风力机偏航系统软件设计Word下载.docx
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如果风机朝同一方向旋转一定的圈数,就会造成电缆的缠绕,因此风机在必要时候,需要进行自动解缆,当发出人工偏航信号时,风机执行人工偏航程序,等待人工偏航。
关键词:
偏航系统、风力发电机组、PLC、自动解缆、人工偏航
Abstract
Withdepletion,environmentalpollutionaggravatenon-renewableenergy,promotehumanexplorationofnewenergysources,theuseofnewenergytosolvetheenergyshortage.Windpowerisagreenrenewableenergy,windenergyissimple,canbeusedtogenerateelectricitywindpowerandthereforehasaveryimportantsignificance,theproblemcanbesolvedonenergyandtheenvironment.Duetotheunstablewinddirection,itisnecessarytomakewindturbineskeeponwindconditionsinordertoachievemaximumefficiencyofwindenergy.
Turbineyawsystem,istoimprovetheutilizationofwindenergyandimprovingtheefficiencyofwindpower.ThecontrollerisdesignedusingaSiemensPLC,throughthewinddirectionvanedetectionsignal,thefeedbacktothecontroller,andautomaticallydetermineswhethertheyawandwinddirectiontowindityaw.Ifthefanisrotatinginthesamedirectionacertainnumberoflaps,itwillcausethecablewinding,sothefanwhennecessary,theneedforautomaticuntwisting,whenissuingmanualyawsignal,fansperformmanualyawprogram,waitingformanualyaw.
Keywords:
Yawsystems,Windturbines,PLC,Automaticuntwisting,Manualyaw
第一章引言
1.1风力发电概述
风在日常生活中无处不在,只要有太阳存在,地球的大气就会流动形成风,可以这么说,风是用之不尽的。
风能,即是风的流动所蕴藏的能量,风是大气流动形成的,风能完全是清洁的可再生能源。
正是由于风的清洁,没有污染,煤炭等不可再生能源减少,并且污染环境,影响人类健康生活,使得世界各国将能源发展的战略目标逐渐投向风能,风能得到大力发展。
风能蕴量巨大,并且风能利用起来是非常简单方便的。
风力发电即是利用自然界的风来进行发电。
通过风的流动,让风驱动一些机械装置,再利用机械装置来进行发电,比如我们现在使用的风力发电机。
风力发电机是将风能变为机械能的一种动力机械,原理则就是风力机利用风带动风机叶片旋转,再通过齿轮箱将旋转的速度大幅度提升,这样就能带动发电机高速旋转,发电机从而进行发电,再把风机风力发电机所产生的电能输出出去,通过一系列升压装置,根据需要升压到不同的电压等级后,把电能送到电力系统当中去,这样风力发电产生的电能就通过电网的输送,得到人类的利用。
这就是风力发电的基本原理与利用的大致过程。
1.2研究课题的意义
现如今,随着世界能源的日趋匮乏和科学技术的飞速发展,加上人们对环境保护的要求,然而风力发电和火电厂发电不同,风力发电不需要消耗不可再生能源,风力发电就没有那些所谓的燃料问题,也不会产生空气污染,因此,风力发电具有相当大的意义。
虽然风能是可再生能源,用之不尽,但是风向是不断变化的,这就给风力发电带来了很大问题,本身风能的利用率就不是很高,最高利用率才为0.593,我们就得想办法让风机尽量高的利用风能,因此,偏航控制系统控制的精不精确、可不可靠,直接影响利用风能的效率。
所以说,想要提高风能的利用率,就必须风电机组保持在对风状态,根据风向进行偏航对风,这样我们就需要对风机进行相关控制的设计。
因此,风电机组的偏航系统设计,对最大化利用风能具有重要意义,不进行对风,风能就不会得到有价值的利用,那么风力发电就没有什么存在价值了。
简而言之,风电机组的偏航系统功能必不可少,偏航系统的设计就显得尤为必要。
第二章风力机偏航系统概述
2.1偏航系统的功能
偏航系统是水平轴风力发电机组必不可少的系统之一,目前我国和世界上用于风力发电的风电机组基本都是水平轴的风力机。
偏航系统是一随动系统,偏航系统也称为对风装置,正是由于风速风向是随机性的,是不断变化的,如果风机叶片的扫掠面不能够和风向垂直,风电机组的功率输出就会受到很大影响,风能的利用率就会更低,不仅影响功率输出,而且会加大风电机组的承受载荷。
跟踪风向的不断变化,这就是偏航系统的最主要功能,也是风机偏航系统必备的功能,利用驱动装置驱动机舱旋转,尽量保证风轮扫掠面与风向垂直,在可用的风速范围内可以进行较准确的对风,使风力发电机能够运转平稳、安全、可靠、提供必要的紧锁力矩、高效地利用风能。
机舱每次的反复旋转调整,有时候就避免不了的会使塔底与机舱之间的电缆造成缠绕,缠绕达到一定程度会使电缆扭断,因此偏航系统必须具有解缆这项功能,达到保护电缆功能,而且自动解缆功能的优先级是要高于偏航对风功能的。
2.2偏航系统的工作原理
现在的风电机组的偏航系统主要分为两种类型,即主动偏航和被动偏航,主动偏航一般采用液压拖动或者是采用电力来执行偏航,使风力机进行对风,比较常见的包括齿轮驱动和滑动这两种方式,现在的风电机组,特别是用于并网型的,一般都采用主动偏航齿轮驱动方式。
偏航的过程是可控的,偏航系统控制原理如图2.1所示。
图2.1偏航系统控制原理
如图所示,偏航系统的工作原理为:
风向传感器采集风向信号,然后传送到PLC中,PLC然后对数据进行处理,根据给定的参考标准进行判断,最后发出是否偏航以及往什么方向偏航的指令,使其达到最终对风的目的。
其中角位移传感器是用来记录机舱的位置,可以准确测量机舱偏航多少角度,当角位移传感器读数达到一定角度,需要进行解缆,控制器就会根据角位移传感器的读数决定是否发出解缆信号及解缆方向。
2.3偏航系统的结构组成
偏航系统一般由偏航驱动装置、偏航制动器、偏航轴承、偏航控制器、风速风向传感器、解缆传感器、纽揽保护装置构成。
简单的来说,主要是偏航控制机构和偏航驱动机构这两部分组成了风机的偏航系统。
2.3.1偏航驱动装置
偏航驱动装置,一般由传动齿轮、偏航电机、偏航齿轮箱、减速器、齿轮间隙调整机构等组成。
驱动装置的减速器一般可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与行星减速器串联,由于偏航速度很慢,减速器传动比很大,多采用多级减速器,而且驱动装置一般都是多组的,比如采用2组,4组或者是6组,这些驱动装置都是在偏航大齿圈周围对称分布的,这样可以达到受力均匀、传动平稳的目的。
偏航驱动装置可以采用电动机或者是液压马达来进行驱动,液压马达在技术上已经比较成熟,选用也很方便。
对于偏航电机,一般采用结构简单并且价格便宜的三相异步电机。
图2.2偏航执行器
2.3.2偏航轴承
目前偏航系统主要采用的轴承有两种,一种是滑动轴承,一种则是回转支撑轴承。
虽然滑动轴承的结构比较简单,维护的费用低,成本也比较低,承载能力比较强,但是滑动轴承摩擦系数较大,容易磨损,噪音还比较大。
相比之下呢,回转支撑轴承是一种能够承受综合载荷的大型轴承,这种轴承不仅可以承受轴向力和径向力,还可以承受倾覆力矩,种类有很多种,其摩擦系数较小,噪音小,适于偏航。
目前大多数的
大型风电机组都采用回转支撑轴承。
图2.3回转支撑轴承
2.3.3偏航制动器
风力发电机在停止偏航时,风轮也会因风力载荷,为了不会因受风载荷造成被动偏离风向,因此风力机应装有偏航制动器,并常采用液压钳盘式制动器。
目前偏航制动器有常闭式、常开式两种。
由于目前风力发电机容量越来越大,质量随之也越来越大,转动惯量就会越来越大,常采用常闭式制动器。
制动器一般装有预压阀,即使在松闸状态时,仍会保有小的压力,这样在偏航时候会有一定阻力,使得偏航过程变得稳定。
图2.4偏航制动器结构简图
2.3.4风速风向传感器
风速风向传感器是用来测量风速和风向的装置。
风速风向传感器的种类多种多样,通常使用的大多是旋转式的。
当风速传感器测量的风速低于设定风机启动的风速时,风力机是处于停机的状态,不进行偏航的工作,测量的风速高于风机设定的工作风速,要立即停机,保护风机安全。
风向传感器主要分为相对式和绝对式风向传感器,相对式传感器的优点就是结构比较简单,但是,它测量风向角度的值精度比较低,不能明确测出风向的角度。
然而绝对式风向传感器测量的角度就很准确,测量的是一个确定的角度数值,由于是绝对式的风向,测量的角度就是机舱与风向的实际夹角。
其结构组成主要由旋转编码盘和风向标组成。
绝对式风向传感器的风向标是随风自由旋转、转动的,它的风向标与风向保持一致,风向标转动起来之后,它就会带动旋转编码盘轴转动,编码盘的位置不同,每个位置会输出不同的信号,用来表示不同的风向。
2.3.5角位移传感器
角位移传感器,顾名思义,是用来测量角度的,它是位移传感器中的一种。
一般采用非接触式设计,它的设计独特,在不需要使用诸如滑环、接触式游标、电刷等易磨损的活动部件,但它仍可保证测量精度,与传统的角位移测量仪相比,有效地提高了可靠性和使用的寿命。
本次的采用的角位移传感器用来测量机舱的偏航角度,能够精确测量机舱在某一方向偏航了多少角度,根据角位移传感器的输出数值可以判断何时停止偏航或者是何时进行解缆。
2.3.6偏航控制器
偏航控制器可以有多种选择,比如单片机、DSP、PLC等,偏航控制器主要负责接收和处理信号,根据要求,发送控制信号,来控制整个偏航系统的工作。
2.3.7纽揽开关装置
纽揽开关装置是偏航系统必备的重要装置,属于安全链的一部分。
偏航系统因故障而没有进行解缆,电缆缠绕会更加严重,这种后果就是造成电缆扭断。
风电机组设定了一个极值圈数用来触发纽揽开关动作,纽揽开关动作后,风机安全链就会动作,整个风机紧急停机并发送故障信号,等待人工解缆。
第三章风力机偏航系统硬件选择
3.1风向传感器
风向传感器,主要用来测量风向的,这次设计选择厦门欣锐仪器仪表有限公司的FC-4X风向传感器,用4-20mA模拟量输出。
图3.1风向传感器
其主要参数如下表3-1所示:
表3-1FC-4X风向传感器主要技术参数
型号
FC-4X
FC-4XQ
信号输出
电流信号
脉冲信号
电压信号、RS485/232信号
信号输出方式
4~20mA
1.5/MS
0~5V、1~5V、RS485/232
输入电压
DC24V/DC12V/DC5V
响应时间
<2S
传输距离
>1km
测量范围
0~360度全方位
4、8、16、32方向可选
测量精度
±
0.5%
环境温度
E:
-20~85℃(常用)L:
-55~150℃
工作方式
连续
其他事项
可选配RS485或RS232通讯输出方式
3.2PLC的选择
S7-300系列属于西门子大中型PLC,能够满足大,中规模的性能要求。
本次设计用PLC作为偏航控制器,其优点可靠性高,应用范围广,抗干扰能力强,配套齐全,功能完善,S7-300主要由CPU、电源、存储器、输入输出模块组成,CPU具有PROFIBUS-DP接口,或者具有PtP串行通信接口,都有一个编程用的RS-485接口,本次设计选择西门子PLCS7-300作为偏航控制器。
3.2.1CPU的选择
CPU是控制系统运算和控制的核心部分,由于是用于风电机组中,控制柜有磁场产生,所以选择抗干扰性好的CPU315-2DP来保证控制核心单元的控制准确。
CPU315-2DP扩展灵活,多达32个模块,多点接口MPI,集成的MPI接口可以最多同时建立16个与S7-300或者与PG、PC、OP的连接。
MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。
带有PROFIBUSDP主/从接口的CPU315-2DP可以用来建立高速、易用的分布式自动化系统。
图3.2CPU315-2DP
3.2.2数字量模块选择
数字量模块分为数字量输入模块、数字量输出模块、数字量输入输出模块。
数字量输入模块将现场的数字信号转换成PLC内部的信号电平,把输入的信号输入缓冲区中等待CPU进行采样,采样后再进入输入映像区,常用的SM312系列数字量输入模块有6点,16点,32点三类。
数字量输出模块则是将内部信号转换成现场外部信号电平,用来驱动电磁阀线圈、微型电动机等负载,SM321系列数字量输出有6点,16点,32点三类。
数字量输入输出模块SM323就是在一块模块上具有数字量输入和数字量输出点,一种是8点输入和8点输出的模块,另一种有16点输入和16点输出。
本次选择数字量输入输出模块SM323,DI8/DO8×
24VDC/0.5A型号。
图3.3SM323数字量输入输出模块
3.2.3模拟量模块选择
模拟量模块有模拟量输入、输出、输入输出模块,模拟量输入模块SM331就是将控制过程中的模拟量信号转换成PLC内部处理所识别的数字信号,具有8点输入和2点输出共八种规格;
模拟量输出模块SM332则是将PLC的数字信号转化成系统需要的模拟量信号,控制执行机构或者是控制模拟量调节器,有8点输出、4点输出、2点输出共四种规格;
模拟量输入输出模块有SM334和SM335高速模拟两个子系列,具有以上两种模块的功能,有4点输入4点输出、4点输入2点输出规格。
本次设计选择SM331模拟量输入模块,AO8×
16bit型号。
图3.4SM331模拟量输入模块
3.2.4电源模块选择
电源模块可供多种选择,PS305为户外型电源,输入电压为直流,可以是24/48/72/96/110V,输出直流电压24V;
PS307为普通型电源,比较适合大多数应用场合,可以安装在导轨上,输入电压为交流,可以是120/230V。
根据输出电流分类,有2A、5A、10A三种规格。
本次设计选用PS307,5A电流模块。
图3.5PS307电源模块
3.3角位移传感器选择
角位移主要用来测量机舱的旋转角度,角位移传感器从测量方式上分,可分为接触式和非接触式。
本次主要选择成都锐新仪器仪表有限公司GB-100型角位移传感器。
能确认绝对位置。
通过合适的齿轮配比,将编码器轴旋转角度值换算为相应的编码器输出值,具有断电记忆功能。
信号输出方式为:
4-20mA电流输出,可以直接连接PLC或上位机,测量范围:
0°
-360°
,分辨率:
1°
、0.5°
0.2°
、0.1°
,消耗电流小于等于40mA,电源电压:
DC12~24V。
图3.6GB-100型角位移传感器
第四章风力机偏航系统的软件设计
4.1偏航系统的控制过程
考虑到风机运行安全可靠,并且实现风力机自动化控制等因素,整个偏航系统应该具备自动偏航、自动解缆、人工偏航功能。
当然,每个功能都要有优先级的排序,这样风电机组才能安全可靠的运行。
人工偏航优先级最高,其次是自动解缆,最后才是自动偏航。
总体来讲,风力机偏航的控制过程可以解释如下:
首先,整个偏航系统开始运行后,系统第一次上电,PLC要先进行初始化,然后判断是否进行人工偏航,不进行人工偏航,读取偏航角度β数值,判断是否进行解缆。
不进行解缆,检测风向平均角度α,根据设定的标准判断是否在偏航误差之内,再决定是否自动偏航。
本次的设计由于采用了绝对式风向传感器,风向传感器测量的角度信号就是风向与机舱的实际夹角,不需要寻找相对位置。
计算风向角度平均值具有很多种方法,有算数平均法、首向代表法、单位矢量平均法、矢量平均法几种方法,算数平均法、首向代表法计算误差较大,为了避免风向求取错误,本次设计采用单位矢量平均法对风向进行以下处理,风向求的是平均风向角。
单位矢量平均法将要平均的风向以单位长度投影到X轴与Y轴方向,再对这些投影单独求平均值将
和
求矢量和,得到平均风向,公式如下:
(4-1)
(4-2)
(4-3)
上式中,N为采取的风向样本个数,Dave为所求的平均风向角度范围。
由于arctan值域为(-90°
,90°
),所测量风向角度范围为0~360°
,
为实际风向角度,所以要根据所求结果的所在象限进行以下处理:
>
0,
>
=
(4-4)
<
+180°
(4-5)
<
(4-6)
+360°
(4-7)
主程序流程图如下图4.1所示。
图4.1偏航系统主程序流程图
4.1.1自动偏航
自动偏航,可以说是风机偏航系统中最重要的功能。
自动偏航要根据风向信号,决定风机是否偏航,需要偏航,则需要通过驱动装置,调整机舱方向,达到对风位置,这样就可以随时保持风机叶轮与风向基本垂直,风力发电机组的发电功率才能达到最大。
因为测量的风向角度范围为0~360°
,对应模拟量4~20mA。
设
为向角度,
为所测得的模拟量,角度与模拟量对应关系如下:
(4-4)
由于本次设计的人工偏航优先级和自动解缆优先级都是大于自动偏航优先级的,不进行人工偏航和自动解缆,风力机通过西门子PLCS7-300偏航控制器读取风向传感器的模拟量,通过式(4-4)计算出风向角度,每60s取一次风向角度,共取3个风向角度值,再利用单位矢量平均法,计算3min内的平均风向角度,求取3个风向角度的平均值,把处理过的风向角度与需要进行偏航的风向角进行比较,判断是否偏航。
本次设计风向与机舱夹角小于等于15°
在允许范围之内,在此范围内,则不进行偏航动作。
为了表示和说明方便,假设风向的角度范围为-180°
~180°
,风向角度用α表示,顺时针为正向,首先判断风向,如果-15°
≤α≤15°
,不进行偏航,如果不在此范围内,判断是否15°
α≤180°
,如果在此范围内,风机首先松开偏航闸,偏航电机运转,则进行正向偏航,否则,进行逆向偏航,在自动偏航的同时,读取偏航角度β,如果β前后变化了α,则自动偏航完成,停止偏航电机,抱紧偏航闸。
自动偏航流程图已表示在主程序中。
4.1.2人工偏航
当不需要自动偏航、自动偏航出现错误、自动解缆失败、风机需要维修,则通过人工偏航控制系统,发送人工偏航信号来控制风机的偏航动作。
本次设计的人工偏航系统具体控制过程及流程如下:
程序开始后,首先判断是否检测到了人工偏航的信号,没有检测到人工偏航信号,则PLC继续往下扫描系统程序。
如果检测到了人工偏航信号,则进行人工偏航程序。
进入人工偏航程序后,再检测是否有电机正转或者是电机反转信号,检测到正转信号,则松开偏航闸,电机正转;
检测到电机反转信号,则松开偏航闸,电机反转。
当电机正传或者电机反转信号停止,则先停止偏航电机,延时一会再抱紧偏航闸。
当人工偏航系统检测到人工偏航停止退出信号,则退出人工偏航。
人工偏航模块流程图如下图4.2所示。
图4.2人工偏航模块流程图
4.1.3自动解缆
自动解缆功能,对于风力机是必不可少的。
大自然中的风是不稳定的,风向时刻在变化,风向的变化,就会使得风机要经常进行偏航对风,具体的偏航方向也是不断变化并且是不确定的,只要风机进行偏航操作,风机的电缆也会随机舱旋转而扭转。
当风机朝某一个方向连续旋转,旋转的圈数过多,这就会导致风机的电缆进行缠绕,绞在一起,甚至会把电缆绞断,这样,我们就必须设定解缆程序,保护电缆,以免发生缠绕。
为了安全考虑,虽然有了自动解缆程序,但是如果自动解缆因为故障并没进行自动解缆,因此我们必须设定风机旋转的极值圈数,安装纽揽保护开关。
当旋转的圈数达到了设定极值,纽揽开关就会动作,安全链触发,风机进行紧急停机,等待人工进行解缆。
纽揽开关一般设置在安全链中,所以纽揽开关一般不设置在自动解缆软件编程中。
本次设计的自动解缆如下:
首先设定机舱的初始位置,机舱的初始位置对应角位移传感器读数180°
位置,角位移通过减速器与风机6:
1关系连接。
角位移传感器输出的4~20mA模拟量对应机舱旋转角度-1080°
~1080°
,用y表示机舱旋转的角度,x表示角位移输出的模拟量,两者具有以下关系式:
机舱逆时针旋转记为负向旋转,角度记录为负值,顺时针旋转,角度记录为正值。
PLC通过读取角位移传感器的模拟量信号,通过上式(4-5)计算出风机的总偏航角度β,如果判断-800°
≤β≤800°
不成立,需要进行自动解缆,如果β>
800°
,则松开偏航闸,风力机逆时针偏航旋转;
如果β<
,则松开偏航闸,风力机逆时针偏航旋转,直到风力机回到初始位置,停止偏航电机,延时一段时间,抱紧偏航闸,停止解缆动作。
其实,自动解缆没有必要精确到机舱初始0°
位置,一般偏航角度到达一定角度范围内,就可以认为解缆完成,本次设计的范围为-15°
β<
15°
,在此范围内则结束解缆动作。
当然,如果因为故障,自动解缆没有成功执行,这样有时就会造成机舱朝同一方向旋转超过规定的圈数,造成电缆损坏。
为了避免这样的情况发生,风机要安装纽揽保护开关,当风机超过规定的旋转圈数,纽揽开关就会动作,触发安全链动作,使风机紧急停机,等待人工处理,人工偏航进行解缆。
本次设计规定圈数为3圈就会触发纽揽开关动作。
自动解缆模块程序流程图如图4.3所示。
。
图4.3自动解缆模块程序流程图
4.2偏航系统的软件编程
西门子PLCS7-300编程方式有功能模块语言(FBD)、梯形图语言(LD)、结构化文本语言(ST)、指令表语言(IL)、顺序功能流程图
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