毕业设计论文_大型风力发电机组控制系统设计(4)

陕西科技大学毕业设计说明书 8 用，静负载和动负载，机舱罩材料应具高强度高硬度，表面光滑,均匀厚度，无层件剥离等特点。其中包含齿轮箱、发电机等主要部件。机舱的左边是风力发电转子，叶片与风轮轴。

风力发电机的传动机构包含增速器、主轴、齿轮箱、发电机和联轴器等，它是用于传递机械能，并且将机械能转化为电能的装置。一般情况下，风轮转速低于发电机的转子所必须的转速，增速器要给风轮转动加速。联轴器与制动器往往设计在一起。

发电机是将传动轴传给的机械能转化为电能的装备。一般选用直流发电机、永磁发电机、同步交流发电机、异步交流发电机等作为风电专用发电机。

风力发电机上的发电机与普通电网上的发电设备相比，有所不同：风电机发电机需要在波动的机械能条件下运转。通常使用的风电机发电机是感应电机或异步发电机，有的也使用永磁同步发电机。

齿轮箱也是风电发电机组的关键部件之一，它的作用是在风电机工作在低转速，而发电机在高转速下运作时，使两者实现工作的匹配。叶片产生的转矩通过齿轮的传动递给发电机。齿轮箱结构复杂，在机舱内安装空间小，由于外界工作环境恶劣，常有强风冲击，维修检查显得十分困难，所以齿轮箱材料和可靠性要求比较高。齿轮箱按照传动的方式可以分为：展开式，分流式，同轴式和混合式。

偏航系统也称作对风装置，被安装在机舱座内。它的作用是调控叶片随着风向变化而变化，快速平稳地对准风向，以便风机获得最大的风能，当机舱内引出电缆发生缠绕时，它会自动解缆。 2.4.3塔架部件

塔架的功能是支撑位于空中的机舱、轮片等风力发电主要器件，一般要求高度达到六十米以上，且塔架与地基相连接处要求牢固，能够承受强大的风力冲击以及有风力发电系统运行引起的不同载荷，将这些载荷接地消除，使得整个系统能够平稳安全地运行下去。

风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。600 千瓦风电机的塔高为 40 至 60 米，5 兆瓦级别的塔高则超过 100 米。

根据底座的不同，支撑塔可以为管状，也可以是格子状。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它重量轻，技术相对成熟。?

塔架内部配置线缆还必须将发电机运作得到的电能输送至蓄电池或者变压器传输至电网。塔架内部空间大，必须配有爬梯与安全导轨，备以工作人员操作、维护。塔架的几种基本形式：单管拉线式，衍架拉线式，衍架式和锥筒式。 2.4.4控制系统

控制系统是整个风力发电机组的核心部分，它关系到系统中每一个部件的动作和状态。通常使用 PLC，或者 DSP 微机处理器作为控制器件，它们功能强大，能够应付恶劣的工作环境，所以受到广泛应用。控制系统的功能主要有对运行过程的模拟量和数字量进行采集、传递、分

大型风力发电机组控制系统设计

9 析、运算，从而做出命令控制风电机组的运行，使得功率输出稳定，转速在合理的范围内，若出现故障或者遇到异常情况可以快速准确地检测到并且分析原因，做出相应的保护措施或停机。控制系统通常由各种传感器，微机处理器，编程控制器，软件系统和执行机构组成。图2-2 为风力发电机组控制系统示意图。

用户界面输入用户指令显示运行状态无功补偿根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容主控制器偏航控制根据风速自动对风自动解除电缆缠绕控制各模块的启动停止系统运行状态检测外界环境检测电网运行状态检测温度控制温度检测变桨距控制高于额定功率时功率控制低于额定控制时转速控制液压系统刹车机构压力保持变浆机构压力保持制动系统机械刹车机构气动刹车机构 图2-2 风力发电机组控制系统

控制系统是风力发电机组的“大脑”，由它自动完成风力发电机组的所有工作过程，并提供人机接口和远方监控的接口。控制系统的性能优劣对风机运行的效率和使用寿命有至关重要的影响。其控制软件根据风力发电基础理论研究成果和机组实际运营过程中的数据，能够准确的实现风力发电机组的特殊制要求，对机组的安全可靠性具有十分重要的意义。

风力发电控制系统由偏航控制系统，变桨距控制系统，液压系统，传动系统以及温控系统组成。风力发电控制系统根据这些子控制系统所输出的信号，分析这些信号，了解风电机组的运行状态，采取相应的控制措施。风力发电控制系统的控制目标是：使风电机组获取能量最大化，使风电系统运行稳定，保护风电机组的安全运行。

2.5 本章小结

本章主要介绍了风能利用和风力发电机组的四个主要组成部分：风轮及其组件、机舱及其组件、塔架部件和控制系统，详细介绍了它们的构造和功能。最后还介绍了相关的控制系统。

陕西科技大学毕业设计说明书 0 13 控制系统硬件设计

控制系统的控制目标是：使风电机组获取能量最大化，使风电系统运行稳定，保护风电机组的安全运行。

系统总框图如图3-1 和图3-2 所示：

图3-1 系统总框图1

图3-2 系统总框图2

大型风力发电机组控制系统设计

11 3.1控制系统总体设计

机组的控制系统是保证机组正常运行的核心，要求其能够对运行过程中发出的控制要求实现精确的控制，一个安全、符合要求的控制系统是机组能够可靠运行的保证。控制系统功能图如图3-3 所示。

风力发电系统的状态检测状态监测及风机控制界面风机流程控制模块振动分析及故障预测模块变桨控制模块液压控制模块温度分析及故障预测模块温度控制模块偏航控制模块报警模块 图3-3 控制系统功能图

3.1.1控制系统设计原则

由于风力发电机有他自身的特点，现场操作与维护上的不方便，因此要求所设计的控制系统应具备安全性、可靠性、高效性。

具体要求如下：

（a）冗余技术：由于风电场有自身的特点，以及系统维护的困难性，这就要求风力机具有更高的可靠性。因此，机组的控制系统在设计上应采用冗余技术。比如通信线路、传感器、执行机构等，都应设计备用方案，以备不时之需。

（b）监控系统：要求配备传感器，在系统运行时，对机组的各个部分进行实时监测。 （c）智能化：通过大量传感器的应用和现代化技术的实时监测和在线诊断技术，使得控制器可以很快、准确的根据机组的状态做出动作。这在降低故障发生概率的同时提高了机组的可靠性。对机组进行全面的维护策略设计和各种保护设计。 3.1.2自动运行控制要求 （1）风机全自动启动

陕西科技大学毕业设计说明书 2 1当检测到风速大于启动风速并且维持一段时间后，系统开始工作，风力机组慢慢启动，对各系统开始进行检测，保证风机稳步运行，在运行过程中叶片上的升力和阻力与桨距角之间呈非线性关系，这时要求设计升力程序，使风机随着桨距角的减小，风力发电机的升力始终大于阻力，保证风力发电机转速到达额定转速附近。 （2）偏航控制

当机组运行时，机组自动进行对风控制，使风机自动正对风向。根据系统的控制要求，使得风机的风向角与风机偏航角之间的角度差保持在 5°范围内。当风机旋转超过 3 圈的时候，要使机组自动解缆。 （3）桨距控制

当风力发电机组开始运行时，打开风机刹车开关，调节桨距角使叶片的升力和阻力比值最大。当风速过大时，设计功率控制算法，要求风机能够自动调节桨距角进行桨距控制，减少风机吸收的功率，保证机组的安全、稳定运行。 （4）转速控制

当机组检测到风速低于额定风速时，对风力发电机组的发电机的转速进行控制，实行最大风能追踪，以获得最大的能量。要求设计转速控制算法，使风机能够最大的从风中获取能量，维持最大风能利用系数。 （5） 并网控制

当风机启动时，系统对风机的发电机转速进行检测，当转速传感器检测到发电机转速达到同步转速 1500rpm 附近时，机组闭合并网开关，风机开始发电。 （6） 运行状态监测

在风力发电机的整个运行过程中，为了系统的安全，要求对机组的各个部分进行监测，包括电力参数、风力参数、机组状态参等，保证机组的稳定运行，在监测到风力发电机组出现风速低于启动风速、刹车故障、并网故障等异常运行状态时执行停机操作。 （7）停机

当发出停机信号后，机组进行停机操作，自动控制桨距角到 90°，使风机逐渐减速，当机组检测到功率为 0 后，打开机组并网开关，将风机切出电网，并对机组发出刹车信号，使风力发电机组平稳停车。

3.2偏航控制系统设计

3.2.1偏航系统功能

偏航系统根据风向标采集风向信号，确定风向。根据测得的风向信息驱动偏航马达，从而改变机舱方向。为防止机舱因为对风偏航，朝同一方向偏转多圈而导致连接机舱和塔下控制设备的电缆扭断，偏航系统根据扭缆传感器和偏航编码器所提供的信息，在必要时进行展开电缆，解缆控制。

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库毕业设计论文_大型风力发电机组控制系统设计(4)在线全文阅读。