)化率較高。液壓管系統(tǒng)中常用的管路種類是液壓鋼制彎管。通常是無縫鋼管經(jīng)冷拔、折彎、表面處理等工序后制成的，技術(shù)含量較低，國內(nèi)廠商即可滿足要求。液壓膠管是另一種常用的管路，中高端膠管總成中的軟管部分基本上是進(jìn)口軟管。液壓旋轉(zhuǎn)接頭是風(fēng)機(jī)管路中較為關(guān)鍵的連接部件，市場基本上也是進(jìn)口產(chǎn)品壟斷著?？梢钥闯?，我國的液壓行業(yè)普遍服務(wù)于普通工程機(jī)械領(lǐng)域，高精度、高穩(wěn)定性的液壓產(chǎn)品在國內(nèi)的發(fā)展還比較落后。國內(nèi)液壓行業(yè)的生產(chǎn)商相比國外的帕克、伊頓、薩奧、力士樂等知名廠家，無論是從產(chǎn)品的系列化的廣度上，還是從做工質(zhì)量的深度上來講，都有相當(dāng)大的差矩。風(fēng)機(jī)中液壓變槳系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)國產(chǎn)化率按價值算不超過10%，高精度核心部件基本全部是進(jìn)口產(chǎn)品，技術(shù)含量較低的如緊固件、泵站油箱等可在國內(nèi)找到合適渠道[24]。（2）電動變槳系統(tǒng)相對于液壓驅(qū)動變槳系統(tǒng)而言，電動變槳系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用較多，國內(nèi)渠道培養(yǎng)以及發(fā)展的時間也較長，可選擇度也較大。由于電動行業(yè)在國內(nèi)發(fā)展的較好，各部件的國產(chǎn)化率較高，但在高可靠性、高穩(wěn)定性的部件上某些進(jìn)口產(chǎn)品仍居主導(dǎo)地位[25]。1）伺服電機(jī)及減速器：伺服電機(jī)是整個電動槳系統(tǒng)的動力源，減速機(jī)是調(diào)速傳動裝置，二者都要求具有很高的可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。目前生產(chǎn)風(fēng)機(jī)的原件還是以進(jìn)口產(chǎn)品或跨國公司在華所設(shè)工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品為主。但這方面基本上可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，且國內(nèi)供應(yīng)廠商較多，渠道明朗，價格也較透明。2）控制器等電子設(shè)備：控制器相當(dāng)于整個電動變槳系統(tǒng)的大腦，技術(shù)含量較高，基本被國外公司壟斷，成為發(fā)展電動變槳系統(tǒng)主要的瓶頸之一。3）蓄電池：由于鉛酸蓄電池構(gòu)成UPS電源，國產(chǎn)渠道也較多，國產(chǎn)化比率高。4）位移傳感器和接近開關(guān)：位移傳感器和接近開關(guān)是安裝在軸承內(nèi)齒輪部位的主要檢測裝置，要求可靠性高、精準(zhǔn)度好，也都是進(jìn)口產(chǎn)品。5）電路：電路的國內(nèi)渠道很多，質(zhì)量也很好，其他的電器元件國內(nèi)都有很成熟的渠道。然而值得一提的是電滑環(huán)，由于變槳矩系統(tǒng)對電滑環(huán)的要求比較高，因此，高性能的電滑環(huán)還值得關(guān)注的?？傮w來說，電動變槳系統(tǒng)的國內(nèi)渠道較多，進(jìn)行國產(chǎn)化的可能性也較大，廠商掌握起來也較容易，預(yù)計得到的推廣也較快。相比較液壓變槳系統(tǒng)國內(nèi)現(xiàn)有的優(yōu)勢也比較明顯。而且電動變槳矩系統(tǒng)與液壓變槳系統(tǒng)相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，不僅可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立變槳，還具有定位精度高的優(yōu)勢，且無溫漂、調(diào)速范圍大、無零漂、承載范圍大、控制方便、動作滯后小、適應(yīng)性強(qiáng)、配套簡單，為大載荷變槳提供高精度的控制[26]。因此，本文選擇的研究對象是基于獨(dú)立驅(qū)動的電動變槳系統(tǒng)。2.7本章小結(jié)本章首先對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成進(jìn)行介紹，然后對變槳矩風(fēng)電機(jī)組的空氣動力學(xué)原理以及風(fēng)切變、塔影效應(yīng)等風(fēng)速特性進(jìn)行分析，得出結(jié)論:對于某一確定的槳矩角，存在唯一的CPmax；對于任意的情況，槳矩角為00時CP相對最大。隨著槳矩角的增加，風(fēng)輪受力明顯減小，由此得出變槳矩風(fēng)力發(fā)電電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)原理：當(dāng)風(fēng)速低于額定值時，槳矩角在00附近，通過變速恒頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；當(dāng)風(fēng)速高于額定值時，調(diào)節(jié)槳矩角實(shí)現(xiàn)機(jī)組輸出功率穩(wěn)定在額定值附近。此外，本章對于變槳矩控制原理和系統(tǒng)的類型進(jìn)行介紹，對比分析液壓變槳和電動變槳的工作原理，得出結(jié)論：電動變槳矩伺服可以實(shí)現(xiàn)對單一槳葉進(jìn)行控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，充分利用有限的空間，實(shí)現(xiàn)分散布置，對于迅速發(fā)展的大型風(fēng)電機(jī)組來說，更容易實(shí)施獨(dú)立變槳矩調(diào)節(jié)方式，具有更好的應(yīng)用前景。第三章變槳系統(tǒng)設(shè)備選型與硬件電路設(shè)計設(shè)備選型對任何一個系統(tǒng)來說都顯得非常重要，因為它既決定了本系統(tǒng)的控制效果的優(yōu)劣，又與經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)。由于本人還對風(fēng)電的具體情況不是特別了解，在此，僅對變槳系統(tǒng)的伺服電機(jī)、控制器和控制算法進(jìn)行了選擇。還對變槳控制的兩項技術(shù)和四類工況進(jìn)行了論述，從而，設(shè)計了變槳矩控制系統(tǒng)的硬件電路。3.1變槳系統(tǒng)設(shè)備選型3.1.1伺服電機(jī)的選型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)伺服電機(jī)屬于控制電機(jī)，常見的有感應(yīng)電動機(jī)，無刷直流電動機(jī)，三相永磁同步電動機(jī)和步進(jìn)電機(jī)四種，其各自特點(diǎn)[27]如表3.1所示下面是四種伺服電機(jī)的比較：表3.1伺服電機(jī)的種類和特點(diǎn)電機(jī)種類主要特點(diǎn)DC伺服電機(jī)高響應(yīng)特性；高功率密度（體積小，重量輕）；可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字控制；接觸換相器件，需要維護(hù)。AC永磁同步伺服電機(jī)具有DC伺服電機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)；無接觸換相器件；需要磁極位置檢測器AC感應(yīng)伺服電機(jī)具有DC伺服電機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)；對定子電流的激磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與控制脈沖數(shù)成正比，可構(gòu)成直接數(shù)字控制；有定位轉(zhuǎn)矩；可構(gòu)成廉價的開環(huán)控制系統(tǒng)。變槳伺服電機(jī)要求:根據(jù)驅(qū)動器指令運(yùn)轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)帶動槳葉回轉(zhuǎn)軸承旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)槳葉的轉(zhuǎn)矩角；通過編碼器將電機(jī)的位置信號反饋至驅(qū)動器。額定轉(zhuǎn)速:和減速機(jī)配合能夠以較快的速度轉(zhuǎn)動槳葉，在迅速順槳時使槳葉以7度每秒的速度順槳，以確保風(fēng)機(jī)安全。轉(zhuǎn)矩:和減速機(jī)配合之后足以驅(qū)動槳葉轉(zhuǎn)動。慣量:和減速機(jī)配合在風(fēng)機(jī)起動和停止時能夠滿足慣量要求。額定功率:要和伺服驅(qū)動器相匹配。通常驅(qū)動器的功率略大于電機(jī)功率。帶制動器。伺服電機(jī)內(nèi)部自帶有相應(yīng)的變槳位置編碼器。由于輪轂內(nèi)空間限制，安裝法蘭至軸端尺寸應(yīng)滿足空間要求。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對變槳電機(jī)的要求，結(jié)合電機(jī)自身的特點(diǎn)，選擇交流永磁同步電動機(jī)(PMSM)作為變槳系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。3.1.2控制器的選型PLC作為一種通用的工業(yè)控制器有它的特點(diǎn)：可靠性高，必須能夠在各種不同的工業(yè)環(huán)境中正常工作，抗干擾能力強(qiáng)，平均無故障工作時間長，能適應(yīng)惡劣的環(huán)境。使用方便靈活，主要體現(xiàn)在硬件使用和軟件使用上。PLC按照程序的要求，通過對來自設(shè)備外圍的按鈕、行程開關(guān)、接觸器點(diǎn)等開關(guān)量信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，并控制外圍指示燈、電磁閥、接觸器線圈通斷等功能。PLC能適應(yīng)風(fēng)電的惡劣環(huán)境，對于風(fēng)電的穩(wěn)定、安全運(yùn)行有了保障。S7-200PLC是家族中I/O點(diǎn)數(shù)最少、功能最精簡的微型PLC產(chǎn)品，主要有以下特點(diǎn)：采用整體式I/O型與基本單元加擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，CPU、電源、輸入輸出安裝于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單；編程指令、元件豐富，性價比高。算速度快，0.22毫秒能執(zhí)行一條基本邏輯控制指令，可實(shí)現(xiàn)高速控制。均帶有固定點(diǎn)數(shù)的高速計數(shù)輸入和高速脈沖輸出，輸入/輸出頻率可以達(dá)到20-100kHz。S7-200PLC的CPU模塊共有五種基本規(guī)格：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU224XP。S7-200PLC可以使用56條基本邏輯處理指令、11條定時器/計數(shù)器指令、4條實(shí)時鐘指令、27條數(shù)學(xué)運(yùn)算指令、84條其他指令，總計可達(dá)182條。CPU模塊有4-6個高速計數(shù)指定輸入端，用于轉(zhuǎn)速、位置、速度等計數(shù)。CPU模塊均集成1到2個串行通信接口，用于連接外部設(shè)備或組成PLC網(wǎng)絡(luò)體系。圖3.1為CPU226外觀圖：圖3.1CPU226PLC外形圖最新S7-200PLC除（CPU221）可由25中不同的擴(kuò)展模塊，來增加PLC的I/O點(diǎn)數(shù)以及功能，模擬量模塊會增加PLC的溫度、轉(zhuǎn)速、位置等的測量與顯示調(diào)節(jié)功能。通過與模塊CP243-1來連接到工業(yè)以太網(wǎng)上，能通過遠(yuǎn)程編輯器，對PLC進(jìn)行程序編輯、傳送、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)交換、存儲、讀取數(shù)據(jù)等?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，和功能的實(shí)現(xiàn)故選用S7-200PLCCPU226作為本系統(tǒng)的控制器。對應(yīng)風(fēng)速的兩個運(yùn)行范圍，設(shè)計兩個不同的控制器，風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制輸入量，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的轉(zhuǎn)速信號，由PLC發(fā)出驅(qū)動信號，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使得葉尖速比維持在最佳值不變，同時保持葉片槳矩角為00,使得風(fēng)力機(jī)追蹤最佳功率曲線，具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，以發(fā)電機(jī)輸出功率作為控制輸入量，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，有PLC發(fā)出驅(qū)動信號，使得變槳矩機(jī)構(gòu)動作來調(diào)節(jié)葉片槳矩角的變化，保持額定功率不變[28]。3.1.3各種傳感器的選型功能1）液晶：開機(jī)，背光亮，顯示風(fēng)速值2）工作指示燈：正常運(yùn)行時，綠燈閃爍。3）欠風(fēng)速指示燈：當(dāng)風(fēng)速W≤Wmin時,黃燈亮，同時報警；4）過風(fēng)速指示燈：當(dāng)風(fēng)速W≥Wmax時,紅燈亮，同時報警；5）功能鍵：按此鍵，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置畫面；此時光標(biāo)在第一位數(shù)字上閃爍。6）數(shù)字鍵：在參數(shù)設(shè)置畫面狀態(tài)，按此鍵則光標(biāo)閃爍位的數(shù)字增加1；連續(xù)按此鍵，可以設(shè)置所需要的數(shù)值。7）移位鍵：在參數(shù)設(shè)置畫面狀態(tài)，按此鍵，則光標(biāo)在不同位數(shù)字之間切換；結(jié)合數(shù)字鍵，可以設(shè)置所需要的欠風(fēng)速（）、過風(fēng)速（）及回差值。圖3.2風(fēng)速儀平面圖2．參數(shù)設(shè)置：a.按功能鍵功能鍵畫面，c.設(shè)置好所有數(shù)值以后，按再按一下功能鍵：液晶顯示主畫面；到參數(shù)設(shè)置完畢。3．技術(shù)指標(biāo)測量范圍：風(fēng)速：0～60M/S風(fēng)向：0～3600精度:±0.3M/S±30工作電源：AC220V±20%50HZ，直流12V、5V可選。記錄間隔：1分鐘～60分鐘連續(xù)可調(diào)通訊接口：RS-232工作環(huán)境溫度：-40℃～50℃輸出信號：4-20mA4．接線端子：表3.2風(fēng)速儀接線表輸入+5V5V接地輸出+5V風(fēng)速過風(fēng)速欠風(fēng)速123456當(dāng)風(fēng)速在一段時間內(nèi)平均值大于25m/s時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可能出現(xiàn)超速和過載，為了機(jī)組的安全停機(jī)風(fēng)速傳感器給PLC一個脈沖信號這時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須進(jìn)行大風(fēng)脫網(wǎng)停機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組先投入氣動剎車，同時偏航900，等功率下降后脫網(wǎng)，20s后或者低速軸轉(zhuǎn)速小于一定值時，抱機(jī)械閘，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組完全停止。當(dāng)風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始恢復(fù)自動對風(fēng)，待轉(zhuǎn)速上升后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又重新開始自動并網(wǎng)運(yùn)行，從而保證變槳系統(tǒng)的安全控制。5．特點(diǎn)FS10風(fēng)傳感器由風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器組成。風(fēng)杯采用碳纖維材料，強(qiáng)度高，起動好。風(fēng)向重錘采用附翼板，提高了動態(tài)特性。FS10風(fēng)傳感器互換性好、量程大、線性好、抗雷擊能力強(qiáng)、工作可靠。二、功率傳感器4、引腳定義表3.3功率傳感器引腳引腳號名稱描述1UAA相電壓輸入3UBB相電壓輸入5UCC相電壓輸入7UN電壓輸入，地9D+RS-485接口信號正極10D-RS-485接口信號正極11VCC正電源12GND電源負(fù)，地13IA-A相電壓輸入負(fù)端14AI+A相電壓輸入正端15IB-B相電壓輸入負(fù)端16IB+B相電壓輸入正端17IC-C相電壓輸入負(fù)端18IC+C相電壓輸入正端其他NC未連接、用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。當(dāng)超過限定值撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。00限位開關(guān)和900限位開關(guān)，是限定葉片轉(zhuǎn)過的角度，保證變槳過程不超過極限位置。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。1、簡介S1系列限位開關(guān)符合標(biāo)準(zhǔn)，開關(guān)的重要特征為結(jié)構(gòu)牢實(shí)耐用，尤其適用于當(dāng)機(jī)械操動力大的情況下滿足實(shí)際中各種需求。速動式開關(guān)的觸頭組合形式有常開、常閉二類，其系統(tǒng)的特征為觸頭間電氣絕緣。2、結(jié)構(gòu)：a）常規(guī)，b）陶瓷絕緣，c）耐高溫，外殼：鑄鐵，進(jìn)行鍍鋅和鍍鉻處理，深藍(lán)色圖漆觸頭：純銀，雙斷點(diǎn)接觸絕緣性：符合標(biāo)準(zhǔn)。3、參數(shù)：額定絕緣電壓：a）380VAC，25-60Hz；b）和c）500VAC，25-60Hz。電流：16A工作電流：4A（380VAC）工作溫度：a）和b）：-30＋90℃；c）-40＋200℃。優(yōu)點(diǎn)：采用ML441限位開關(guān)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)，一方面可以提供高精度的槳矩角，既可以作為變槳伺服電機(jī)的角度輸入信號，也可作為冗余校驗信號，同時還可作為變槳工作位置與順槳極限位置指示。3.1.4控制算法的選擇為了盡可能地最大捕獲風(fēng)能，國內(nèi)外學(xué)者分別對風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速、葉尖速比、槳矩角三者關(guān)系做了理論分析，提出了一種風(fēng)能葉尖速比、槳矩角變化的優(yōu)化算法，使得功率系數(shù)維持在最優(yōu)值附近變化，從而獲得最大風(fēng)能。但是，他們都沒有對風(fēng)速的不同取值范圍進(jìn)行詳細(xì)的研究，實(shí)際上只有切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時才能得到最優(yōu)功率系數(shù)。風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，功率系數(shù)反而會隨風(fēng)速減小。為實(shí)現(xiàn)高精度控制，學(xué)者們還致力于研究更加有效的控制方法。（1）他們提出的有基于傳統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時調(diào)節(jié)。但是，由于BP網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法自身的特點(diǎn)，不能獲得良好的實(shí)時控制效果。（2）隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們在風(fēng)電控制系統(tǒng)中引入了模糊控制，解決了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的非線性問題和數(shù)學(xué)模型不確定問題。但是，模糊控制器自身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的能力較差，難以達(dá)到較高的控制精度。（3）他們而后將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線性魯棒控制應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于非線性系統(tǒng)，并且不需要精確的數(shù)學(xué)模型，通過自學(xué)習(xí)可以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果，但由于控制算法計算量比較大，不能保證系統(tǒng)的實(shí)時性，不能在風(fēng)速整個變化范圍內(nèi)都取得理想的效果。（4）他們又提出了一種變速變槳矩最大風(fēng)能控制方式，風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，采用變速控制方式，追蹤最大功率曲線，獲得最大功率；風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，采用變槳矩控制方式，調(diào)節(jié)槳葉槳矩角的變化，保持額定功率不變。但是該控制方式在變槳矩控制時的控制效果并不理想。[25]所以，本文采用PLC作為控制器，采用傳統(tǒng)的PID算法來實(shí)現(xiàn)對變槳角的控制。對應(yīng)風(fēng)速的兩個運(yùn)行范圍，設(shè)計兩個不同的控制器，風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制輸入量，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的轉(zhuǎn)速信號，由PLC發(fā)出驅(qū)動信號，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使得葉尖速比維持在最佳值不變，同時保持葉片槳矩角為00,使得風(fēng)力機(jī)追蹤最佳功率曲線，具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制輸入量，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，有PLC發(fā)出驅(qū)動信號，使得變槳矩機(jī)構(gòu)動作來調(diào)節(jié)葉片槳矩角的變化，保持額定功率不變。3.2變槳矩控制系統(tǒng)在變槳矩變速風(fēng)力機(jī)組的控制技術(shù)中兩項關(guān)鍵的控制技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用：他們分別是最大風(fēng)能捕獲控制技術(shù)和恒功率控制技術(shù)。最大風(fēng)能捕獲控制技術(shù)是在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以追蹤最佳葉尖速比，盡可能最大限度地捕獲風(fēng)能，同時通過控制勵磁電流頻率穩(wěn)定發(fā)電機(jī)輸出電能的頻率。而恒功率控制技術(shù)是當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身機(jī)械電氣強(qiáng)度的限制，以及電網(wǎng)對供電品質(zhì)的要求，控制發(fā)電機(jī)輸出功率穩(wěn)定在額定功率左右，這就是恒功率控制。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個重要運(yùn)行特性就是運(yùn)行工況隨風(fēng)速變化的切換特性，所以根據(jù)風(fēng)速情況和風(fēng)力機(jī)功率特性，可以將整個運(yùn)行過程劃分為四個典型工況。不同的工況控制目標(biāo)不同，對變槳矩和勵磁調(diào)節(jié)也各有側(cè)重。第一個工況是啟動并網(wǎng)階段。此時風(fēng)速應(yīng)滿足的條件是達(dá)到切入風(fēng)速并保持一定的時間，風(fēng)電機(jī)組解除剎車裝置，由待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入啟動狀態(tài)。第二個工況是最大風(fēng)能捕獲控制階段。由于此工況下風(fēng)速沒有達(dá)到額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)送入電網(wǎng)的功率必然小于額定值，所以這個工況下的控制目標(biāo)是最大限度的利用風(fēng)能，提高機(jī)組的發(fā)電量。因此，變槳矩控制系統(tǒng)此時只需將槳矩角設(shè)定在最佳風(fēng)能吸收效率角度不變即可（即零度）。第三個工況為恒功率控制階段。當(dāng)風(fēng)速超過額定，發(fā)電機(jī)的功率不斷增大，此時變槳矩系統(tǒng)開始動作，增大轉(zhuǎn)矩角，恒功率控制則以維持發(fā)電機(jī)輸出功率的恒定。所以，恒功率控制階段主要由變槳矩控制系統(tǒng)完成。第四個工況為超風(fēng)速切出階段。如果機(jī)組處于風(fēng)速高于額定風(fēng)速的恒功率階段，風(fēng)速不斷增大到機(jī)組所能承受的最大風(fēng)速，即切出風(fēng)速，控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)就變成保護(hù)機(jī)組而使機(jī)組安全停機(jī)。變槳矩控制系統(tǒng)任務(wù)是使槳葉順槳，以使風(fēng)輪盡快減速，剎車系統(tǒng)也同時用于此目標(biāo)，這樣就完成了一個完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全過程運(yùn)行，全過程控制的功率輸出如圖4.3所示。圖3.3變槳矩變速風(fēng)電機(jī)組典型工況圖根據(jù)最大風(fēng)能捕獲控制技術(shù)與恒功率控制技術(shù)，以及風(fēng)機(jī)的四種運(yùn)行工況的分析。對于常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，切入風(fēng)速一般為3m/s，額定風(fēng)速一般為12m/s，切出風(fēng)速一般為25m/s。所以，在風(fēng)速小于3m/s時，風(fēng)機(jī)不運(yùn)行，變槳矩系統(tǒng)為順槳狀態(tài)（即槳矩角為900），當(dāng)風(fēng)速大于3m/s小于12時，風(fēng)機(jī)開始啟動，變槳系統(tǒng)動作，槳矩角迅速調(diào)節(jié)到00，且保持不變。此時將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制系統(tǒng)的控制量，在這個區(qū)域進(jìn)行最大風(fēng)能捕獲控制，勵磁控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速變化進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，確保風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)始終保持為最大值CPmax，也稱此區(qū)域為CP恒定區(qū)。當(dāng)風(fēng)速大于12m/s小于25m/s時，隨著風(fēng)速的增大，發(fā)電機(jī)的輸出功率也相應(yīng)的增大。這是就需要變槳矩系統(tǒng)動作，來增大槳矩角以維持輸出功率的恒定。當(dāng)風(fēng)速大于25m/s時，風(fēng)機(jī)由于機(jī)械部分的原因不得不停機(jī)。此時變槳系統(tǒng)應(yīng)迅速動作，使力發(fā)電機(jī)處于順槳狀態(tài)。根據(jù)以上分析，可得出如圖3.4所示的控制圖。3.4由上述控制系統(tǒng)圖，對變槳矩系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計，利用風(fēng)速傳感器對風(fēng)速進(jìn)行測量并輸入到PLC的模擬量輸入模塊以實(shí)現(xiàn)控制；利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量并輸入到PLC的模擬量輸入模塊以實(shí)現(xiàn)控制；利用功率傳感器對發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行測量并輸入到PLC的模擬量輸入模塊以實(shí)現(xiàn)控制。通過伺服電機(jī)內(nèi)部的的位置傳感器將變槳系統(tǒng)的對應(yīng)槳矩角精確的測量出來，并輸入到PLC的模擬量輸入模塊以實(shí)現(xiàn)PID控制；當(dāng)風(fēng)速大于系統(tǒng)切入風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制量；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速小于切出風(fēng)速時，將發(fā)電機(jī)輸出功率作為控制量。根據(jù)系統(tǒng)的輸入量和輸出量點(diǎn)數(shù)，本系統(tǒng)需要兩片EM231與CPU226PLC級聯(lián)，本系統(tǒng)通過控制三個獨(dú)立的伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)槳矩角的變化。還設(shè)有手動調(diào)節(jié)按鈕，以及調(diào)試系統(tǒng)。系統(tǒng)故障指示，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。系統(tǒng)還備有緊急供電電源UPS系統(tǒng)。以保證系統(tǒng)在斷電情況下也能安全的停機(jī)。設(shè)定伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，為槳矩角從00到900的方向；伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，為槳矩角從900到00的方向。具體變槳矩系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計圖見附錄A。3.3本章小結(jié)本章主要敘述了硬件系統(tǒng)的設(shè)計，其中包括風(fēng)力PLC的選型，伺服電機(jī)、幾種傳感器、控制算法的選型設(shè)計。PLC選型主要介紹了PLC的選取原則和本設(shè)計的I/O地址分配。硬件電路為變槳矩控制電路的設(shè)計，對原理圖進(jìn)行了相應(yīng)的繪制，并對控制的原理及方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。第四章變槳系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1PLC的介紹和選擇4.1.1PLC的定義、特點(diǎn)及組成國際電工委員會（IEC）在頒發(fā)的可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案中，對PLC的定義如下：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計。它采用了可編程系的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。而有關(guān)的的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計”。定義強(qiáng)調(diào)了PLC是應(yīng)直接運(yùn)用于工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和運(yùn)用范圍，這也是區(qū)別于一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個重要特征；強(qiáng)調(diào)了PLC是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，它也是一種計算機(jī)，是專為在工業(yè)環(huán)境下運(yùn)用而設(shè)計的工業(yè)計算機(jī)；強(qiáng)調(diào)了PLC與以往所講的鼓式、機(jī)械式的順序控制器在“可編程”方面有質(zhì)的區(qū)別。由于PLC引入了微處理機(jī)及半導(dǎo)體存儲器等新一代電子器件，并規(guī)定的指令進(jìn)行編程，所以能靈活地修改程序，即它是用軟件方式來實(shí)現(xiàn)“可編程”的目的?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是復(fù)雜多樣的，他們對控制的要求也各不相同。PLC一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎，那是因為它有如下許多優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)；編程方便，易于使用；功能完善；設(shè)計、施工、調(diào)試的周期短；體積下，維護(hù)操作方便。[28]正是由于PLC有這些優(yōu)點(diǎn)，所以在選擇控制器時，選用了PLC可編程控制器。但可編程控制器不是單一型號和單一用途，所以必須對其各部件進(jìn)行了解，從而做出選擇。PLC是由中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入輸出單元、電源部分、擴(kuò)展接口、通信接口、編程器等部件組成。下面對主要部件進(jìn)行介紹：中央處理單元（CPU）：起“心臟”作用，一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內(nèi)。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路相連接。當(dāng)從編程器輸入的程序存入到用戶程序存儲器中，然后CPU根據(jù)系統(tǒng)所賦予的功能（系統(tǒng)程序存儲器的解釋編譯程序），把用戶程序翻譯成PLC內(nèi)部所認(rèn)可的用戶編譯程序。輸入狀態(tài)和輸入信息從輸入接口輸進(jìn)，CPU將之存入工作數(shù)據(jù)存儲器中或輸入映像寄存器。然后由CPU把數(shù)據(jù)和程序有機(jī)地結(jié)合在一起。把結(jié)果存入輸出映像寄存器或工作數(shù)據(jù)存儲器中，然后輸出到輸出接口、控制外部驅(qū)動器。存儲器：具有記憶功能的半導(dǎo)體電路。分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)程序存儲器用以存放系統(tǒng)程序，包括管理程序，監(jiān)控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器、ROM組成。廠家使用的，內(nèi)容不可更改，斷電不消失。用戶存儲器分為用戶程序存儲區(qū)和工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。由隨機(jī)存取存儲器（RAM）組成。用戶使用的。斷電內(nèi)容消失。常用高效的鋰電池作為后備電源，壽命一般為3~5年。輸入/輸出接口：光電耦合器由兩個發(fā)光二極度管和光電三極管組成。發(fā)光二級管在光電耦合器的輸入端加上變化的電信號，發(fā)光二極管就產(chǎn)生與輸入信號變化規(guī)律相同的光信號。光電三級管在光信號的照射下導(dǎo)通，導(dǎo)通程度與光信號的強(qiáng)弱有關(guān)。在光電耦合器的線性工作區(qū)內(nèi)，輸出信號與輸入信號有線性關(guān)系。輸入接口電路工作過程是當(dāng)開關(guān)合上，二極管發(fā)光，然后三極管在光的照射下導(dǎo)通，向內(nèi)部電路輸入信號。當(dāng)開關(guān)斷開，二極管不發(fā)光，三極管不導(dǎo)通。向內(nèi)部電路輸入信號。也就是通過輸入接口電路把外部的開關(guān)信號轉(zhuǎn)化成PLC內(nèi)部所能接受的數(shù)字信號。PLC的繼電器輸出接口電路工作過程是當(dāng)內(nèi)部電路輸出數(shù)字信號1，有電流流過，繼電器線圈有電流，然后常開觸點(diǎn)閉合，提供負(fù)載導(dǎo)通的電流和電壓。當(dāng)內(nèi)部電路輸出數(shù)字信號0，則沒有電流流過，繼電器線圈沒有電流，然后常開觸點(diǎn)斷開，斷開負(fù)載的電流或電壓。也就是通過輸出接口電路把內(nèi)部的數(shù)字電路化成一種信號使負(fù)載動作或不動作。輸出有三種類型：繼電器輸出：有觸點(diǎn)、壽命短、頻率低、交直流負(fù)載；晶體管輸出：無觸點(diǎn)、壽命長、直流負(fù)載；晶閘管輸出：無觸點(diǎn)、壽命長、交流負(fù)載。編程器：分為兩種，一種是手持編程器，方便。我們實(shí)驗室使用的就是手持編程器。二種是通過PLC的RS232口與計算機(jī)相連。然后敲擊鍵盤。通過NSTP-GR軟件（或WINDOWS下軟件）向PLC內(nèi)部輸入程序[28]。4.1.2PLC的基本工作原理一．PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式[29]：（1）每次掃描過程，集中對輸入信號進(jìn)行采樣，集中對輸出信號進(jìn)行刷新。（2）輸入刷新過程，當(dāng)輸入端口關(guān)閉時，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。（3）一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。（4）元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。（5）掃描周期的長短由三條決定：CPU執(zhí)行指令的速度；指令本身占有的時間；指令條數(shù)。（6）由于采用集中采樣。集中輸出的方式。存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應(yīng)延遲。二．PLC與繼電器控制系統(tǒng)、微機(jī)區(qū)別：（1）PLC與繼電器控制系統(tǒng)區(qū)別：前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。前者用“軟件”，后者用“硬件”。（2）PLC與微機(jī)區(qū)別：前者工作方式是“循環(huán)掃描”。后者工作方式是“待命或中斷”。三．PLC編程方式PLC最突出的優(yōu)點(diǎn)采用“軟繼電器”代替“硬繼電器”。用“軟件編程邏輯”代替“硬件布線邏輯”。PLC編程語言有梯形圖、布爾助記符語言，等等。尤其前兩者為常用。因為在本設(shè)計中運(yùn)用的是梯形圖語言進(jìn)行編程，所以要對這語言進(jìn)行了解。其中梯形圖語言特點(diǎn)：（1）每個梯形圖由多個梯級組成。（2）梯形圖中左右兩邊的豎線表示假想的邏輯電源。當(dāng)某一梯級的邏輯運(yùn)算結(jié)果為1時，有假想的電流通過。（3）繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，而它的常開、常閉觸點(diǎn)可以出現(xiàn)無數(shù)次。（4）每一梯級的運(yùn)算結(jié)果，立即被后面的梯級所利用。（5）輸入繼電器受外部信號控制。只出現(xiàn)觸點(diǎn)，不出現(xiàn)線圈。4.1.3PLC主要部件的選擇本設(shè)計采用S7-200，CPU為226，模擬擴(kuò)展模塊為兩塊EM231。226CPU：有24個數(shù)字輸入點(diǎn)、16個數(shù)字輸出點(diǎn)、可帶7個擴(kuò)展模塊、4個模擬量擴(kuò)展模塊。EM231：有4個輸入點(diǎn)。設(shè)備選型在變槳系統(tǒng)設(shè)備選型與硬件電路設(shè)計中作了詳細(xì)介紹，在這就不多做介紹了。4.2編程條件設(shè)計當(dāng)