兆瓦级风电机组偏航系统的设计

兆瓦级风电机组偏航系统的设计

自动化 K031241720 李江

摘要风能是绿色能源。我国在风力发电上的投入和研究也正进入一个快速发展的时期。偏航控制一直未能取得有效的发展。针对这方面的问题，本论文展开了相应的设计。在设计过程主控制器选用了德国beckhoff的软PLC，文中对其硬件模块的组态和编程环境TwinCA T 以及现场通讯协议Profibus-DP做了详细介绍和设计说明。偏航电机的控制选用了西门子G120变频器实现了变频调速，在恶劣环境下减小了偏航系统的振动。运用TwinCAT编程软件对偏航系统的四个部分：自动偏航、自动解缆、自动润滑、人工偏航的程序进行了编写。最后，在个人计算机进行了编译、下载和运行，在联机模式下，通过TwinCAT实时可视化的画面对各种状态进行了模拟运行，该偏航系统在各种状态下呈现出很好的控制效果。

关键词风力发电；偏航控制系统；软PLC

Abstract Wind energy is a green energy. Wind power will fleetly develop in China,too. the technology for yaw syste m wasn’t still developed for a long time.Therefore,aim at this subject,related research and design will be reported in this thesis.Master controller used the German beckhoff soft PLC in the design process, Paper, the hardware modules to their configuration and programming environment TwinCAT and PROFIBUS-DP communication protocol site a detailed description and design specification. Electric motor control yaw selected Siemens G120 frequency converter frequency control in harsh environments reduces the yaw system vibration. TwinCAT programming software using the four parts of the yaw system: automatic yaw, automatic Cable release ,automatic lubrication, artificial yaw program was written. Finally, in the personal computer to compile, download and run, in online mode, real-time visualization by TwinCAT picture of the various state simulation run, the yaw system in various states shows good control effect.

Key words Wind Power Generation; Yaw Control System; soft PLC

前言

能源是人类生存的基本要素，国民经济发展的主要物质基础。由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风力发电技术也随之得到迅猛发展。偏航控制机构是风力机特有的伺服系统，用于控制风电机组跟踪变化的风向，并且当电缆发生缠绕时，能够自动解缆的功能,并能够定时润滑偏航机械机构。1 偏航控制系统硬件设计及选型

风力机的偏航系统由偏航检测机构、偏航控制机构和偏航驱动机构三大部分组成，其中偏航检测机构包括：风传感器、机舱位置传感器；偏航控制机构包括：偏航控制器、变频器；机械驱动机构包括：偏航轴承、偏航润滑系统、偏航驱动装置、偏航制动器。

1.1偏航检测机构

风向信号作为偏航控制系统中最关键的

输入信号，对其准确的测量将影响整个控制系统的性能。风作为矢量，既有大小，又有方向，其测量包括风向和风速两项。设计中测风感器采用的Thies Clima公司测风传感器，风向传感器型号：4.3519.00.141。风速传感器型号：4. 3129.60.141。

由于风力机总是选择最短距离最短时间内偏航对风，由于风向的变化随意性，风力机有可能长时间往一个方向偏航对风，这样就会造成电缆的缠绕，如果缠绕圈过多，超过了规定值，将造成电缆的损坏。为了防止这种现象的发生，通常安装有机舱位置编码器。设计中采用了绝对值编码器，选型为HEIDENHAIN公司ROQ425的绝对型多转编码器。

1.2 偏航控机构

偏航控制平台拥有四层结构,包括网络层,主站层,从站层和现场层。网络层通过TCP/IP协议可以实现远程操作、资源共享及网络化;主站层由嵌入式PC、电源模块、现场总线模块以及其他I/O模块等组成，完成对整个系统的控制；从站层是智能化I/O模块，带内置Profibus-DP接口的总线耦合器，完成现场数据采集、数据交换、控制信号输出等功能;现场层由变频器、偏航电机、风向传感器及电磁阀等组成，完成物理量的检测与变送、接收并执行控制量、实现对偏航电机的控制。偏航控制平台结构图如图1.1所示。控制器和通讯模块配置数量如表1.1所示。

表1.1 控制器和通讯模块置表

这些功能模块可以通过现场总线Profibus-DP与上位机进行通信及数据交换；接收控制量，并将控制量送给控制对象的执行机构；采集现场过程值送入上位机运算，实现实时控制等功能。

图1.1 偏航控制平台结构图

为了使偏航系统达到很好的控制效果，为避免在不同的风速下风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振，设计中选用的变频器，实现了在不同风速下的变频控制，风速与频率对应的关系曲线如图1.2

图1.2 风速与频率对应的关系曲线设计中选用了SINAMICS G120变频器，该变频器是一个由多种不同功能单元组成的模块化变频器。两种主要的单元是：控制单元（CU）、功率模块（PM）。在设计中选用CU240S DP-F型号的控制单元。功率模块选用了PM240功率模块具体型号为6SL3224-0BE31-5AA0。由于在偏航系统中采用Bonfiglioli公司4个100LB电磁抱闸一体化的三相异步电动机，额定电流为5.2A。在选择变频器时，依据电流相加计算，总电流i=5.2×4=20.8A，考虑 1.2倍的裕量i=20.8×1.2=25A,同时考虑了输出功率的问题，最终选择型号为6SL3224-0BE31-5AA0的功率模块。同时，根据设计要求以及制动电阻的选型手册，选用了选型为6SE6400-4BD16-5CA0的制动电阻。

1.3 偏航驱动机构

设计针对的偏航轴承采用的是回转轴承是一种特殊结构的大型轴承，必须定时给轴承润滑。针对轴承的润滑，设计了自动润滑系统，其由润滑泵、油脂分配器、润滑小齿轮、润滑管等组成如图，主要用于偏航轴承滚道及齿面的润滑，润滑系统原理图如图1.3所示。选型：电机选用了单相交流电动机，为力士德YL8014型号的电机，额定功率：0.75kw；额定电压： 220V ；额定电流：4A 额定转速： 1400rpm。