風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)探討

緒論：寫作既是個(gè)人情感的抒發(fā)，也是對(duì)學(xué)術(shù)真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的1篇風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)探討范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)探討:選兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)

摘 要

在新常態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新形勢(shì)下，我國(guó)的各大產(chǎn)業(yè)都進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的調(diào)整、優(yōu)化，并且我國(guó)的相關(guān)政策也明確要求要大力發(fā)展環(huán)保經(jīng)濟(jì)，構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)。本文圍繞兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的組成成分和其所具備的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)展開，對(duì)兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的工作原理和工作過程進(jìn)行詳細(xì)的分析、論述，以促進(jìn)我國(guó)新能源資源的快速開發(fā)。

【關(guān)鍵詞】變速恒頻 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 控制 系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，我國(guó)的各大產(chǎn)業(yè)都進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，我國(guó)政策也明確的要求要大力發(fā)展環(huán)保經(jīng)濟(jì)，構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)。科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，為我國(guó)新能源――風(fēng)能的開發(fā)提供了技術(shù)支撐和雄厚的物質(zhì)保障。眾所周知，風(fēng)能資源是大自然饋贈(zèng)于人類豐厚的禮物，這種資源取之不盡、用之不竭，是人類社會(huì)發(fā)展中一大綠色能源資源。為了有效地促進(jìn)風(fēng)能資源的開發(fā)、利用，降低其使用成本，加大對(duì)兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究力度是有效地方法之一。

1 兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的構(gòu)成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)在機(jī)組進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中扮演著至關(guān)重要的角色，如果將這一系統(tǒng)比作生物人的話，那么其控制系統(tǒng)就相當(dāng)于生物人的神經(jīng)指揮、控制中樞，其重要地位不言而喻。在這一系統(tǒng)中，各個(gè)部分之間在功能上既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，共同影響著發(fā)電機(jī)組的工作狀況，控制系統(tǒng)、傳感器、總控制器、風(fēng)輪、增速機(jī)構(gòu)以及電網(wǎng)等都是其重要的組成部分，具體的示意圖如圖1所示。

2 兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)分析

由于兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)研發(fā)面世的時(shí)間比較晚，其主要是在整合失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)原理與技能的基礎(chǔ)之上而問世的，對(duì)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了取其精華棄其糟粕的加工處理后具備的主要優(yōu)勢(shì)、特點(diǎn)有：

（1）兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)輸出的功率要更平穩(wěn)一些，對(duì)功率進(jìn)行平穩(wěn)的輸出是為了保證發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行持續(xù)性的工作；

（2）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)可以最大限度地捕獲風(fēng)能，在額定的風(fēng)速以上進(jìn)行作業(yè)，這樣既能充分地利用風(fēng)能資源，又能增添其作業(yè)時(shí)的安全性；

（3）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)具有更好的柔性，其控制系統(tǒng)擁有更加完善的保護(hù)功能裝置。兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)所具備的這些優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，既對(duì)我國(guó)的新能源資源開發(fā)、利用技術(shù)進(jìn)行了大力的傳承、發(fā)揚(yáng)，同時(shí)又為我國(guó)清潔能源――風(fēng)能的開發(fā)提供了性能更優(yōu)的技術(shù)、設(shè)備支撐，有力的促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的生態(tài)化、和諧化、環(huán)保化發(fā)展。

3 對(duì)兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的分析、研究

我國(guó)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)組成圖如圖2所示。

3.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的控制原理依據(jù)分析

在兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)控制中，其原理的主要依據(jù)是貝茲證明：

Pr=0.5 δ π R2 Cp （1，λ，β） V3

在這一公式中，δ：空氣的密度；

V：風(fēng)的速度；

R：風(fēng)輪的半徑；

Cp（λ，β）：風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)；

λ：葉尖速比；

β：槳葉節(jié)距角；

3.2 對(duì)兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的控制過程分析

一般的，兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，其主要的運(yùn)作過程有以下五部分：

（1）當(dāng)外界的自然風(fēng)力的速度大于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的風(fēng)速，并持續(xù)達(dá)到十分鐘的時(shí)間時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)就會(huì)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)艙，其主要是根據(jù)風(fēng)向傳感器所指示的方向來進(jìn)行的自動(dòng)對(duì)風(fēng)，并使葉輪自動(dòng)處于迎風(fēng)位置，即迎風(fēng)口。

（2）當(dāng)外界的自然風(fēng)力的速度持續(xù)達(dá)到第一步中的切入風(fēng)的速度十分鐘時(shí)，控制系統(tǒng)中的制動(dòng)器松閘，此時(shí)，風(fēng)力機(jī)會(huì)由最開始的待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入到比較低的風(fēng)速啟動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)候，葉輪就能夠吸收風(fēng)能，齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)速度也能夠在短時(shí)間內(nèi)得到極快的提升并帶動(dòng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行相關(guān)的作業(yè)。

（3）當(dāng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到小電機(jī)并網(wǎng)的要求時(shí)，并在相關(guān)的工作人員對(duì)其設(shè)備進(jìn)行檢查確保沒有故障問題之后，將小發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。

（4）當(dāng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到大電機(jī)的并網(wǎng)要求時(shí)，在相關(guān)的工作人員對(duì)其設(shè)備進(jìn)行檢查確保沒有故障問題之后，將大發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。

（5）相關(guān)的工作人員要對(duì)大發(fā)電機(jī)和小發(fā)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行功率的補(bǔ)償和速度功率以及發(fā)電功率的優(yōu)化。

在分析、闡述的過程之中，我們可以明顯發(fā)現(xiàn)這一裝置系統(tǒng)還需要進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，以此來增強(qiáng)其性能，擴(kuò)大其用途，經(jīng)過相關(guān)學(xué)者和專家研發(fā)的網(wǎng)側(cè)變換器控制策略就是一種不錯(cuò)的改進(jìn)策略。至于其具體的工作原理和裝配設(shè)置，筆者在此就不一一贅言了。

4 結(jié)束語(yǔ)

在新常態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新形勢(shì)下，為了有效地促進(jìn)我國(guó)清潔能源資源――風(fēng)能資源的開發(fā)利用，加大兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的研究力度，改進(jìn)其控制技術(shù)、策略，是當(dāng)前我國(guó)開發(fā)新能源資源的一項(xiàng)有效方法和技術(shù)。在我國(guó)的未來發(fā)展中，應(yīng)該投入更多的時(shí)間、經(jīng)歷和物資在這一領(lǐng)域的開發(fā)、應(yīng)用，以促進(jìn)我國(guó)清潔能源資源的進(jìn)一步開發(fā)、利用、發(fā)展。

作者單位

北京京能新能源有限公司輝騰錫勒風(fēng)電分公司 北京市 013550

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)探討:基于ATMEGA16垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了基于Atmega16的電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)主要用于同軸型直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓控制，該設(shè)計(jì)主要分為主電路和控制電路。其中主電路包括：采用二極管和濾波電容組成的整流濾波電路，采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關(guān)功率管的穩(wěn)壓電路，以及蓄電池充電電路。控制電路采用ATMEGA16單片機(jī)經(jīng)過軟件編程生成PWM波，作為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，從而對(duì)IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷進(jìn)行控制，穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓。同時(shí)，在PWM脈寬調(diào)制的過程中加入軟開關(guān)技術(shù)，提高了IGBT的頻率，減小了損耗。

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力發(fā)電：PWM脈寬調(diào)制：IGBT開關(guān)功率管；ATMEGA16單片機(jī)；軟開關(guān)技術(shù)

0　概述

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，是新能源開發(fā)中重要的項(xiàng)目。風(fēng)力發(fā)電的基本原理是空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，通過葉輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用葉輪通過轉(zhuǎn)軸直接連接與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的連接方式，不需要迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受360度方位中任何方向來風(fēng)，主軸永遠(yuǎn)向設(shè)計(jì)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了風(fēng)能的利用率，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、并便于維護(hù)。然而風(fēng)力并不穩(wěn)定，即單位時(shí)間內(nèi)通過葉輪的風(fēng)量并不恒定，造成葉輪轉(zhuǎn)速變化較大，也就無法保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，其輸出的電壓、頻率都有較大變化難以使用。為了使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能能夠應(yīng)用，需要采用一定的控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率進(jìn)行控制。

本設(shè)計(jì)是針對(duì)同軸型直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(已獲專利，專利申請(qǐng)?zhí)枺?00810049517)的電壓控制系統(tǒng)。其核心是利用單片機(jī)的計(jì)算和控制能力對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算，從而排除和減少由于騷擾信號(hào)和模擬電路引起的誤差，大大提高了輸出電壓的穩(wěn)定性，降低了對(duì)模擬電路的要求。

1　垂直軸風(fēng)力發(fā)電電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成，其中主電路包括整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、充電電路；控制電路包括Atmega16、檢測(cè)保護(hù)電路、顯示電路等。如圖1所示：

1.1　主電路設(shè)計(jì)

主電路的輸入端采用二極管搭建的三相橋式不可控整流電路，將發(fā)電機(jī)輸出24V～100V的不穩(wěn)定交流電轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的近似直流電，再經(jīng)電容濾波獲得平滑的直流電；穩(wěn)壓電路將近似直流電通過閉環(huán)控制電路轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓向蓄電池充電。如圖2所示：

(1)BUCK電路

穩(wěn)壓電路是采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關(guān)功率管的降壓斬波電路，當(dāng)IGBT接通時(shí)，經(jīng)電容濾波獲得平滑的直流電通過LL平波和CS濾波后向蓄電池充電；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，LL通過二極管D7續(xù)流，保持充電電流連續(xù)。

1.2　控制電路設(shè)計(jì)

垂直軸發(fā)電機(jī)的電壓穩(wěn)定控制電路如圖3所示，由單片機(jī)Atmega16、驅(qū)動(dòng)電路、顯示屏等組成，完成控制和驅(qū)動(dòng)輸出兩部分。同時(shí)在PWM脈寬調(diào)制的過程中采用軟開關(guān)技術(shù)。

(1)Atmega16

Atmega16是ATMEL公司設(shè)計(jì)研發(fā)的高速低功耗8位單片機(jī)，其I／O口功能強(qiáng)，具有2路PWM直接輸出，可以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，8路10位高速A／D轉(zhuǎn)換功能，能夠采樣得到蓄電池充電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，從而精確控制充電電壓，且

使用方便快捷。

在本系統(tǒng)中，Atmega16主要用于產(chǎn)生一定脈寬的PWM波，作為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，根據(jù)基準(zhǔn)電壓與檢測(cè)到穩(wěn)壓電路的輸出反饋電壓的比較，調(diào)整脈寬。改變占空比，控制發(fā)電機(jī)輸出電壓，并對(duì)充電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和充電電壓等模擬信號(hào)經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)單片機(jī)處理后由顯示屏以數(shù)字方式顯示。

(2)驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)中采用惠普公司的成品驅(qū)動(dòng)模塊HCPL316J來驅(qū)動(dòng)IGBT，可以大大提高設(shè)備的可靠性。該芯片為光耦隔離，COMS／TTL電平兼容，過流軟關(guān)斷，最大開關(guān)速度為500ns，工作電壓15V～30V，欠壓保護(hù)，可以驅(qū)動(dòng)150A／1200V的IGBT。

驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波信號(hào)加在HCPL316J的第1腳，輸入部分需要1個(gè)5V電源，RESET腳低電平有效，故障信號(hào)輸出由HCPL316J的第6腳送至單片機(jī)的PD0口關(guān)閉PWM波信號(hào)，在發(fā)生過流情況時(shí)及時(shí)關(guān)閉PWM輸出。輸出部分采用+15V和-5V雙電源供電，用于產(chǎn)生正負(fù)脈沖輸出，HCPL316J的14腳為過流檢測(cè)端，通過二極管VD檢測(cè)IGBT集電極電壓，在IGBT導(dǎo)通時(shí)，如果集電極電壓超過7V，則認(rèn)為是發(fā)生了過流現(xiàn)象，HCPL316J慢速關(guān)斷IGBT，同時(shí)由第6腳送出過流信號(hào)。

(3)軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)是在脈沖調(diào)制電路中，加入L、C諧振電路，使開關(guān)器件中的電流或電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流過零時(shí)，使器件關(guān)斷，當(dāng)電壓過零時(shí)，使器件開通，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的近似零損耗。同時(shí)，有助于提高頻率，提高開關(guān)的容量，減小噪聲。

本設(shè)計(jì)中增加了帶有輔助開關(guān)控制的零電流開關(guān)變換，如圖5所示。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，在LR的作用下，S1零電流導(dǎo)通，ILR=I0o當(dāng)S1、S2導(dǎo)通一關(guān)斷時(shí)，CR開始產(chǎn)生電壓，D7在零電流下自然關(guān)斷；之后，LR與CR開始諧振，經(jīng)過半個(gè)諧振周期，ILR再次諧振到I0，UCR上升到最大值，而ICR為零，S2關(guān)斷，UCR和ILR將被保持。當(dāng)S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷時(shí)，Uin正常向負(fù)載I0供電。當(dāng)S1導(dǎo)通一關(guān)斷、S2導(dǎo)通時(shí)，在LR作用下，S2電流為0，諧振再次開始，當(dāng)1LR反向諧振到0時(shí)，S1完成

關(guān)斷。當(dāng)S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通時(shí)，UCR在I0作用下，衰減到0。當(dāng)S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通一關(guān)斷時(shí)，D7自然導(dǎo)通開始續(xù)流。由于D7的短路作用，S2可在此后至下一周期到來前完成關(guān)斷。S1、S2均由單片機(jī)進(jìn)行控制，其中S1在前四個(gè)階段均導(dǎo)通，恢復(fù)及續(xù)流時(shí)關(guān)斷，S2的作用主要是隔斷諧振產(chǎn)生保持階段。S1、S2的有效控制產(chǎn)生了PWM的效果，并利用諧振實(shí)現(xiàn)了自身的軟開關(guān)。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電電壓控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要條件，采用模塊化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了程序的可移植性。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要分為四大模塊組成：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、中斷模塊、顯示模塊。

系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的是各模塊程序的鏈接，如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)入初始化模塊，對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的AD、中斷、顯示等各參數(shù)進(jìn)行初始化；接下來進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理模塊，單片機(jī)通過傳感器和充電電路的采樣電阻分別循環(huán)采樣垂直軸發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和充電電壓，然后將采樣值經(jīng)AD轉(zhuǎn)化處理后進(jìn)入顯示模塊，將采樣值顯示在液晶屏上；同時(shí)在中斷模塊中，將系統(tǒng)輸出反饋電壓與預(yù)先設(shè)置的基準(zhǔn)電壓按一定比例進(jìn)行比較，調(diào)整脈寬，改變占空比，控制發(fā)電機(jī)輸出電壓。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)是中斷模塊。在程序中將單片機(jī)的PD4口設(shè)置為輸出PWM波，同時(shí)設(shè)置基準(zhǔn)電壓U0和輸出的PWM波頻率。單片機(jī)將系統(tǒng)輸出反饋電壓U和U0進(jìn)行比較；當(dāng)U與U0不相等時(shí)，程序產(chǎn)生中斷，單片機(jī)根據(jù)q=U*q0／U0計(jì)算出所需要的占空比，從而改變PD4口輸出的高低電平的持續(xù)時(shí)間，產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制IGBT的通斷時(shí)間，調(diào)整充電電壓。

3　總結(jié)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制，能夠解決風(fēng)力發(fā)電輸出電壓和頻率范圍過大。無法給蓄電池充電的問題，且具有穩(wěn)壓精度高、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、高效率、可維護(hù)性好且能自動(dòng)調(diào)節(jié)等特性，可廣泛應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)探討:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電動(dòng)變槳控制系統(tǒng)論述

【摘要】在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，變槳機(jī)組已經(jīng)取代定槳機(jī)組成為風(fēng)機(jī)商業(yè)化發(fā)展的主流。變槳系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組功率控制和平穩(wěn)運(yùn)行的重要執(zhí)行部分，在其運(yùn)行中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。本文主要討論風(fēng)力機(jī)組功率控制方法，研究了模糊PID 統(tǒng)一變槳距功率控制系統(tǒng)、基于來流角預(yù)測(cè)的獨(dú)立變槳距功率控制策略。

【關(guān)鍵詞】變槳機(jī)構(gòu)；獨(dú)立變槳；

一、變槳系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)采用變速變槳距調(diào)節(jié)的控制方式，通過頻率轉(zhuǎn)換器耦合發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)，允許通過控制發(fā)電機(jī)的反作用力矩來改變轉(zhuǎn)速，在高風(fēng)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩被保持在額定水平，變槳距控制用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速及功率，

二、控制器及仿真模型建立

針對(duì)本系統(tǒng)，將模糊控制與PID控制算法相結(jié)合設(shè)計(jì)了一種通過模糊規(guī)則切換兩種控制規(guī)律的無觸點(diǎn)的切換方式，優(yōu)化了控制器的設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了常規(guī)算法的不足，采用這種方法的Fuzzy-PID分段復(fù)合控制器和仿真模型

三、風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)概述

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷加大，塔架高度和葉輪直徑也隨之不斷擴(kuò)大，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速的情況下，槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中其最高端和最低端垂直高度上的功率吸收相差20% 以上，這使得普通葉輪統(tǒng)一變槳距控制在大型機(jī)組上無任何優(yōu)勢(shì)可言。變槳距控制系統(tǒng)作為兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的核心部分之一，對(duì)機(jī)組高效、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行具有非常重要的作用。而獨(dú)立槳葉變距系統(tǒng)的每只槳葉都有一套獨(dú)立的變距伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用獨(dú)立槳葉變槳距控制方法可以減少傳動(dòng)系統(tǒng)的故障率，減輕輸出力矩脈動(dòng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，提高機(jī)組運(yùn)行壽命。同時(shí)獨(dú)立槳葉變距控制不僅擁有普通葉輪整體變距控制的優(yōu)點(diǎn)，還能很好地解決垂直高度上風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)機(jī)的影響這一不利因素。但是如果采用液壓伺服驅(qū)動(dòng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，會(huì)給維護(hù)和修理造成一定難度。因此，獨(dú)立變槳距控制系統(tǒng)現(xiàn)在通常都采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

本文在分析風(fēng)電機(jī)組變槳距控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化的變槳距控制策略，利用Matlab/Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)了基于模糊控制的變槳距控制器，使控制效果得到了提高。下面的實(shí)例，是以典型的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)來說明變槳控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。一般的獨(dú)立電動(dòng)變槳控制，主要是由3套獨(dú)立的變槳裝置組成，不但提高了風(fēng)力機(jī)的輸出功率，還可以允許3個(gè)槳葉獨(dú)立變槳，即使在其中一個(gè)槳葉剎車制動(dòng)失敗時(shí)，其他2個(gè)槳葉也可以實(shí)現(xiàn)安全剎車的過程，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性，能全面滿足其剎車制動(dòng)需要。

電控變槳系統(tǒng)構(gòu)成

變槳距控制（Active Pitch Control）技術(shù)，簡(jiǎn)單來說就是通過調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角，改變氣流對(duì)槳葉的攻角，從而控制風(fēng)輪捕獲的氣動(dòng)功率和氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩。近年來國(guó)內(nèi)外在變槳距控制上，主要采用液壓變槳控制和電控變槳控制，以及目前正處在研制階段的電液比列變槳控制。其中電變槳距主要采用了兩種控制方法，即統(tǒng)一變槳距控制（Collective Pitch Control）和獨(dú)立變槳距控制（Individual Pitch Control）。統(tǒng)一變槳距控制指風(fēng)力機(jī)全部葉片的節(jié)距角都同時(shí)改變相同的角度，是目前使用最廣泛、應(yīng)用最為成熟的控制技術(shù)；獨(dú)立變槳距控制是指風(fēng)力機(jī)的每支葉片根據(jù)自己的控制規(guī)律獨(dú)立地變化節(jié)距角，是在統(tǒng)一變槳距的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型變槳距控制理論和方法，具有較高的前導(dǎo)性。

四、統(tǒng)一變槳距的功率控制與仿真

PID控制器根據(jù)PID控制原理，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，以其算法簡(jiǎn)單、應(yīng)用性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域。根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，基于模糊邏輯的參數(shù)自整定PID控制器，在解決線性控制問題的同時(shí)，也能很好地應(yīng)用于非線性系統(tǒng)。在功率控制過程中，模糊控制器根據(jù)功率偏差信號(hào)e及其變化率e調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kp、微分系數(shù)Kd和的積分系數(shù)Ki數(shù)值，因此模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心算法。從實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)和PID算法中各環(huán)節(jié)的不同作用，設(shè)計(jì)者可以總結(jié)出參數(shù)整定規(guī)則，這些規(guī)則為制定模糊控制規(guī)則提供了依據(jù)和算法基礎(chǔ)。

五、獨(dú)立變槳距功率控制與仿真

風(fēng)速在風(fēng)輪平面內(nèi)沿高度的分布具有極高的持續(xù)性和規(guī)律性，因此我們可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。其預(yù)測(cè)方法為，預(yù)先測(cè)量塔影效應(yīng)和風(fēng)切對(duì)風(fēng)速分布的影響，之后使用大量觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去估算不同高度的風(fēng)速。考慮到在統(tǒng)一變槳的基礎(chǔ)上，用特定式對(duì)每個(gè)槳葉指定位置的來流角進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，并利用其變化量分別修正每個(gè)槳葉的節(jié)距角，則得各槳葉的節(jié)距角變化量，最后以特定式實(shí)現(xiàn)對(duì)來流角的預(yù)測(cè)。

六、統(tǒng)一變槳與獨(dú)立變槳的系統(tǒng)分析

在風(fēng)力機(jī)槳葉氣動(dòng)力分析中我們得知，槳葉在劇烈變化的軸向氣動(dòng)力下將產(chǎn)生“揮舞”型震顫。鑒于此，通過節(jié)距角跟隨來流角變化式來完成獨(dú)立變槳控制。預(yù)測(cè)段來流角的變化能被各槳葉的節(jié)距角迅速跟蹤，可以很好地限制攻角周期性變化幅值，減輕了槳葉的氣動(dòng)疲勞載荷，同時(shí)也控制了軸向氣動(dòng)力變化的幅值，對(duì)于延長(zhǎng)槳葉的使用壽命起到了重要作用。

獨(dú)立變槳和統(tǒng)一變槳在功率控制效果上，獨(dú)立變槳比統(tǒng)一變槳更合理。在大型風(fēng)力機(jī)中，槳葉會(huì)因氣流發(fā)生“揮舞”型震顫，通過分析和仿真，我們提出基于來流角預(yù)測(cè)的獨(dú)立變槳距控制策略，應(yīng)用于統(tǒng)一變槳的模糊PID 參數(shù)自整定控制器設(shè)計(jì)，這就能使統(tǒng)一變槳距控制較好地實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)電機(jī)組對(duì)功率控制的要求。由于風(fēng)速在風(fēng)輪平面上分布不均勻，獨(dú)立變槳可以使節(jié)距角在風(fēng)速低的位置時(shí)較小，風(fēng)速高的位置時(shí)較大，這樣可以減少槳葉在風(fēng)輪不同位置的氣動(dòng)扭矩波動(dòng)，使輸出功率更平穩(wěn)。仿真結(jié)果表明，獨(dú)立變槳距控制可有效減輕槳葉的氣動(dòng)疲勞載荷，減小因風(fēng)速沿高度分布不均勻產(chǎn)生的氣動(dòng)軸向力的周期性變化，因此獨(dú)立變槳距控制比統(tǒng)一變槳距控制所輸出功率更加穩(wěn)定。本文僅對(duì)變槳距控制的方法和控制結(jié)果進(jìn)行分析，尚待在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)探討:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣與控制系統(tǒng)快速檢修思路探索

【摘 要】風(fēng)電機(jī)組檢修是發(fā)電設(shè)備管理中必不可少的一環(huán)，筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，闡述了對(duì)機(jī)組控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)故障檢查工作的思路，并進(jìn)行了歸納和總結(jié)，為風(fēng)電場(chǎng)檢修新員工快速理解風(fēng)電機(jī)組功能原理，掌握設(shè)備檢修方法提供了參考。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機(jī)組；設(shè)備檢修；電氣檢修；控制系統(tǒng)；故障診斷；風(fēng)力發(fā)電；清潔能源

0 引言

在風(fēng)電場(chǎng)組建檢修隊(duì)伍開始，往往不乏剛從學(xué)校走向崗位的畢業(yè)生，沒有見過風(fēng)電設(shè)備，同時(shí)更不具備對(duì)設(shè)備的檢修經(jīng)驗(yàn)。如何在短期內(nèi)完成對(duì)新員工的安全和檢修技能培訓(xùn)，使其短時(shí)間內(nèi)具備分析故障、處理故障的能力，是擺在檢修部門面前的一道難題。由于新機(jī)組運(yùn)行較穩(wěn)定，故障率較低，除了在實(shí)習(xí)期內(nèi)由師傅帶徒弟上機(jī)維護(hù)外，基本沒有更好的辦法讓新員工快速積累檢修經(jīng)驗(yàn)。

因此，為解決這個(gè)問題，檢修部門往往編制出自己的檢修作業(yè)指導(dǎo)書或故障處理手冊(cè)，檢修班長(zhǎng)也需要將自己的檢修經(jīng)驗(yàn)的精華總結(jié)出來，從理論上向新員工進(jìn)行灌輸。但是只有文字、圖片還是不夠的，為提高新員工的實(shí)際操作水平，筆者認(rèn)為在保證安全的情況下，設(shè)置一些故障讓新員工進(jìn)行實(shí)際操作，是十分有必要的，并且，應(yīng)將設(shè)備檢修過程條理化。本文主要從控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)闡述給新員工進(jìn)行故障分析和實(shí)際操作培訓(xùn)的一些思路，使其建立對(duì)設(shè)備功能的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和檢修操作能力。

1 風(fēng)電機(jī)組電氣和控制系統(tǒng)檢修的總體框架

控制系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組的大腦和神經(jīng)，感知和控制風(fēng)電機(jī)組所有系統(tǒng)的設(shè)備，并使其正常運(yùn)行。

風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)主要由PLC主機(jī)，PLC通訊模塊，安全鏈模塊、數(shù)字輸入DI、數(shù)字輸出DO模塊和模擬輸入模塊AI等專用模塊組成。通信模塊通過某種通訊協(xié)議將PLC主機(jī)的指令和設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行傳輸，使相應(yīng)的電氣設(shè)備工作在要求的狀態(tài)下。

風(fēng)電機(jī)組安全鏈回路是保障機(jī)組安全運(yùn)行的重要回路，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)采取串聯(lián)回路連接而成，只要回路中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開，安全鏈便發(fā)出指令讓風(fēng)電機(jī)組馬上緊急停機(jī)，避免發(fā)生安全事故，從邏輯上看，安全鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)是邏輯與的關(guān)系，只有安全鏈各個(gè)邏輯量是1，機(jī)組才允許正常運(yùn)行。安全鏈回路監(jiān)控的項(xiàng)目有：超速，振動(dòng)，變槳，偏航扭纜，緊急停機(jī)按鈕，PLC主機(jī)等。

在風(fēng)電機(jī)組報(bào)故障后，現(xiàn)場(chǎng)檢查的方法往往是頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳，沒有對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的檢查。對(duì)于新員工來說，對(duì)設(shè)備的認(rèn)知也經(jīng)常是局部的，沒有連貫性和系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，故障報(bào)警列表中，往往不能直觀看出故障的先后順序，且故障總數(shù)有時(shí)可能達(dá)到5～10條，如此情況對(duì)于新員工來說，無疑加大了學(xué)習(xí)和實(shí)踐的難度。為使其系統(tǒng)化的理解和扎實(shí)的掌握檢修技能，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的檢修經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出如下的檢修思路。

2 風(fēng)電機(jī)組電氣和控制系統(tǒng)檢修的具體步驟

2.1 PLC檢查

由于PLC是控制的核心，所以要首先檢查PLC的工作是否正常。通過檢查操作界面，確認(rèn)PLC的軟件版本、工作狀態(tài)是否正確，不存在死機(jī)的現(xiàn)象。之后，外部檢查PLC的狀態(tài)顯示是否正常，同時(shí)感知PLC外殼，確定設(shè)備工作沒有過熱現(xiàn)象。

2.2 通訊檢查

PLC工作正常后第二步檢查通訊功能，如果控制系統(tǒng)通訊存在問題，則風(fēng)電機(jī)組所有的設(shè)備狀態(tài)包括安全鏈的信號(hào)都無法檢測(cè)到。通訊模塊檢查項(xiàng)目主要包括：通訊模塊的電源供電模塊是否正常工作，通訊模塊的接頭和接線是否正確，設(shè)置的通訊波特率是否合適，通訊地址是否正確，通訊光纖的信號(hào)強(qiáng)度是否充足，接線是否正確。

2.3 安全鏈檢查

在通訊功能正常后，第三步檢查安全鏈回路。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的控制邏輯，如果安全鏈回路不閉合，機(jī)組的主要設(shè)備都是不能開始工作的。安全連回路檢查流程中，首先要確認(rèn)安全鏈模塊的工作狀態(tài)正常，安全鏈的軟件工作正常，如果安全鏈模塊已經(jīng)發(fā)生損壞，則在更換新模塊之前，后面一切檢查都是徒勞的。如果安全鏈軟件有問題，則需要重新下載或灌裝安全鏈程序。

排除軟硬件故障后，在根據(jù)電路圖紙接線原理，根據(jù)回路檢查各安全節(jié)點(diǎn)的功能是否正常，檢查過程中要分清故障原因。有的情況是安全鏈信號(hào)傳輸過程中存在干擾或故障，而非發(fā)生了不安全事件。而有的故障原因是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)確實(shí)達(dá)到了觸發(fā)安全報(bào)警的極限。如發(fā)生了嚴(yán)重的扭纜狀態(tài)，機(jī)艙振動(dòng)超限等。當(dāng)所有安全連回路閉合，且狀態(tài)正常后，主設(shè)備開始工作，之后就可以進(jìn)行各分系統(tǒng)的檢查和故障排除。

2.4 各分系統(tǒng)設(shè)備檢查

風(fēng)電機(jī)組各分系統(tǒng)設(shè)備包括變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。在檢查這些系統(tǒng)設(shè)備時(shí)，要嚴(yán)格按照電路圖所指示的回路進(jìn)行檢查。而檢查電氣回路的類別主要分為控制回路和動(dòng)力回路。

控制回路主要有測(cè)量、控制和反饋三種功能。測(cè)量功能主要是將各類型傳感器如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、位置、加速度、風(fēng)速、風(fēng)向、電壓、電流等信號(hào)轉(zhuǎn)換成特定范圍的電壓信號(hào)以供PLC卡件測(cè)量來判斷設(shè)備的工作狀態(tài)。傳感器的電壓一般較低，但是也有例外情況，如有些電壓互感器的電壓值就在230V，如不小心，會(huì)有觸電的危險(xiǎn)。這些測(cè)量信號(hào)有的是電壓信號(hào)，有的是電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。因此，檢查和更換傳感器時(shí)，要注意電流傳感器回路中的分壓電阻的好壞，更換新的傳感器后也要注意安裝正確的分壓電阻。

控制功能主要是由PLC卡件發(fā)出24V控制信號(hào)，用弱電控制接觸器吸合和斷開以實(shí)現(xiàn)接通或斷開動(dòng)力電源的目的，達(dá)到自動(dòng)啟停電氣設(shè)備的作用。接觸器常見的損壞形式有，觸頭粘連，電磁線圈失效等，其結(jié)果均造成不能有效控制電氣設(shè)備，直至設(shè)備狀態(tài)參數(shù)超出正常的范圍而被測(cè)量信號(hào)檢測(cè)出來，報(bào)出故障。

反饋功能回路是對(duì)于一些帶有輔助觸點(diǎn)、漏電保護(hù)或過流保護(hù)的開關(guān)和接觸器，用來監(jiān)視、檢測(cè)這些設(shè)備的狀態(tài)，從而判定是否有過流、漏電等故障，這些信號(hào)一般是與PLC數(shù)字輸入的DI卡件形成的回路，通過常開、常閉邏輯判定被監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)。DI模塊及回路使用相同的0V和24V的直流電壓而不是動(dòng)力電壓380V，如當(dāng)空開跳開后，連帶的輔助開關(guān)也跳開了，PLC的DI模塊由閉合變成斷開，使PLC捕捉到這些信號(hào)，并報(bào)出故障。

動(dòng)力回路主要有三相回路和單相回路，單相電壓主要有230V和380V兩種。不論是檢查接觸器還是接線端子檢查，在檢修過程中都要注意斷電和驗(yàn)電的安全事項(xiàng)。同時(shí)在上電前要注意檢查設(shè)備的相間及對(duì)地絕緣狀況，以免上電出現(xiàn)短路，損壞設(shè)備。在電機(jī)維修后，還要驗(yàn)明相序是否正確，避免電機(jī)反轉(zhuǎn)。

電氣設(shè)備故障的檢查應(yīng)首先根據(jù)故障類型對(duì)照?qǐng)D紙找到相應(yīng)的電氣回路，觀察回路中有無明顯的故障現(xiàn)象，如跳閘、過熱、燒損或接線松脫等，以判定是否出現(xiàn)過流現(xiàn)象或電氣元件的機(jī)械零件失效，進(jìn)行更換。如沒有明顯故障現(xiàn)象，通過控制界面查看是哪個(gè)反饋信號(hào)或測(cè)量信號(hào)不正常，檢查對(duì)應(yīng)的設(shè)備工作狀態(tài)是否存在問題。如設(shè)備狀態(tài)正常且無損壞，檢查測(cè)量回路和反饋回路是否正常。如無問題，檢查控制回路及控制元件，之后是動(dòng)力回路和電氣設(shè)備。按照上述檢測(cè)方法，不但使檢查思路變得較為清晰，同時(shí)也加深了新員工對(duì)控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著風(fēng)電機(jī)組的不斷發(fā)展，機(jī)組的故障診斷技術(shù)也在不斷發(fā)展，各種診斷技術(shù)的相互融合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)是保證故障診斷準(zhǔn)確有效的方向，成熟良好的診斷技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)電機(jī)組中，必將推動(dòng)風(fēng)電事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。