风力发电机偏航系统控制.docx

题 目：风力发电机偏航系统控制
风力发电机偏航系统控制
摘 要
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：

Wind turbine yaw control system
Abstract
In this paper, the wind turbine yaw control mechanism, drive mechanism, based on the use of single-chip PLC as the main control unit, designed for wind turbine yaw control system. Systems based on wind direction, wind speed data collected by sensors, logic control to take the initiative on the wind, to achieve controllability of the wind process. Papers are given based on the wind direction, wind speed sensor yaw control system hardware and software design.
Key words: Wind turbine ；Yaw control system；

目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 概述 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 国外风力发电的发展 3
1.2.1 世界风电资源的开发与利用 3
1.2.2 世界风力发电现状 3
1.2.3 世界风电发展最快的地区 6
1.3 国内风力发电的发展 9
1.4 风电发展的展望 12
第二章 风力发电机组系统构成及功能简介 14
2.1 传统风力发电机 14
2.1.1 笼型异步发电机 14
2.1.2 绕线式异步发电机 14
2.2 现代风机 15
2.3 风力发电的原理 16
2.4 风力发电机系统组成部分简介 18
2.4.1 风力机桨叶系统 18
2.4.2 风力机齿轮箱系统 19
2.4.3 发电机系统 20
2.4.4 偏航系统 21
2.4.5 解缆装置 21
2.4.6 刹车系统 22
2.4.7 塔架 22
2.4.8 控制系统 22
第三章 偏航控制系统功能和原理 24
3.1 偏航控制系统的功能 24
3.2 偏航控制原理 24
3.3 风向、风速信号的采集 26
3.3.1 风向测量 26
3.3.2 风速的测量 27
第四章 偏航控制系统功能和原理 31
4.1 偏航系统的组成 31
4.2 偏航控制机构 31
4.2.1 风向传感器 31
4.2.2 偏航控制器 33
4.2.3 解缆传感器 34
4.3 偏航驱动机构 34
4.3.1 偏航轴承 35
4.3.2 偏航驱动装置 37
4.3.3 偏航制动器 38
第五章 偏航控制系统设计及结果分析 40
5.1 偏航系统控制过程分析 40
5.1.1 自动偏航 40
5.1.2 90度侧风控制 41
5.1.3 人工偏航控制 42
5.1.4 自动解缆 43
5.1.5 阻尼刹车 44
5.2 偏航控制系统硬件设计 44
5.2.1 偏航控制系统总体设计结构与思想 44
5.2.2偏航控制系统硬件电路图 45
5.2.3 偏航控制系统设计各组成器件简介、选型及原理 46
5.3 偏航控制系统软件设计 47
5.3.1 偏航控制系统设计流程图 47
5.3.2主程序 48
5.3.3 结论与分析 57
第六章 总结与展望 58
6.1 全文总结 58
6.2 展望 59
参考文献 60
致谢 61

第一章 概述
1.1 课题的背景和意义

电力种类
平均成本
（ 美分/千瓦﹡每小时）
电力种类
平均成本
（ 美分/千瓦﹡每小时）
煤电
4.8 ~ 5.5
天然气发电
3.9 ~ 4.4
核电
11.1 ~ 14.5
风电(返税前)
4.0 ~ 6.0
水电
5.1 ~ 11.3
风电(返税后)
3.3 ~ 5.3
1.2 国外风力发电的发展
1.2.1 世界风电资源的开发与利用
1.2.2
1.2.3 世界风电发展最快的地区
1.3
1.4 风电发展的展望
第二章 风力发电机组系统构成及功能简介
2.1 传统风力发电机
2.1.1 笼型异步发电机
2.1.2 绕线式异步发电机
2.2 图2.2 绕线式异步发电机的系统构成
2.3 风力发电的原理
2.4 风力发电机系统组成部分简介

2.4.1 风力机齿轮箱系统
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.4.6
第三章
3.1
3.2
3.3 (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)风向、风速信号的采集
3.3.1 风向测量风速的测量
3.4
3.4.1
3.5
3.5.1
a）外齿驱动形式的偏航 b）内齿驱动形式的偏航系统图4.3 偏航系统结构简图

a）外齿形式 b）内齿形式
图4.4 偏航齿圈结构简图
3.5.2
3.5.3 偏航制动器

3.6 偏航系统控制过程分析
3.6.1 90度侧风控制
3.6.2
3.6.3 阻尼刹车
3.7 偏航控制系统硬件设计
3.7.1 偏航控制系统总体设计结构与思想
系统的硬件主要有:偏航电机，纽缆开关，风速仪，风向标，s7200-cpu224
各部分的功能：
偏航电机：为风力发电系统中风机对风及解缆的执行机构,使风机随着风向的变化而转动，对准风向。
接近开关：偏航电机运行的速度位置反馈信号。
风速风向传感器：将风速、风向信号转换成4~20mA的电流信号传给PLC。
PLC：它是兆瓦机组的中央处理单元。接收绝对正北方向信号、风向风速信号和接近开关传给它的风机所处的实际位置,经过逻辑处理，把精确的控制命令传给执行机构即偏航电机。硬件框图如图5.3。

图5.3 硬件框图
3.7.2 偏航控制系统硬件电路图

3.7.3 偏航控制系统设计各组成器件简介、选型及原理
3.8 偏航控制系统软件设计
3.8.1 偏航控制系统设计流程图

3.8.2 主程序
主程序

子程序

中断程序

3.8.3 结论与分析
本设计中通过风向标、风速仪检测风向、风速，并将检测到的风速、风向信号送到PLC中，PLC通过计算风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方向时，PLC发出一定的信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，达到对准风向的目的。 具体输出结果是：
1.正常情况下，风机处于自动偏航状态，控制机舱使叶轮法线方向与风向基本一致 。
2.出现特大强风，遭遇12级以上的大风暴时，控制系统对机舱作90度侧风处理 。
3.当机舱相同一方向转动2圈时，为避免造成电缆缠绕，绞死，甚至绞断 。进行自动解缆控制。

图5-4 偏航控制系统输出控制结果
3.9 总结与展望
参考文献
1．叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M]，北京：机械工业出版社，2002，45-78.
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3．宫靖远.风电场工程技术手册[M]，北京：机械工业出版社，2004，60-79.
4．徐蒲荣.大型风电场及风电机组的控制系统[M]，电气传动自动化，2003，100-145.
5．郑康.变速恒频风力发电系统中的风力机模拟[M]，机电工程，2003，210-267.
6．李勇东.中国风力发电的发展现状和前景[J]，电气时代，2006，16-20.
7．魏毅立.变桨距调速风力发电机组控制系统研究及应用[D]，北京：科技大学博士学位论文，2004.
8．张秋生.蔡纯.风电机组偏航系统设计缺陷分析及改进设想[J]，风力发电，2005，189（12）：25-28.
9．徐德.诸静.风力发电机风向随动控制系统[J]，太阳能学报，2000年第5期.
10．李守好.风力发电装置刹车系统及偏航系统智能控制研究 [M]，西安： 西安电子科技大学，2005，98-154.
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12．胡寿松.自动控制原理[M]，北京：科学出版社，2000，340-410.
13．陈立定.吴玉香.苏开才.电气控制与可编程控制器（M），广州：华南理工大学出版社，2001年2月第一版，170-290.
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致谢
在本论文即将结束时，我真心感谢很多给与我学习和生活关怀帮助的人。张富全老师在课题研究阶段，精心指导、认真讲解设计过程中遇到的各种困难，在这里我向张老师表示真挚衷心的感谢！
此外，还感谢汇全集团的赵智刚工程师和程建邦工程师及电气的所有老师的指导与帮助。感谢你们在研究生期间给予的关心和照顾!
最后还要感谢我的同学，谢谢你们在设计过程中的支持与鼓励。