PLC的风力发电机偏航系统控制
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可是，由于低电压穿越现象的存在，使得发出的电量不能及时并网，从而导致风电的发 展目前陷入了一个萧条期，而低电压穿越问题至今没有根本的解决方案。
第二章 偏航控制系统功能简介和原理
偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统，是风力发电机组电控系统必不可少的重要组 成部分。在风力发电中，为了提高风能利用率，风力发电机组的偏航系统要具有自动偏航的 功能，即偏航系统要自动准确对风。风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动 偏航系统，主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式；被动偏航指的 是依靠风力，通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，除此之外，偏航系统还必须 具备故障检测功能。
1.3.1 世界风电发展.............................................2 1.3.2 我国风电发展.............................................3 第二章 偏航控制系统功能简介和原理.................................3 2.1 偏航控制系统的功能............................................
第一章 概述
1.1 设计背景
电能作为一种应用最广泛和最方便的能源，己经成为当今社会发展和人们生活中必不 可少的一部分。它的利用也已经渗透到生产中的每一个角落，有力地促进了社会生产力水平 和人们生活水平的提高。随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高，然而，随着以石 油、煤炭、天然气为主的常规能源的短缺和环境污染问题的日益加剧，世界能源结构正在孕 育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生绿色能源为基础的可持续能源系统转变。风 能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源,对其开发利用十分必要。在21世纪的今天，众 多的可再生能源中，目前发展最快、商业化范围最广、最为经济的，当数风力发电。
本设计首先分析了偏航系统的工作原理，然后以三菱 PLC 作为控 制器，触摸屏为监控器，设计了硬件系统模块，整个硬件系统采用了 闭环控制，并说明了开环控制的缺点。根据偏航控制要求，设计了自 动对风控制算法，自动解缆控制算法，90°背风控制算法，不仅提高 了风能利用率，增大了发电效率，而且还保证了整个系统的安全性、 稳定性,让风力发电机更好的运行。
酒泉职业技术学院
毕业设计
题 目： 风力发电机组偏航系统的控制
学 院：
酒泉职业技术学院
班 级：
10 级风电（1）班
姓 名：
李世辉
指导教师：
赵玉丽
完成日期： 2012 年 12 月 20 日
摘要
随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高。以石油、煤炭、 天然气为的常规能源，不仅资源有限，而且还会在使用中造成严重的 环境污染。在我们进入 21 世纪的今天，世界能源结构正在孕育着重 大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系 统转变。风能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源己受到全世界 的重视，而风力机的偏航系统能使风能得到更好的利用，所以偏航系 统的设计非常的重要。
2.1 偏航控制系统的功能
偏航控制系统主要有三个功能： （1） 正常运行时自动对风：当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或者向右 调向的指令，机舱开始对风，知道达到允许的范围内，自动对风停止； （2） 绕缆时自动解缆：当机舱向同一方向累计偏转达到一定的角度时，系统控制停机， 或者此时报告扭缆故障，机组自动停机，等待工作人员来手动解缆； （3）失速保护时偏离风向：当有特大强风发生时，机组自动停机，释放叶尖，背风，以 达到保护风轮免受损坏的目的。
1.2 设计研究意义
由于在目前技术条件下风电与火电、水电相比，从造价、电能质量、设备制造和控制 技术等领域存在劣势，使得风电领域的理论和应用研究工作与欧洲等发达国家相比，仍然存 在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还不是很成熟，致使我国大型风力发电机 组儿乎全部为国外进口产品。这样不仅耗费大量外汇，风力发电机组的后期维护也受制他人。 因此，对风力发电机组偏航系统进行科学、合理的控制，能够使得风轮最大程度的捕获风能， 发出更多的电量。同时，深入研究风力发电的各项技术对于持久开发风能和实现大型先进风 力发电机组国产化具有重要意义。
2.2 风力发电机组偏航控制原理
本文风力机偏航的工作原理是：通过风传感器检测风向，并将检测到的风向信号送到微 处理器三菱 PLC 中，微处理器 PLC 计算出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，微处理器 PLC 发出一 定的信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，从而达到对准风向的目的。为了减少偏航时 的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上， 带动风轮偏航对风，当对风结束后，风向标失去电信号，偏航电机停止转动，偏航过程结束。 其具体偏航过程控制原理如下图 2-2-1 所示：
关键词：偏航系统 硬件设计 自动对风 自动解缆
目录
摘 要.............................................................1 第一章 概述.......................................................
目前，已有 48 个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，政策法规对风电发 展起到了至关重要的作用。而欧洲仍是风力发电市场的领导者，其装机容量逐年增加，占全 世界风电总装机的 69%，约提供了欧盟近 3%的电力消费量。据预测，全世界风力发电每年以
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30%左右的速度增长，到 2020 年风力发电将占世界电量的 20%。
4
Hale Waihona Puke Baidu
图 2-2-3 带有避雷装置的风向传感器
图 2-2-4 偏航驱动装置
其中，风向传感器采用绝对式传感器，绝对式风向传感器一般由风向标和旋转编码盘组 成，风向标可随风自由转动，其方向与风向一致，旋转编码盘安装在风向标的转轴上，风向 标转动带动旋转编码盘轴转动，当编码盘处于不同的位置时，就会输出不同的风向。
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1.1 设计背景......................................................2 1.2 设计研究意义..................................................2 1.3 国内外风力发电概况............................................2
1.3 国内外风力发电概况
1.3.1 世界风电发展
近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源 的地位。风力发电机组容量的大型化、重量的轻型化、容量的高可靠性、高效率、低成本将 成为风电产业的发展趋势。
根据全球风能委员会报告，2005 年全世界新增风电装机容量 11769 兆瓦，比上年增加 3562 兆瓦，增长 43%；新增风电总投资达 120 亿欧元或 140 亿美元。截至 2005 年底，世 界风电装机总容量为 59322 兆瓦，同比上年增长 25%。
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3.1.1 自动偏航传感器 ASS 状态...................................
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3.1.2 参数说明和电机运行状态...................................
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3.1.3 偏航控制流程图..........................................错
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3.3 人工偏航控制.................................................错
误！未定义书签。
3.4 自动解缆控制.................................................错
误！未定义书签。
第四章 总结......................................................5 参考文献.........................................................12 致谢.............................................................13
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图2-2-1 偏航控制原理框图 本系统采用三菱 PLC 作为控制器，实行闭环控制，用触摸屏作为人机界面设备，对整 个系统有监督控制功能。 本系统还可将风力发电机组中的普通三相交流偏航电机换成步进电机，相对普通电机来 说，它可以实现开环控制，提高偏航控制的精度，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量 和频率实现步进电机的角度和位移控制，无需反馈信号。但是步进电机不适合使用在长时间 同方向运转的情况，容易烧坏产品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳，工作效率较低。 开环控制系统的优点是结构简单，比较经济。 缺点是它无法消除干扰所带来的误差。而在 闭环控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定 值，信息就能及时反馈给微处理器，产生相应的控制指令去消除偏差。因此，它具有抑制干 扰的能力，能够更好的检测执行器的过程，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特 性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为 提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反 馈控制的补充而构成复合控制系统。 除此之外，系统的主要硬件还包括：风向传感器，偏航驱动电机等。它们的外观分别如 下图2-2-3和2-2-4所示：
1.3.2 我国风电发展
我国风能资源比较丰富，近十几年来，对风能资源状况作了较深入的勘测调查，全国可 开发利用的风能资源总量约 2.5 亿 kw。东南沿海和山东、辽宁沿海及其岛屿，内蒙古北部， 甘肃、新疆北部以及松花江下游等地区均属风能资源丰富区，年平均风速≥6m/s ，有很好 的开发利用条件。这些地区中很多地方常规能源贫乏，无电或严重缺电，尤其是新疆、内蒙 古的大部分草原牧区以及沿海几千个岛屿，人口分散，电网难以通达，或无电力供应，或采 用很贵的柴油发电。如果能够充分开发地区的风能优势，则风力发电正好可以弥补东南沿海 经济发达地区电力短缺的难题，在西北经济落后地区既可以提高当地人民生活水平，又可以 增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度。所以，风力发电作为一种新的、 安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。
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2.2 风力发电机组偏航控制原理......................................
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第三章 偏航系统的控制过程.........................................
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3.1 自动偏航控制..................................................
风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展也受到世界各国政府 的高度重视。自从20世纪80年代现代并网风力发电机组问世以来，随着叶片空气动力学、计 算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容 量从最初的数十千瓦级发展到如今的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全叶片 变距和变速控制发展；运行可靠性从20世纪80年代初的50％提高到98％以上，并且在风电场 运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制；风电场发展空间更加广阔，已从内 陆转移到海上。
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3.1.4 偏航电机电气连接原理图..................................错
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3.1.5 偏航对风控制 PLC 程序....................................错
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3.2 90°侧风控制................................................错
第二章 偏航控制系统功能简介和原理
偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统，是风力发电机组电控系统必不可少的重要组 成部分。在风力发电中，为了提高风能利用率，风力发电机组的偏航系统要具有自动偏航的 功能，即偏航系统要自动准确对风。风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动 偏航系统，主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式；被动偏航指的 是依靠风力，通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，除此之外，偏航系统还必须 具备故障检测功能。
1.3.1 世界风电发展.............................................2 1.3.2 我国风电发展.............................................3 第二章 偏航控制系统功能简介和原理.................................3 2.1 偏航控制系统的功能............................................
第一章 概述
1.1 设计背景
电能作为一种应用最广泛和最方便的能源，己经成为当今社会发展和人们生活中必不 可少的一部分。它的利用也已经渗透到生产中的每一个角落，有力地促进了社会生产力水平 和人们生活水平的提高。随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高，然而，随着以石 油、煤炭、天然气为主的常规能源的短缺和环境污染问题的日益加剧，世界能源结构正在孕 育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生绿色能源为基础的可持续能源系统转变。风 能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源,对其开发利用十分必要。在21世纪的今天，众 多的可再生能源中，目前发展最快、商业化范围最广、最为经济的，当数风力发电。
本设计首先分析了偏航系统的工作原理，然后以三菱 PLC 作为控 制器，触摸屏为监控器，设计了硬件系统模块，整个硬件系统采用了 闭环控制，并说明了开环控制的缺点。根据偏航控制要求，设计了自 动对风控制算法，自动解缆控制算法，90°背风控制算法，不仅提高 了风能利用率，增大了发电效率，而且还保证了整个系统的安全性、 稳定性,让风力发电机更好的运行。
酒泉职业技术学院
毕业设计
题 目： 风力发电机组偏航系统的控制
学 院：
酒泉职业技术学院
班 级：
10 级风电（1）班
姓 名：
李世辉
指导教师：
赵玉丽
完成日期： 2012 年 12 月 20 日
摘要
随着社会经济的发展，人们对电的需求日益提高。以石油、煤炭、 天然气为的常规能源，不仅资源有限，而且还会在使用中造成严重的 环境污染。在我们进入 21 世纪的今天，世界能源结构正在孕育着重 大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系 统转变。风能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源己受到全世界 的重视，而风力机的偏航系统能使风能得到更好的利用，所以偏航系 统的设计非常的重要。
2.1 偏航控制系统的功能
偏航控制系统主要有三个功能： （1） 正常运行时自动对风：当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或者向右 调向的指令，机舱开始对风，知道达到允许的范围内，自动对风停止； （2） 绕缆时自动解缆：当机舱向同一方向累计偏转达到一定的角度时，系统控制停机， 或者此时报告扭缆故障，机组自动停机，等待工作人员来手动解缆； （3）失速保护时偏离风向：当有特大强风发生时，机组自动停机，释放叶尖，背风，以 达到保护风轮免受损坏的目的。
1.2 设计研究意义
由于在目前技术条件下风电与火电、水电相比，从造价、电能质量、设备制造和控制 技术等领域存在劣势，使得风电领域的理论和应用研究工作与欧洲等发达国家相比，仍然存 在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还不是很成熟，致使我国大型风力发电机 组儿乎全部为国外进口产品。这样不仅耗费大量外汇，风力发电机组的后期维护也受制他人。 因此，对风力发电机组偏航系统进行科学、合理的控制，能够使得风轮最大程度的捕获风能， 发出更多的电量。同时，深入研究风力发电的各项技术对于持久开发风能和实现大型先进风 力发电机组国产化具有重要意义。
2.2 风力发电机组偏航控制原理
本文风力机偏航的工作原理是：通过风传感器检测风向，并将检测到的风向信号送到微 处理器三菱 PLC 中，微处理器 PLC 计算出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，微处理器 PLC 发出一 定的信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，从而达到对准风向的目的。为了减少偏航时 的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上， 带动风轮偏航对风，当对风结束后，风向标失去电信号，偏航电机停止转动，偏航过程结束。 其具体偏航过程控制原理如下图 2-2-1 所示：
关键词：偏航系统 硬件设计 自动对风 自动解缆
目录
摘 要.............................................................1 第一章 概述.......................................................
目前，已有 48 个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，政策法规对风电发 展起到了至关重要的作用。而欧洲仍是风力发电市场的领导者，其装机容量逐年增加，占全 世界风电总装机的 69%，约提供了欧盟近 3%的电力消费量。据预测，全世界风力发电每年以
2
30%左右的速度增长，到 2020 年风力发电将占世界电量的 20%。
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Hale Waihona Puke Baidu
图 2-2-3 带有避雷装置的风向传感器
图 2-2-4 偏航驱动装置
其中，风向传感器采用绝对式传感器，绝对式风向传感器一般由风向标和旋转编码盘组 成，风向标可随风自由转动，其方向与风向一致，旋转编码盘安装在风向标的转轴上，风向 标转动带动旋转编码盘轴转动，当编码盘处于不同的位置时，就会输出不同的风向。
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1.1 设计背景......................................................2 1.2 设计研究意义..................................................2 1.3 国内外风力发电概况............................................2
1.3 国内外风力发电概况
1.3.1 世界风电发展
近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源 的地位。风力发电机组容量的大型化、重量的轻型化、容量的高可靠性、高效率、低成本将 成为风电产业的发展趋势。
根据全球风能委员会报告，2005 年全世界新增风电装机容量 11769 兆瓦，比上年增加 3562 兆瓦，增长 43%；新增风电总投资达 120 亿欧元或 140 亿美元。截至 2005 年底，世 界风电装机总容量为 59322 兆瓦，同比上年增长 25%。
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3.1.1 自动偏航传感器 ASS 状态...................................
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3.1.2 参数说明和电机运行状态...................................
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3.1.3 偏航控制流程图..........................................错
误！未定义书签。
3.3 人工偏航控制.................................................错
误！未定义书签。
3.4 自动解缆控制.................................................错
误！未定义书签。
第四章 总结......................................................5 参考文献.........................................................12 致谢.............................................................13
3
图2-2-1 偏航控制原理框图 本系统采用三菱 PLC 作为控制器，实行闭环控制，用触摸屏作为人机界面设备，对整 个系统有监督控制功能。 本系统还可将风力发电机组中的普通三相交流偏航电机换成步进电机，相对普通电机来 说，它可以实现开环控制，提高偏航控制的精度，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量 和频率实现步进电机的角度和位移控制，无需反馈信号。但是步进电机不适合使用在长时间 同方向运转的情况，容易烧坏产品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳，工作效率较低。 开环控制系统的优点是结构简单，比较经济。 缺点是它无法消除干扰所带来的误差。而在 闭环控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定 值，信息就能及时反馈给微处理器，产生相应的控制指令去消除偏差。因此，它具有抑制干 扰的能力，能够更好的检测执行器的过程，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特 性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为 提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反 馈控制的补充而构成复合控制系统。 除此之外，系统的主要硬件还包括：风向传感器，偏航驱动电机等。它们的外观分别如 下图2-2-3和2-2-4所示：
1.3.2 我国风电发展
我国风能资源比较丰富，近十几年来，对风能资源状况作了较深入的勘测调查，全国可 开发利用的风能资源总量约 2.5 亿 kw。东南沿海和山东、辽宁沿海及其岛屿，内蒙古北部， 甘肃、新疆北部以及松花江下游等地区均属风能资源丰富区，年平均风速≥6m/s ，有很好 的开发利用条件。这些地区中很多地方常规能源贫乏，无电或严重缺电，尤其是新疆、内蒙 古的大部分草原牧区以及沿海几千个岛屿，人口分散，电网难以通达，或无电力供应，或采 用很贵的柴油发电。如果能够充分开发地区的风能优势，则风力发电正好可以弥补东南沿海 经济发达地区电力短缺的难题，在西北经济落后地区既可以提高当地人民生活水平，又可以 增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度。所以，风力发电作为一种新的、 安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。
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第三章 偏航系统的控制过程.........................................
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3.1 自动偏航控制..................................................
风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展也受到世界各国政府 的高度重视。自从20世纪80年代现代并网风力发电机组问世以来，随着叶片空气动力学、计 算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容 量从最初的数十千瓦级发展到如今的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全叶片 变距和变速控制发展；运行可靠性从20世纪80年代初的50％提高到98％以上，并且在风电场 运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制；风电场发展空间更加广阔，已从内 陆转移到海上。
误！未定义书签。
3.1.4 偏航电机电气连接原理图..................................错
误！未定义书签。
3.1.5 偏航对风控制 PLC 程序....................................错
误！未定义书签。
3.2 90°侧风控制................................................错