中国矿业大学
风力发电机毕业设计
（含程序）
第一章 绪论 4
1．1 引言 .................................................................................................................................... 4 1．2 国内外风力发电技术的研究现状 .................................................................................... 4 1．3 风力发电机组控制技术概述 ............................................................................................ 6
1．3．1 风力机定桨距控制技术 ...................................................................................... 6 1．3．2 风力机变桨距控制技术 ...................................................................................... 6 1．4 本课题的研究目的和意义 ................................................................................................ 7 1．5 本文的主要研究工作 ........................................................................................................ 7 1．6 本章小结 ............................................................................................................................ 8 第二章 风力发电机的控制理论 9
2．1 引言 .................................................................................................................................... 9 2．2 风力发电机组的组成 ........................................................................................................ 9 2．3 风力发电机组空气动力学理论 ...................................................................................... 10
2．3．1 风力发电机组空气动力学理论基础 ................................................................ 10 2．3．2 风力机风轮空气动力学分析 ............................................................................ 13 2．4 风力机变桨距调节原理 .................................................................................................. 15
2．4．1 变桨距控制理论简述 ........................................................................................ 15 2．4．2 变桨距风力发电机组的运行状态 .................................................................... 17 2．5 本章小结 .......................................................................................................................... 18 第三章 变桨系统的总体方案及机械机构设计 19
3．1 风力发电的工作状态分析 .............................................................................................. 19 3．2 现有的几种变桨系统比较 .............................................................................................. 20 3．3 总体方案的设计 .............................................................................................................. 21 3．4 方案的选取 ...................................................................................................................... 22 3．5 变桨系统的机构设计 ...................................................................................................... 22
3．5．1 轮毂 .................................................................................................................... 23 3．5．2 变浆轴承 ............................................................................................................ 24 3．5．3 变浆齿轮箱 ........................................................................................................ 26 3．5．4 电机 .................................................................................................................... 27 3．5．5 UPS ................................................................................................................... 33 3．5．6 变浆中心润滑系统 ............................................................................................ 36 3．5．7 润滑剂 ................................................................................................................ 38 3．6 本章总结 .......................................................................................................................... 39 第四章 变桨控制系统的硬件和软件的设计 40
4．1 变桨系统的功能概述 ...................................................................................................... 40 4．2 变桨距系统的控制原理 .................................................................................................. 40
4．2．1 变距控制 ............................................................................................................ 41 4．2．2 转速控制A（发电机脱网） ............................................................................ 41 4．2．3 速度控制B（发电机并网） ............................................................................ 42 4．2．4 功率控制 ............................................................................................................ 42 4．3 控制系统实现方案 .......................................................................................................... 47
4．3．1 变桨控制系统的设计准则 ................................................................................ 47 4．3．2变桨系统的设计步骤 ......................................................................................... 48 4．4 变桨系统的硬件设计 ...................................................................................................... 48
4．4．1 逆变电路的设计 ................................................................................................ 48 4．4．2 基准电压设计 .................................................................................................... 49 4．4．3 传感器 ................................................................................................................ 50 4．4．4 转速传感器的选用 ............................................................................................ 54 4．5 PLC的设计 .................................................................................................................... 57 4．6 PLC编程软件STEP7-Micro/WIN32 ........................................................................... 61 4．7 PLC软件程序设计 ........................................................................................................ 62 第五章 总结与展望 65
（页码共96页，因特殊情况未调整，若需图纸发邮件：
*****************
第一章 绪论
1．1 引言
能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体素系极大地推动了人类社会的发展。然而人类在物质、精神生活不断提高的同吋感悟到大规模使用化石燃料所造成严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，因此人类注意到大力开发一种凊洁、安全、可持续能源系统—风力发电。
太阳的辐射造成地表面受热不均，空气流动产生了风，风能是储量非常巨大可再生能源，它不会因人类的开发利用而枯竭。大力开发、利用风能进行发电，功在当代，利在千秋。风能技术作为一种极具开发前景的能源技术越来越受到重视。我国有丰富的风力资源，适合风力发电的地域广阔，风能利用潜力大，特别是东南沿海及岛屿、新疆和内蒙边远地区常年风季，具有良好的风能利用条件。小型风力机的推广使用，可以很好的解决单个居民或小群体由于电网无法达到而用电难的问题，大型机组的并网发电可以缓解当前工农业生产的用电需要矛盾，所以大力发展风能利用技术对我国社会、经济和环境的可持续发展将起到重要的作用。风力发电机组是风力发电的主要装置，它是风电技术中的核心。最初的风力发电机组大都是设计成能够进行全桨叶变桨距的，因为从最基本的空气动力学角度来进行分析，当风速改变的时候，桨叶桨距角如果能够做出相应的改变，使得气流对叶片的迎风攻角能够保持最佳，这样就能够使风力机对风能的利用效率达到最高。但是在最开始的时候，设计人员对风力机整体运行状况的认识还相当不足，设计出来的变桨距系统的可靠性和实用性都远远不能满足当时风力机正常稳定运行的要求，所以后来进入到商品化的风力机都放弃了在当时设计并不成熟的变桨距机构，而采用了相对结构简单控制方便的定桨距结构，也就是通过桨叶结构设计的自动失速性能来限制当风速超过额定风速时候风力机的功率输出。
随着相关学科的发展和风力机理论研究的不断深入，人们对风力机运行的具体情况和桨叶的各种受力状态已经有了比较深入的了解，从功率控制角度，设计人员已经不再满足于仅仅保证风力机运行的稳定可靠，还开始追求更高的风能利用效率。因为采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，并使整个风力机的受力状况大为改善，这对大型风力机的总体设计十分有利。因此近几年来，随着风力机功率的不断提升，变桨距控制技术又重新成为了风力发电机组研究的热点。
1．2 国内外风力发电技术的研究现状
在二十世纪九十年代后，风电技术有着迅猛的发展。风能作为清洁的可再 生资源受到全世界的重视，国外各风电强国对定桨距风力机和变桨距风力机的 设计、控制和运行己有完整的理论和手段，建立了许多大型风电技术研究机构，
如美国国家风能研究中心（NWTC）、丹麦的黑绍（RISO）实验室、荷兰的风 能研究中心（ECN）等。为了提高经济效益、降低风电单位千瓦造价，风力发 电机单机容量朝着大型化方向发展，目前兆瓦级风力机己经是国际风电市场上 的主流产品，美国7兆瓦风力机己经研制成功，而英国正在研制10兆瓦的巨 型风力机。
此外美国国家风能技术中心目前正在研制的自适应变桨距风力机，力图通 过桨叶材料上的设计，使桨叶在低于额定风速下保持最优捕获风能状态。当风 速高于额定风速时，桨叶在风力的作用下，根据风速的大小做出相应的变形， 从而自动改变桨叶的桨距角。
我国的风电产业与欧美发达国家相比，起步较晚。二十世纪五、六十年代开始研制微型和小型风电机组，主要用于解决农牧业区的生产和生活问题。在中大型风电机组的设计和制造技术上，一直发展比较缓慢。从1986年山东荣城建立了我国第一个风电场并且并网发电以来，我国的风电产业才开始真正的起飞。但我国风力发电事业在近20年来已取得了可喜的进展。目前，具有自主知识产权的1.5 MW的变速恒频风力发电机组的成功开发，标志我国在风电技术上取得新的突破。但是整体上来说，我国在风电技术的理论和应用研究工作与发达国家存在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还十分薄弱，风力发电机组的大型化、变桨距控制技术、无齿轮箱风力机直驱发电机技术、变速恒频运行等先进风力发电技术还未解决，致使我国大型风力发电机组几乎全部为国外进口产品。因此，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。
从风电技术的发展趋势来看主要体现在如下几个方面: (l)风力发电机组大型化、单机装机功率的提高; (2)变桨距控制技术替代了定桨距控制技术; (3)变速恒频风力发电机组的开发和商品化; (4)机械方面的改进，主要体现在通过结构动力学和机械结构优化设计的研究，避免或减少由于风的扰动而引起的有害机械负荷，减少部件所受的应力和有关部件及整体的重量;另一个动向是采用新型整体式驱动系统，集主传动轴、变速箱和偏航系统为一体，从而减少零部件数目，增强传动系统的刚性和强度;
(5)空气动力方面的改进，在空气动力方面最重要的发展是进行新型叶片的翼型设计，以捕获更多的风能;
(6)海上风力发电场的开发，海上丰富的风能资源和风电技术的进步及经验的不断积累，预示海上风能将在全球范围内迅速增长，也势必推动海上风能的规模化开发及海上风电产业的进步。
风力发电机组的大型化、变桨距控制技术、无齿轮箱风力机直驱发电机技术、变速恒频运行等先进风力发电技术还有待进一步研究和应用，直到今天，我国大
型风力发电机组还几乎全部为国外进口产品。因此，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。
1．3 风力发电机组控制技术概述
现代风力发电机组的研究和设计从技术上讲，涉及到包括空气动力学、高分子材料、机电控制原理、机械设计与制造学、振动理论等多个学科领域。近年来，这些学科的迅速发展为风力发电机组的研究和设计提供了良好的理论基础，因此现代风力发电技术发展越来越快，单机容量也越来越大。提高风能利用效率、改善风电质量、降低风电成本是发展风电技术的前提条件，许多学者利用现代控制技术在改善风电系统性能、风力发电机组的优化运行和改进风力发电设备等方面进行了大量的研究。随着计算机与先进控制技术在风力发电领域中的应用，风力机控制方式也从基本单一的定桨距失速控制向变桨距控制方向发展，甚至向智能型控制发展。
1．3．1 风力机定桨距控制技术
定桨距失速控制是传统的控制方式，采用该控制方式的风力机叶片直接固定在轮毂上，叶片的安装角在安装时确定好，在运行期间不能变化。失速型叶片气动外型的设计能够使高风速下通过上翼面的气流出现分离，也就是所谓的失速现象。失速会导致叶片的升力下降而阻力上升，同时随风速增大气动效率下降，限制了风力发电机的最大输出功率。但是受失速特性的影响，通常风力发电机的输出功率在达到额定风速后有所下降。另外，定桨距失速控制的风力机最大升力对由温度和海拔高度的变化所引起的空气密度的变化比较敏感。定桨距失速控制的失速是由于叶片的空气动力特性而被动产生的。当风速变化引起输出功率变化时，通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，从而使控制系统大为简化。其缺点是叶片重量大(与变桨距风力机叶片比较)，轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。
1．3．2 风力机变桨距控制技术
变桨距控制是根据风速的变化来调整叶片的桨距角，从而控制发电机的输出功率，变桨距控制风力机的叶片通过轴承固定在轮毂上，可以绕叶片的轴线转动来调整叶片的桨距角。在高风速情况下，桨距角随着风速的增加不断向正的安装角度方向调整，减小气流攻角以保持较小的升力来限制功率。由于桨距角可以连续调节，因此在高风速情况下可使发电机的输出功率保持在额定功率，这意味着变桨距风电机组对由温度和海拔高度的变化所引起的空气密度的变化并不敏感。 当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用Optitip技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比以优化输出功率。且在刹车时，叶尖刹车装置制动叶轮的同时叶片转动，相当于气体刹车，从而减少了机械刹车对传动系统的冲击，减轻了刹车结构的负荷。
综上所述，与定桨距控制技术相比，变桨距控制的优点是桨叶较为轻巧，桨距角可以随风速的大小而自动调节，因而能够尽可能更多的吸收风能，同时在高风速段保持平稳的功率输出，如图1-1所示。从风电技术发展趋势来看，小容量的风力机尚可使用定桨距失速控制，大容量的风力机大多采用变桨距控制技术。
1．4 本课题的研究目的和意义
随着世界各国对能源需求的持续增长，煤炭、石油等常规能源的逐渐枯竭 以及环境污染问题的日益严重，人类越来越重视可再生能源的利用。在众多的 可再生能源中，风能以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐。风力发电 具有建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、不污染环境、不淹没土地等优 点，被世界各国优先采用，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。我 国是人口大国，又是资源相对缺乏的国家，要实现我国全面建设小康社会和社 会经济的可持续发展，就必须协调解决好发展、能源、环保的关系。开发绿色 能源，大力发展风力发电事业可优化我国能源消费结构，降低对国外石油能源 进口的依赖度，具有十分重要的战略意义。
风力发电的缺点是风能不稳定，这使得控制技术和伺服传动技术成了风力机的关键技术。随着风力发电机组单机容量的大型化，变桨距控制风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。变桨距风力发电机组并网后可对输出功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有明显改善。同时变桨距系统自身可以组成闭环，，变桨距控制系统的水平也得到进一步提高，而我国目前在这一领域的研究还处于起步阶段，与国际先进水平尚有不小差距。开展变桨距的设计与控制的研究，对于打破发达国家对先进风力发电技术的垄断，对我国的风力发电技术水平更上一个层次具有重要意义。
1．5 本文的主要研究工作
从风力发电机组大型化、变速变桨距的要求出发，本文从风力发电机组变
桨距基本理论出发，鉴于设计了PLC控制技术的风力发电机组电动变桨距的设计与控制。本文主要进行的研究工作如下：
（1）依据风力机桨叶空气动力学原理，分析了风力机的受力情况，从理论 上推出变桨距控制规律；同时根据变桨距控制规律，设计了采用plc控制 技术的变桨距整体控制方案。
（2）以LUST和SSB为参考，设计了变浆控制机构。根据变桨系统的控制原理和1.5MW的风机变桨系统的基本参数，对国内的变桨构件进行介绍与选购。
（3）根据控制系统方案和变桨距系统的特点，本文以PLC为下位机，设计开发了系统控制器。PLC接受主控制器给定的桨距信号，通过电动机的转动和反馈信号对桨叶进行控制，并设计PLC外围电路和相应的软件程序。
1．6 本章小结
风力机变桨距控制系统及其执行机构的设计是整个变桨距调节型风力发电组设计中的关键技术之一。本章简述了课题研究的目的和意义，说明了本课题研究的可行性和必要性，并简单介绍了风力发电机组的控制技术在风电系统中的应用研究状况，探讨了风电技术在国内外的研究现状及发展趋势，最后说明了本课题的主要研究内容。
第二章 风力发电机的控制理论
2．1 引言
随着风力发电技术的不断成熟，风力发电机组的自动化程度的逐步提高，设计人们不仅满足于提高风力机运行的可靠性，而且开始追求高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线，变桨距控制型风力机的优越性显得更加突出。从今后的发展趋势来看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距控制技术。本章在对风力机桨叶进行空气动力学分析的基础上，探讨变桨距调节原理，为变桨距控制提供理论基础；并在此基础上，对风力发电机组变桨距电液比例控制系统的总体方案进行设计。
2．2 风力发电机组的组成
图2-1 风力发电机组的结构
风力发电机组是风力发电的主要装置。风力发电机组的样式虽然很多，但其原理和结构大同小异。本文以水平轴风力发电机组为例做介绍，它主要由以下几部分组成：风轮、传动机构（增速箱）、发电机、机座、塔架、调速器（限速器）、调向器、停车制动器等，如图2-1所示。
（1） 风轮
风轮一般由2~3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。轮
毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件，同时轮毂也是控制叶片桨距角（使叶片作俯仰转动）的所在。 （2）调速或限速装置
在很多情况下，要求不论风速如何变化风力机转速总保持恒定或不超过某一限定值，为此目的而采用了调速或限速装置。调速或限速装置从原理上来看大致有三类：一类是使风轮偏离主风向，另一类是利用气动阻力，第三类是改变叶片的桨距角。
（3）调向装置
调向装置的作用是在外界风向发生变化时能够使风轮对准风向，以尽可能高效的吸取能量。 （4）传动机构
传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。 （5）发电机
发电机将风轮传递来的机械能转化为电能。风力机常用的发电机有四种直流发电机，永磁发电机，同步交流发电机，异步交流发电机。
（6）塔架
风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。
对于变桨距控制风力机而言，除了上述各主要装置外，还有一个变桨距机构。变桨距机构一般可以分为两种：一种是电机执行机构，另一种是液压执行机构。液压执行机构通过液压系统推动桨叶转动，改变桨叶的桨距角，该类机构以其响应频率快、扭矩大、便于集中布置等优点目前占有主要的地位。此外电机变桨距执行机构是另一种重要方法，该机构利用电动机对桨叶进行控制，由于其结构紧凑可靠，不像液压变桨距机构那样结构相对复杂、存在非线性，但该机构动态特性相对较差、有较大的惯性，且电机本身如果连续频繁地调节桨叶，将产生过量的热负荷使电机损坏。
2．3 风力发电机组空气动力学理论
2．3．1 风力发电机组空气动力学理论基础 （1） 风能的计算
由流体力学知，在单位时间内气体的动能为：
mv2 E （2－1）
2式中：m－单位时间内气体的质量，kg； ν－气体的速度，m/s。
设单位时间内，气体流过截面积为S的气体的体积为V，则
VSv （2－2）
该体积的空气质量为：
mVSv （2－3） 式中：ρ－空气密度，kg/m3。
单位时间通过该截面的气流动能可表示为：
X1360 Z1113 （2－4）
式（2－4）即为风能的表达式。
从风能的公式可以看出，风能的大小与气流密度ρ、通过截面面积S成正比，与气流速度ν的立方成正比。其中ρ和ν与地理位置、海拔、地形等因素有关。 （2） 贝兹理论
风力机的第一个气动理论由德国科学家贝兹（Betz）于1926年建立，Betz假设风轮是由无限多个叶片组成，风轮没有轮毂，气流通过风轮时没有阻力。此外，还假设气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度方向为轴向方向。
现分析气流通过上述理想风轮的情况，如图2-2所示。
图2-2 流过风轮的气流图
图中：ν1表示距离风力机一定距离的上游风速；ν表示通过风轮时的实际风速；ν2表示距离风轮远处的下游风速。
设通过风轮的气流其上游截面为S1，下游截面为S2。假设空气是不可压缩的，由连续条件可得：
S1v1SvS2v2 （2－5）
由于通过风轮后的气流动能会降低，ν2必然低于ν1，所以通过风轮的气流截
面积从上游至下游是增加的，即S2>S1。
风作用在风轮上的力可由动量定理写出：
FSv(v1v2) （2－6） 故风轮吸收的功率为：
PFvSv2(v1v2) （2－7） 气流的动能转换为风轮的功率，从上游到下游的动能的变化为：
12 ESv(v12v2) （2－8）
2令式（2－7）与式（2－8）相等可得：
v(v1v2)/2 （2－9） 将上式代入式（2－6）和式（2－7），可得作用在风轮上的力和提供的功率分别为：
12S(v12v2) （2－10） 212 PS(v12v2)(v1v2) （2－11）
4对于给定的上游速度ν1，将P看成ν2的函数。写出以ν2为自变量的功率变
F化关系，将式（2－11）微分得：
dP12S(v122v1v23v2) （2－12） dv24令
dP0，解得v2v1/3，代入式（2－11）可得最大功率。最大的功率为： dv28Sv13 （2－13） 27将上式除以气流通过扫掠面S时风所具有的动能，可推出风力机的理论最大
Pmax效率（理论上的风能利用系数）：
max8Sv13P16max270.593 （2－14）
1ESv13272上式就是有名的贝兹理论的极限值。。由此可知风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的
转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数CP<0.593。风力机实际的有用功率输出为：
1 PsSv13CP （2－15）
2（3） 风力机的特性系数
讨论风力机的能量转换与控制时，以下特性系数具有特别重要的意义。 （1）风能利用系数CP
风能利用系数CP用来表示风力机从自然风能中吸取能量的大小程度。
P CP （2－16）
1Sv132式中：P－风力机实际获取的输出轴功率，W； ρ－空气密度，kg/m3；
ν1－上游的风俗，m/s； S－风轮的扫风面积，m2。
（2）叶尖速比λ
叶尖速比λ表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的圆周速度和风速之比来衡量。
2RnwR （2－17） v1v1式中：n－风轮的转速，r/s； ω－风轮角速度，rad/s；
R―风轮半径，m。
2．3．2 风力机风轮空气动力学分析 （1） 风轮在静止情况下叶片的受力
风力机的风轮由轮毂及均匀分布安装在轮毂上的若干桨叶所组成。在安装这些桨叶时，必须对每支桨叶的翼片按同一旋转方向，桨叶围绕自身轴心线转过一个给定的角度，即使每个叶片的翼弦与风轮旋转平面（风轮旋转时桨叶柄所扫过的平面）形成一个角度β，这个角度称为桨距角。图2-3是风力机启动时的受力图。
图2-3 风力机启动时的受力情况
设风轮的中心轴位置与风向一致（保持两者的一致由偏航系统控制，本文不作研究），当气流以速度v流经风轮时，在桨叶I和桨叶II上将产生气动力F和F'。将F和F'分解成沿气流方向的分力Fx和Fx’（阻力）及垂直气流方向的分力Fy和Fy’（升力）。阻力Fx和Fx’形成对风轮的正面压力，而升力Fy和Fy’则对风轮中心轴产生转动力矩，从而使风轮转动起来。 （2） 风轮在转动情况下叶片的受力
假设在理想状态下，风速与风轮旋转面保持垂直，当风轮在某个风速ν下以角速度ω稳定转动时，取叶片上距转轴中心r处一小段叶片元（叶素）为研究对象，此叶片元相对气流的速度Wr是风速ν与该叶片元绕轮毂轴向线速度ωr的矢量和。如图2-4所示，此时桨叶与该叶片元的攻角α是Wr与翼弦的夹角。
图2-4 旋转桨叶的气流速度及受力情况
气流以相对速度Wr吹向叶片元，在叶片上产生气动力F。参考叶轮静止时受
力分析，F可以分解为在风轮旋转面内使桨叶旋转的力Fy1以及对风轮正面的压力Fx1；如果参考气流相对于叶片元的方向，F可分解为垂直于Wr方向的升力Fy和沿Wr方向阻力Fx。
由于风速是在经常变化的，风速的变化也将导致攻角的变化。如果叶片装好后桨距角不再变化，那么虽在某一风速下可能得到最好的气动力性能，但在其它风速下则未必如此。为了适应不同的风速，可以随着风速的变化，调节整个叶片的桨距角，从而有可能在很大的风速范围内均可以得到优良的气动力特性，这种控制方式即变桨距控制。
2．4 风力机变桨距调节原理
2．4．1 变桨距控制理论简述
风能利用系数CP代表了风力机从风能中获得能量的能力，变桨距风力机的风能利用系数CP与叶尖速比λ和桨叶的桨距角β成非线性关系。参考相关资料的研究，风能利用系数CP可近似用以下公式来表示：
(3)0.00184(3)] （2－18） CP(0.440.0167)sin[150.3根据上式，用数学软件MATLAB编写程序绘制变桨距风力机的风能利用系数特性曲线，如图2-5所示。
图2-5 叶尖速比与风能利用率的关系
从图2-5中我们可以得到以下结论：
（1）对于任意的桨距角β，风能利用系数特性曲线存在最大值CPmax。
（2）对于任意的叶尖速比λ，风能利用系数CP在桨叶桨距角β=0°时相对
最大；随着桨叶桨距角β不断增大，风能利用系数CP迅速减小。
以上两点为风力机变桨距控制提供了理论基础:在风速低于额定风速时，桨距角β=0°，通过变速恒频装置，根据风速变化改变发电机转子转速使风能利用 系数恒定在CPmax，捕获最大风能，并输出电能频率不变;在风速高于额定风速时，调节桨叶的桨距角β从而改变风能利用系CP，使输出功率稳定在额定功率附近。
桨距角调节原理
由上述公式（2－16），风力机吸收风能产生的输出功率为: PCPv3A/2；风力机将产生的能量转变为机械能传递给负载，机械能表达式:
PmT （2－19） 式中: Pm—机械能;T—风力机扭矩;。—风力机角速度 这里的扭矩T是负载决定的，这样由上式可得到:
CPR2v3/2T （2－20） 当风力机处于一定的风速v下，对于一定的负载，、、R亦为常量，那么转速就取决于风能利用系数的大小，则有∝CP件。根据叶素特性理论分析风轮起动后以某种速度稳定旋转时叶片的受力情况，从而得出理想情况下气流与叶 片各角的关系:
Ii （2－21）
tgIvr1 （2－22）
式中: i—攻角; —桨距角;I—倾角; —为尖速比。
1根据力的平衡关系，叶片的扭矩为: TCmv2AR （2－23）
2v Wr （2－24）
sinICL(sinI1cosI)CL/CD （2－25） 2sinI Cm式中: Cm－扭矩系数;A－风轮的迎风面积;R－风轮半径: Wr－叶片的相对风速。 由下图2－6可知，升力系数CL和升阻比CL/CD随攻角i的变化而变化。
图2－6风力机升力系数和升阻比
对于在一定转速下运转的风力机，当风速和风向一定时，Wr和I为定值。如果增大攻角i，升力系数CL将增大，升阻比也将增大，扭矩系数Cm也会增大。又
11由式（2－14）和（2－23）可以得到：Cmv2ARCPR2v3
22R CPCmCm （2－26）
v由(2－26)式可见CP正比于Cm，所以当攻角i增大，风能利用系数CP增大 反之当攻角i减小时，风能利用系数CP减小。又由(2－20)式的分析，当风速和风力机负载一定时，当攻角i增大，CP值增大，风力机转速增大;反之，当攻角减小，CP值减小，风力机转速减小。
由(2－21)式，I=+，这里i增大，刀将减小;如果i减小，将增大。为 了直观起见，通常用桨距角来说明上面的关系，即当桨距角增大时，风力机速度下降;当桨距角减小，风力机速度增加。定义桨距为:
H2rtg （2－27） 所以通过改变风力机桨距角就改变了桨距H，从而改变风力机的转速，这就是风力机变桨距调节原理。
2．4．2 变桨距风力发电机组的运行状态
从上节提出的控制策略可知，变桨距风力发电机组根据变桨距系统所起的 作用可分为3种运行状态，即风力发电机组的启动状态（转速控制）、欠功率 状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。
(1)启动状态
变桨距风机的风轮桨叶在静止的时候，叶片的桨距角为90o，这个时候气 流对桨叶不产生切向的受力也就没有转矩，整个桨叶实际上相当于一块阻尼 板。当风速达到启动风速的时候，变桨距机构控制桨叶向0o方向转动，直到 气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始转动。在发电机并入电网之前，变桨距 系统的桨距角通过发电机转速信号来进行控制。转速控制器按照一定的速度上
升斜率给出速度的参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整桨叶的桨 距角，进行所谓的速度控制。为了确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击， 变桨距系统可以在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳 并网时机。
为了使控制过程简单，早期的变桨距风力发电机在风轮转速达到发电机同 步转速前对桨叶的桨距角并不加以控制。在这种情况下，桨叶的桨距角一直保 持在同步速对应的角度。直到发电机转速上升到同步速以后，变桨距系统才开 始投入工作。转速控制的给定值是恒定的，即同步转速。转速反馈信号与给定 值相比较，当转速超过同步转速的时候，桨叶桨距角就向迎风面积减小的方向 转动一定的角度。反之，桨叶向迎风面增大的方向转动一个角度。当转速在同 步速附近保持了一段时间以后，发电机并入电网。
(2)欠功率状态
欠功率状态是指发电机并入电网之后，由于风速低于额定风速，发电机在 额定功率以下的低功率状态运行。与转速控制相同的道理，在早期的变桨距风 力发电机组中，对于欠功率状态也是不进行控制的。这个时候的变桨距风力发 电机组和定桨距风力发电机组相同，它的功率完全取决于桨叶的气动性能。现 在采用双馈异步发电机的风力机在这个状态能够通过风速采集的低频分量为 参数调整发电机转差率，使其运行在最佳叶尖速比上，达到对风能的最大利用 率。对于正在研究的采用永磁同步发电机的风力机而言，它不能调整发电机转 差率，只能通过变桨距策略来适当调整桨叶桨距角，尽可能的使风轮向合适的 叶尖速比上靠。
(3)额定功率状态
在风速达到或者超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。这个 时候风力发电机组从转速控制切换到功率控制，变桨距系统开始根据发电机的 功率信号进行控制。控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。功率反馈信号 与给定值相比较，当功率超过额定功率的时候，桨叶就向着迎风面积减小（增 大桨距角）的方向转动一个角度；反之则向着迎风面面积增大（减小桨距角） 的方向转动一个角度。
2．5 本章小结
本章介绍了风力发电机组的组成以及风力机空气动力学原理，探讨了桨距角调节的原理。在分析变桨距控制的过程中，确定了风力机变桨距风力发电机组的三种运行状态：启动、欠功率以及额定状态。
第三章 变桨系统的总体方案及机械机构设计
3．1 风力发电的工作状态分析
变桨距风力发电机组的风轮浆叶可以有以下几种工作状态： （1）静止状态： 变距风轮的浆叶在静止时,节距角为90°，这时气流对浆叶不产生转矩。
（2）起动状态：当风速达到起动风速时，动(一般先调节桨距角到50°，当转速达到一定时，再调节到0°，直到风力机达到额定转速并网发电)。
（3）并网发电：为确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击，变浆距系统可以在一定时间内，保持发电机转速在同步转速附近，以便寻找最佳时机并网(例如在同步转速±10 r/min内持续1S， 发电机切入电网)。
（a）额定功率以下运行：传统的控制方法是在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；另一种方法是采用以Vestas为代表的所谓OptitiP技术，即根据风速的大小，按照最佳叶尖速比曲线确定叶片的节距角，优化输出功率。
（b）额定功率运行时：当风速达到或超过额定风速后，发电机机组进入额定功率状态，变浆控制系统根据发电机输出功率的变化调整桨距角的大小，浆叶节距朝迎风面积减小或增大的方向转动一个角度，使发电机的输出功率保持在额定功率。
（c）脱网：当风力发电机需要脱离电网时, 变浆系统可以先转动叶片，使发电机减小输出功率，当功率减小到0时，发电机从电网脱开，以避免发电机突甩负载的过程。
（d）紧急停机：如遇到电网突然断电或其它紧急情况停机，变浆伺服系统可以通过自备的UPS短暂供电，以便变浆系统完成收浆及采取予定的其它安全措施。
根据以上分析，变浆伺服系统应包括如下内容：
伺服电机(带码盘)-------------(采购)
伺服驱动系统--------------------(采用通用伺服系统改造)
伺服控制系统--------------------(采用PLC控制，自行设计和制作) UPS电源--------------------------(UPS电源及电池充电控制﹑电池状 态监视，紧急情况下电池供电运行相关的管理。
3．2 现有的几种变桨系统比较
变桨系统是现代大型风机的重要组成部分。变桨伺服控制系统作为风力发电控制系统的外环，在风力发电机组的控制中起着十分重要的作用。它控制风力发电机组的叶片节距角可以随风速的大小进行自动调节。在低风速起动时，桨叶节距可以转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩；当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机功率输出保持稳定。
电变桨伺服控制系统是一个闭环控制的专用伺服系统，根据所用电机可以分为直流伺服和交流伺服两种类型。
直流型电变桨伺服控制系统（以SSB生产的直流型变桨伺服控制系统为例），变桨系统主要由PLC﹑可逆直流调速装置、直流电机、绝对式位置编码器等组成，并由蓄电池作为后备电源。PLC组成变浆的控制系统，它通过现场总线(例如CAN总线)和主控制系统通信，接受主控制系统的指令(主要是桨叶转动的速度和角度指令)，并控制可逆直流调速装置驱动直流电机，带动桨叶朝要求的方向和角度转动，同时PLC还负责蓄电池的充电控制、蓄电池电压的监控等辅助控制。 SSB的直流型变桨系统主要由以下特点：
（1）采用串激直流电机，起动力矩大.对于转动重达数吨、直径数十米的叶片有好处；
（2）由于采用直流无级调速,低速性能好； （3） 不允许空载运行，否则会引起“飞车”； （4）电机有碳刷,维修困难； （5） 加后备电池比较方便。
交流型电变桨伺服控制系统(以LUST生产的交流型变桨伺服控制系统为例)，变桨系统主要由PLC、交流伺服系统、交流伺服电机、绝对式位置编码器等组成，并由UPS作为后备电源。控制原理与直流型大同小异.LUST的交流型变桨系统主要由以下特点：
（1） 采用交流永磁同步电机或交流异步电机,结构简单、维修工作量小；
（2） 代表了伺服控制系统的发展方向；
（3） 必须加UPS；以便在电网突然断电或其它紧急情况停机时，变桨伺服系统可以通过自备的UPS短暂供电，使变桨系统完成收桨及采取予定的其它安全措施。
3．3 总体方案的设计
通过以上分析，我们可以知道，变桨系统主要由用PLC作控制器的变桨控制系统、利用编码器构成位置闭环的伺服驱动系统和通过减速齿轮转动浆叶的伺服电机等组成.结构上分成一个控制箱、三个轴箱、三个蓄电池箱共七个电气箱。在方案设计时我遵循以下几点：
（1）尽量利用市场上现有的成熟产品，进行应用性开发(例如变桨伺服系统，我准备采用通用伺服系统改造的办法，而不是自己来开发一套伺服驱动系统；
（2）一方面我们要在消化、吸收的基础上，参考、借鉴国外同类产品的设计，另一方面也不能完全照搬、仿造。具备与国外同类产品相同的功能，性能满足风力发电机的要求；
（3）外形尺寸和安装方式与国外同类产品具有互换性。
根据以上几点，设计了直流和交流两种变桨控制系统的技术方案，现分述如下：
直流型电变桨伺服控制系统，变桨控制器采用西门子S7—200型PLC，其他主要部件设计如下：
1．直流伺服电机---------------(选购。带一个电机和二个编码器，分
别用作速度反馈和位置反馈)
2．直流伺服驱动系统-------(采用通用直流伺服系统改造及设置伺服
驱动器参数)
3．伺服控制系统--------------(采用PLC作控制器，自行进行端口配
置和控制程序设计)
4．蓄电池-----------------------(确定电池电压及Ah数并选购)
交流型电变桨伺服控制系统，变桨控制器采用西门子S7—200型PLC，其他主要部件设计如下：
1.交流伺服电机--------------------(选购。带二个编码器，分别用作速
度反馈和位置反馈，同时便于消除例如由机械间隙引起的定位误差。)
2．交流伺服驱动系统------------- (采用通用交流伺服系统改造及设
置伺服驱动器参数)
3. 伺服控制系统--------------------(采用PLC作控制器，自行进行端
口配置和控制程序设计)
4．UPS电源-------------------------(选购)
3．4 方案的选取
两方案的经比较最大的不同点是在电机的选取上，选取电机的基本要求是扭矩大、结构小、总量轻、响应速度快、控制精度高，同时还要考虑到此系统是在70米左右的高空工作的，所以维护和保养上要尽量的减少困难，要简单易行的目标。随着电力电子技术和交流调速驱动技术的发展，交流伺服系统日益成熟；同时考虑到直流电机带电刷和换向器，会带来维护及可靠性方面的问题，所以根据以上的方面，我选择第二种设计方案。
3．5 变桨系统的机构设计
风力发电机组的3个桨叶当中的每一个都是通过交流电机和一个齿轮箱来驱动的。控制器驱动电机，从而使齿轮箱转动，带动变浆轴 承，使桨叶的角度改变。而变桨轴承、齿轮箱都是通过螺栓固定在轮毂上的。如图3-1所示：
交流电机 轮毂 变桨轴承 齿轮箱
图3－1 轮毂的机构组装图
3．5．1 轮毂
轮毂是联接叶片与主轴的重要部件，它承受了风力作用在叶片上推力、扭矩、弯矩及陀螺力矩。通常轮毂的形状为三通形或三角形。
风轮轮毂的作用是传递风轮的力和力矩到后面的机械结构中去，由此叶片上的载荷可以传递到机舱或塔架上。
轮毂的结构主要如图3－2所示。它可以是铸造结构，也可以采用焊接结构，其材料可以是铸钢也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代的优越性，如铸造性能好、容易铸成，且减振性能好，应力集中敏感性低、成本低等。在风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。
图3－2 轮毂的结构图
一般常用的轮毂形式有以下两种：
（1）刚性轮毂刚性轮毂的制造成本低、维护少、没有磨损，三叶片风轮大部分采用刚性轮毂，也是目前使用最广泛的一种形式。但它要承受所有来自风轮的力和力矩，相对来讲承受风轮载荷高，后面的机械承载大，结构上有三角形和球形等形式。如丹麦Vestas、Micon、Bonus、德国Nodex等机组均采用这种形式的轮毂。
（2）铰链式轮毂（柔性轮毂或或翘翘板式轮毂）铰链式轮毂常用于单叶片和二叶片风轮，铰链轴和叶片轴及风轮旋转轴互相垂直，叶片在挥舞方向、摆振方向和扭转方向上都可以自由活动，也可以称为柔性轮毂。由于铰链式轮毂具有活动部件，相对于刚性轮毂来说，制造成本高，可靠性相对较低，维护费用高；它与刚性轮毂比所受力和力矩较小。对于二叶片风轮，两个叶片之间是刚性联接的，可绕联轴节活动。当来流在上下有变化或阵风时，叶片上的载荷可以使叶片离开原风轮旋转平面。
对于刚性轮毂来说，其安装、使用和维护较简单，日常维护工作较少，只要在设计时充分考虑了轮毂的防腐问题，基本上可以说是免
维护的。而柔性轮毂则不同，由于轮毂内部存在受力铰链和传动机构，其维护工作是必不可少的；维护时要注意受力铰链和传动机构的润滑、磨损及腐蚀情况，以免影响机组的正常运行。
为了满足能够承受数吨重的叶片、制造成本低、维护少的原则，选用刚性三角形轮毂。如图3－3所示
图3－3 轮毂的正视图
3．5．2 变浆轴承
变浆轴承是连接轮毂和叶片的组件。变浆轴承的内圈连接叶片，外圈固定在轮毂上。变浆轴承的内齿与变桨齿轮箱啮合。
根据国内外制造风机的经验以及市场上已有的成熟产品，选用单排四点接触球式回转支承--内齿式，结构如图3－4所示
图3－4变桨轴承的结构图
轴承的剖视图如图3－5所示，此系列支承主要由内外圈组成，结构紧凑，重量轻，钢球与圆弧滚道四点接触，能同时承受轴向力、径向力和倾覆力矩的共同作用。n1为润滑油孔数，均布，油杯M10×1JB／T7940.1。表3－1为所选取的变桨轴承的参数表，表中齿轮圆周力为最大圆周力，额定圆周力取1／2。
图3－5 变桨轴承的剖视图
表3－1 轴承参数 序基本型号 外型尺寸 安装尺寸 结构尺寸 齿轮参数 号 内齿式 D d H D1 D2 n Φ nD3 d1 H1 mm mmm mmmm1 mmmm m m m m m m m h B x m mm mm z 16 013.45.1800 014.45.1800 16' 013.35.1800 19166111817426 5 18171040 0 0 87 13 5 02 98 0 10 90 +0.5 14 113 16 99 19166111817426 5 18171040 0 0 87 13 5 01 98 0 10 90 +0.5 14 113 3．5．3 变浆齿轮箱
变浆齿轮箱的作用：变桨齿轮箱固定在轮毂的工艺安装面上，通
过变桨齿轮箱齿轮的转动实现叶片轴承内圈的转动完成叶片的变桨。（注意叶片轴承和变桨齿轮箱之间要调整合理的齿隙）
图3－6 变桨齿轮箱的外观图 选用南京高精度齿轮厂的变浆驱动：
型号：FDX103A02-01-00R1 功率：6.5KW
速比：191.21 输入转速为: 3000r/min
3．5．4 电机
独立变桨距控制系统驱动电机的选择可以有多种方案，包括直流电机方案、交流异步电机方案和交流永磁同步电机方案。前面已经谈到了交流与直流电机的优缺点，所以只有选用异步或同步的交流电机。永磁同步伺服电动机具有无电刷和换向器，工作可靠；定子绕组散热快，惯量小，易于提高系统的快速性，适应于高速大力距工作状态等优点；特别是采用全数字控制的正弦波永磁交流伺服系统的商品化，对采用机电伺服系统的变桨距控制系统提供了有力的支持，因而成为独立变桨距控制系统驱动电机的首选。 （1） 交流永磁同步电机的介绍
随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；（2）定子绕组散热快；(3)惯量小，易提高系统的快速性；（4）适应于高速大力矩工作状态；（5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。
永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 （2） 交流永磁伺服系统的基本结构
交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图3－7所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转
矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。
目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。
图3－7 交流永磁同步伺服驱动器结构
伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图3－8所示功率板（驱动板）是强电部分，其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。
控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。
图3－8 功率板
功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。
逆变部分（DC-AC）采用采用的功率器件集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)，主要拓扑结构是采用了三相桥式电路原理图见图3－9，利用了脉宽调制技术即PWM(Pulse Width Modulation)通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率,改变每半周期内晶体管的通断时间比,也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值的大小以达到调节功率的目的。
图3－9 三相逆变电路
图3－9中～是六个功率开关管，、、分别代表3个桥臂。对各桥臂的开关状态做以下规定：当上桥臂开关管“开”状态时（此时下桥臂开关管必然是“关”状态），开关状态为1；当下桥臂开关管“开”状态时（此时下桥臂开关管必然是“关”状态），开关状态为0。三个桥臂只有“0”和“1”两种状态，因此、、形成000、001、010、011、100、101、111共八种开关管模式，其中000和111开关模式使逆变输出电压为零，所以称这种开关模式为零状态。输出的线电压为、、，相电压为、、，其中为直流电源电压（总线电压），根据以上分析可得到表3－2的总结。
表3－2 三相逆变电路的开关管模式 0 /3 -/3 /3 2/3 /3 -/3 -2/3 0 0 --2/3 -/3 - 0 /3 0 0 0 - 0 0 0 0 1 0 0 21 1 0 /3 0 - 0 1 0 --2/3 /3 0 0 1 1 /3 - 0 0 0 1 -/3 2/3 0 - 1 0 1 1 1 1 /3 0 /3 0 -0 0 0 0 控制单元是整个交流伺服系统的核心,实现系统位置控制、速度控
制、转矩和电流控制器。所采用的数字信号处理器(DSP)除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原理( FOC) 和坐标变换,实现矢量控制(VC) ,同时结合正弦波脉宽调制(SPWM)控制模式对电机进行控制 。永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子的实际位置就可以得知电机转子的磁通位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。
伺服驱动器控制交流永磁伺服电机( PMSM)伺服驱动器在控制交流永磁伺服电机时,可分别工作在电流(转矩) 、速度、位置控制方式下。系统的控制结构框图如图3－7所示由于交流永磁伺服电机(PMSM) 采用的是永久磁铁励磁,其磁场可以视为是恒定;同时交流永磁伺服电机的电机转速就是同步转速,即其转差为零。这些条件使得交流伺服驱动器在驱动交流永磁伺服电机时的数学模型的复杂程度得以大大的降低。从图3－10可以看出,系统是基于测量电机的两相电流反馈(、) 和电机位置。将测得的相电流(、) 结合位置信息,经坐标变化(从a ,b ,c 坐标系转换到转子d ,q 坐标系) ,得到, 分量,分别进入各自得电流调节器。电流调节器的输出经过反向坐标变化(从d ,q 坐标系转换到a ,b ,c 坐标系) ,得到三相电压指令。控制芯片通过这三相电压指令,经过反向、延时后,得到6 路PWM 波输出到功率器件,控制电机运行。系统在不同指令输入方式下,指令和反馈通过相应的控制调节器,得到下一级的参考指令。在电流环中,d ,q 轴的转矩电流分量()是速度控制调节器的输出或外部给定。而一般情况下,磁通分量为零(= 0) ，但是当速度大于限定值时,可以通过弱磁(< 0) ,得到更高的速度值。
图3－10 系统控制结构
从a，b，c坐标系转换到d，q坐标系有克拉克（CLARKE）和帕克（PARK）变换来是实现；从d，q坐标系转换到a，b，c坐标系是有克拉克和帕克的逆变换来是实现的。以下是两个变换公式，克拉克变换（CLARKE）：
帕克(PARK)变换:
（3） 交流永磁同步电机的选取
在国内的生产厂家中，选取的电机的参数如下
3．5．5 UPS
为了在突发情况发生时，能够安全的紧急停机是十分重要的，而这时就需要有电源给变浆系统供电。从而使其能够顺利顺桨。
UPS电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流电能的功能外，对整流器来说就像接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。
图3－11 UPS工作原理图
如图3－11所示，在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池工给负载所需电源，维持正常的生产（如粗黑→所示）；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电（如虚线所示）。
UPS电源系统主要分两大部分，主机和储能电池。额定输出功率的大小取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为UPS电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足UPS电源70％的额定功率。储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短，这个时间因各企业情况不同而不同，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几分钟或几个小时不等。
UPS电源工作原理：
（1）AC-DC变换：将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。
（2） DC-AC逆变电路：采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术，及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。
（3） 控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成SPWM正弦脉宽调制的控制，由于采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。不间断电源工作原理框图如图3－12所示。
图3－12 UPS的工作原理图
当发电机正常供电时，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定的220Vac交流电压，同时发电机对电池充电。当任何时候紧急停机时，电网断电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能，当发生超载（150%负载）时，跳到旁路状态，并在负载正常时自动返回。当发生严重超载（超过200%额定负载）时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面空气开关也可能跳闸。消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。
UPS选取的型号为BAINACAP，厂家 ：锦州百纳电气有限公司
图3－13 UPS的外观图
技术参数：
75V工作电压、 超过1,000,000个循环工作周期、 -45℃～+65℃工作、 防水、防尘、防震，符合IP54和SAEJ2380标准、 内含温度输出
传感器
应用： 风力涡轮控制系统、电网、电力质量、 UPS、重型机械后备电源 性能：
额定工作电压(Vdc)75 V DC 最大工作电压[Vdc]83 V DC
浪涌电压[Vdc]86 V DC 额定容量[F]94 F
容量公差+20% / 0% 等效串联内阻ESR DC[mΩ]15.0
室温可用能量[Whr]55 可用能量＝1/2C(VNOM2-1/2VNOM2)/3600 自放电[初始电压的％]50% 室温下100V充电12小时，放置30天。 最大连续放电电流[A]50 A 最大电流[A]150 A
循环寿命 75V～37.5V 室温[次]1,000,000 DC工作温度范围-40℃ 到 +65 ℃
绝缘电压[Vdc1,600 V]最大连续工作电压300V
存储温度范围-40℃ 到 +70 ℃ 防潮性能IP54 详见IEC标准
防震性能SAEJ2380
3．5．6 变浆中心润滑系统
（1） 变浆中心润滑系统简介
变桨中心自动润滑系统包括：润滑泵、主分配器、二级分配器、油管、进油口、集油瓶。
自动润滑原理：变桨自动润滑系统是由一个集中润滑泵，一个（或两个）主分配器，三个二级分配器和三个润滑小齿轮组成。当泵工作时，润滑油被输送到主分配器，在那润滑油以合适的比例分配到二级分配器，然后二级分配器把润滑油以合适的比例供应到润滑点，系统由一个带回油装置的安全阀保护。轮毂的润滑主要是叶片轴承内的滚动体和叶片轴承与变桨齿轮箱的啮合齿部分。叶片轴承的废油通过集油瓶来收集。
润滑系统是通过风速仪进行打油控制的，当进行变桨时润滑泵就会对各润滑点进行打油。 （2） 系统的选取
为了满足在多风尘的状况下工作，我选用专门生产风电润滑系统的厂家生产的林肯润滑系统，示例图如图3－14所示。
图 3－14 润滑系统示例图
A–安全阀 B–主分配阀SSV 6 C–第二级分配阀SSV 8 D–第二级分配阀SSV 6 E–塑料胶管 F–第二级分配阀SSV 12
G–高压塑料软管
QUICKLUB-203集中润滑泵是一种小型的多点泵，由以下几个部分组成：泵体，内置直流电机，油箱，内置挂板器，印刷电路板（P.C.B），选配泵芯，安全阀，补油油嘴，电气连接部件。可驱动多达3个泵芯（柱塞）；周期性运行（周期时间包括运行时间和间隔时间）；可配备油箱低油位控制；根据管线长度最多可为多达300个润滑点提供润滑；自动润滑；可输送NLGI 2级以下油脂（温度范围－25℃～70℃）或40 mm2/s(Cst)以上矿物油；能够在低温下运行，最低温度至－40℃。运行时泵通过一级或多级分配阀将润滑剂分配到各润滑点。
图3－15 林肯泵组件
1－油箱 2－泵芯 3－安全阀 4－应急加油油嘴 5－电气接线插头2A1 6－补油油嘴 7－印刷电路板 8－电气接线插头1A1 9－回油管线接头
柱塞泵允许工作温度－25℃～＋70℃；泵出口数量为1～3个；油箱容量为2，4，8升；油箱加油方式为从补油嘴或顶盖处加油；润滑剂类型为>40 mm2/s（40℃）矿物油，或NLGI 2＃以下脂；防护等级为IP6K 9K（DIN 40050 T9）；马达为直流马达（抑制干扰型）；工作电压为12VDC或24VDC；最大输入电流为6.5A（12V），3A（24V）；转速≈17 rpm。
泵芯（柱塞）：柱塞K5，直径为5 mm，排量为2毫升/分钟；柱塞K6（标准型），直径为6 mm，排量为2.8毫升/分钟；柱塞K7，直径为7 mm，排量为4毫升/分钟；柱塞KR，直径为7 mm，排量为0.7～3毫升/分钟（排量可调），最大工作压力为350巴，接口螺纹型号为G 1/4，适用润滑管径为6mm或8mm。
3．5．7 润滑剂
由于集中润滑系统只测试了润滑剂在集中润滑系统中的可输送性，而没有测试其与其它材料的相容性。
在使用时可能出现以下情况：由于润滑剂的化学或生物学性能改变而导致的系统部件损坏；由于使用了不适用于集中润滑系统的润滑剂而产生的损坏，因此，我们在使用Quicklub系统时，要选用系统适用的油脂，下面是集中润滑系统所提供的润滑剂信息。
3．6 本章总结
本章一开始先对国内外变桨系统进行了介绍和比较，在此基础上设计了两套方案，并经过比较选取的一套方案。通过选取的方案，对系统的机械部分通过国内外现有的风电行业的产品进行了介绍与选取。
第四章 变桨控制系统的硬件和软件的设计
4．1 变桨系统的功能概述
变桨驱动系统的任务是转动变桨型风机的叶片到适当的角度。
对于3叶片的转子，需要变桨系统以控制风机的功率输出或利用空气制动停止转子运行。
每一个转子叶片根部通过轴承内的齿与轮毂连接。每一个叶片有一个独立的电动同步变桨驱动装置，通过一个小齿轮带动。
在正常运行时，当叶轮转速大约从17.5rpm到19.4rpm时，变桨角度范围从0度到大约10度。通过变桨角度控制使转子速度保持不变。对于任何方式的停机，叶片角度都转至90度即第一个限位开关处。
风机的几种停机程序要求自备的UPS短暂供电给变桨电机提供动力。因此系统的UPS在充电后必须能够保证最不利情况下的一次停机过程（叶片角度变化95度）。最普通的情况下蓄电池没有同步动作而直接与电机相连，这确定了设计方案，并要求有第二个（备用的）极限开关（在95°），在主极限开关（在90°）失灵时这个开关可以切断驱动系统。
每一个变桨驱动在电机上都装有增量编码器，叶根上有一个备用的磁电式编码器连接在轴承齿上以记录变桨角度。
对于每一个叶片风机控制器分析两个（加上备用的）编码器的信
号平均值。然而变桨驱动的控制系统通常只使用电机上编码器的信号。只在检测编码器失灵的情况下，风机的控制器将使得变桨控制器从轴承的编码器取信号。 如果连续检查到一个叶片的备用编码器的信号超出了设定值，那么一个停机程序将被启动。只有当转子停止转动了，变桨驱动系统将使校准程序进入一个由90°限制开关提供的硬件参考位置，该位置也是由风机控制器控制的。校准完成后，风机控制器将使变桨控制器改从轴承编码器得到信号。当变桨控制器离开硬件参考位置后，极限开关将为90°叶片位置设定新的软件参考。
变桨驱动功能的正确与否通过不断的检查从而得到监控，检查内容是所有的驱动与朝向目标位置的信号准确性是否能够同步运行。
4．2 变桨距系统的控制原理
在发电机并人电网前，发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制；发电机并人电网后，速度控制器B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给小相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定。
节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出。如图4-1所示:
图4－1 控制系统分布图
当风力发电机组并人电网前，由速度控制器A给出；当风力发电机组并人电网后由速度控制器B给出。
4．2．1 变距控制
变距控制系统实际上是一个随动系统，其控制过程如图4－2所示。 节矩控制器 叶片 节矩给定 电控装置 变桨控制电机 转换为节矩信号 图4－2 变桨距控制系统
叶片转动角度反馈 变桨距系统的执行机构是控制电机即上章所选的交流永磁伺服电动机，节距控制器的输出信号给S7-200后变成脉冲信号控制电动机，驱动齿轮箱，推动变桨轴承，使桨叶节距角变化。轴承转动的角度反馈信号由磁电式编码器测量，经转换后输入比较器。与电机上的光电编码器的输出信号进行比较以确定系统的准确与稳定性。
4．2．2 转速控制A（发电机脱网）
转速控制系统A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，如图4－3所示在这些过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升，控制器也用于在额定转速1750rpm时的控制。当发电机转速在额定转速以上3分钟时发电机将切入电网。
图4-3 速度控制A
控制器包含着常规的PD和PI控制器，接着是节距角的非线性化环节，通过非线性化处理，增益随节距角的增加而减小，以此补偿由于转子空气动力学产生的非线性，因为当功率不变时，转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的。
发电机转速通过主轴上的转速传感器测量，每个周期信号被送到PLC作进一步处理，以产生新的控制信号。
4．2．3 速度控制B（发电机并网）
发电机切人电网以后，速度控制系统B作用。如图4-4所示，速度控制系统B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。
如果风速高于额定值，发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。从图4-4中可以看到，在风速信号输入端设有低通滤波器，节距控制对瞬变风速并不响应
与速度控制器A的结构相比，速度控制器B增加了速度非线性化环节。这一特性增加了小转差率时的增益，以便控制节距角加速于00
图4-4 速度控制系统B
4．2．4 功率控制
为了有效地控制高速变化的风速引起的功率波动，变桨距风力发电机组采用了RCC(Rotor Current Control)技术，即发电机转子电流控制技术。通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，从而改变风轮转速，吸收由于瞬变风速引起的功率波动。 （1） 功率控制系统
功率控制系统如图4-5所示，它由两个控制环组成。外环通过测量转速产生功率参考曲线。发电机的功率参考曲线，参考功率以额定功率的百分比的形式给出，
在点画线限制的范围内，功率给定曲线是可变的。内环是一个功率伺服环，它通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制，使发电机功率跟踪功率给定值。如果功率低于额定功率值，这一控制环将通过改变转差率，进而改变桨叶节距角，使风轮获得最大功率。如果功率参考值是恒定的，电流参考值也是恒定的。
图4－5 功率控制系统 （2） 转子电流控制器原理
图4-5 所示的功率控制环实际上是一个发电机转子电流控制环，如图4-6 所示转子电流控制器由快速数字式PI控制器和一个等效变阻器构成。它根据给定的电流值,通过改变转子电路的电阻来改变发电机的转差率。在额定功率时，发电机的转差率能够从1％到10%的变化，相应的转子平均电阻从0到100%变化。当功率变化即转子电流变化时，PI调节器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定，从而使功率输出保持不变。与此同时，发电机转差率却在作相应的调整以平衡输入功率的变化。
图4-6 转子电流控制系统
为了进一步说明转子电流控制器的原理，我们从电磁转矩的关系式来说明转子电阻与发电机转差率的关系。从电机学可知，发心机的电磁转矩为
!2R2m1pU1sTe （4－1） !R2!21[(R1)(X1X2)]s式中P———电机极对数；
m1———电机定子相数；
1———定子角频率，即电网角频率； U1———定子额定相电压； s———转差率；
R1———定子绕组的电阻； X1———定子绕组的漏抗； !R2———折算到定子侧的转子每相电阻； !X2———折算到定子侧的转子每相漏抗。 !R由上式可知，只要2不变，电磁转矩Te就可保持不变，从而发电机功率就可
s保持不变。因此，当风速变大，风轮及发电机的转速上升，即发电机转差率s增!R!大，我们只要改变发电机的转子电阻R2，使2保持不变，就能保持发电机输出，
s功率不变。如图4-7所求，当发电机的转子电阻改变时，其特性曲线由1变为2，运行点也由a点变到b点，而电磁转矩Te 保持不变，发电机转差率则从s1上升到s2。
图4-7发电机运行特性曲线的变化
（3） 转子电流控制器的结构
转子电流控制器技术必须使用在绕线转子异步发电机上，用于控制发电机的转子电流，使异步发电机成为可变转差率发电机。采用转子电流控制器的异步发电机结构如图4-8所示。
图4-8 可变转差率发电机结构示意图
转子电流控制器安装在发电机的轴上，与转子上的三相绕组连接，构成一电气回路将普通三相异步发电机的转子引出，外接转子电阻，使发电机的转差率增大至10%，通过一组电方电子元器件来调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率。转子电流控制器电气原理如图4-9所示。
图4-9 转子电流控制器原理图
RCC依靠外部控制器给出的电流基准值和两个电流互感器的测量值，计算出转子回路的电阻值，通过IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）的导通和关断来进行调整。IGBT的导通与关断受一宽度可调的脉冲信号（PWM）控制。
IGBT是双极型晶体管和MOSFET（场效应晶体管）的复合体，所需驱动功率小，饱和压降低，在关断时不需要负栅极电压来减少关断时间，开关速度较高；饱和压降低减少了功率损耗，提高了发电机的效率；采用脉宽调制（PWM）电路，提高
了整个电路的功率因数，同时只用一级可控的功率单元，减少了元件数，电路结构简单，由于通过对输出脉冲宽度的控制就可控制IGBT的开关，系统的响应速度加快。
转子电流控制器可在维持额定转子电流（即发电机额定功率）的情况下，在0至最大值之间调节转子电阻，使发电机的转差率大约在0.6%（转子自身电阻）至10%(IGBT关断，转子电阻为自身电阻与外接电阻之和）之间连续变化。
为了保护RCC单元中的主元件IGBT，设有阻容回路和过压保护，阻容回路用来限制IGBT每次关断时产生的过电压峰值，过电压保护采用晶闸管，当电网发生短路或短时中断时，晶闸管全导通，使IGBT处于两端短路状态，转子总电阻接近于转子自身的电阻。
（4）采用转子电流控制器的功率调节
如图4-4所示，并网后，控制系统切换至状态B，控制系统流程图如图4－10所示。由于发电机内安装了RCC控制器，发电机转差率可在一定范围内调整，发电机转速可变。因此，在状态B中增加了转速控制环节，当风速低于额定风速，转速控制环节B根据转速给定值（高出同步转速3%-4%）和风速，给出一个节距角，此时发电机输出功率小于最大功率给定值，功率控制环节根据功率反馈值，给出转子电流最大值，转子电流控制环节将发电机转差率调至最小，发电机转速高出额定转速，与转速给定值存在一定的差值，反馈回速度控制环节B，速度控制环节(根据该差值，调整桨叶节距参考值，变桨距机构将桨叶节距角保持在零度附近，优化叶尖速比；当风速高于额定风速，发电机输出功率上升到额定功率，当风轮吸收的风能高于发电机输出功率，发电机转速上升，速度控制环节B的输出值变化，反馈信号与参考值比较后又给出新的节距参考值，使得叶片攻角发生改变，减少风轮能量吸入，将发电机输出功率保持在额定值上；功率控制环节根据功率反馈值和速度反馈值，改变转子电流给定值，转子电流控制器根据该值，调节发电机转差率，使发电机转速发生变化，以保证发电机输出功率的稳定。
如果风速仅为瞬时上升，由于变桨距机构的动作滞后，发电机转速上升后，叶片攻角尚未变化，风速下降，发电机输出功率下降，功率控制单元将使RCC控制单元减小发电机转差率，使得发电机转速下降，在发电机转速上升或下降的过程中，转子的电流保持不变，发电机输出的功率也保持不变；如果风速持续增加，发电机转速持续上升，转速控制器B将使变桨距机构动作，改变叶片攻角，使得发电机在额定功率状态下运行。风速下降时，原理与风速上升时相同，但动作方向相反。由于转子电流控制器的动作时间在毫秒级以下，变桨距机构的动作时间以秒计，因此在短暂的风速变化时，仅仅依靠转子电流控制器的控制作用就可保持发电机功率的稳定输出，减少对电网的不良影响；同时也可降低变桨距机构的动作频率，延长变桨距机构的使用寿命。
根据转速传感器，给出一个节距角风速低于额定风速？Y功率控制环节，根据功率反馈值，给出转子电流最大值，发电机转速下降发电机转速与转速给定值存在一定的差距N发电机输出功率高于额定功率发电机转速上升速度控制环节，根据该差值，调整桨叶节距参考值发电机转速与参考值存在差距调整叶片攻角 图4－10 并网后，控制系统流程图
4．3 控制系统实现方案
4．3．1 变桨控制系统的设计准则
变桨控制系统的设计应依据一下几个设计准则：
1）安全可靠 变桨系统的稳定性是最重要最基本的要求。因为如果控制系统不稳定，则很容易造成整个风力机的风叶角度不受控制，从而产生飞车、风力机着火等严重后果。因此，在选购和设计硬件时应充分考虑环境因素（温度、湿度、粉尘、电磁干扰等）对控制设备的影响，保证控制设备在特定的工作环境下可靠、稳定的工作。
2）智能化 变桨系统的设计应该尽量增加智能化程度，最大限度减少人工干预。
3）可维护性 在变桨系统设计中，要从系统的软硬件结构、硬件布局、硬件诊断等方面考虑系统的可维护性。系统中利用报警与诊断功能以缩短系统维护时
间和减少操作人员的工作量。因为维修时，人员都是在70－80的高空工作，存在危险性。因此时间和工作量要尽可能的小。
5）可扩充性 变桨系统选取的设备应具有一定的富裕度，以便今后五年、十年或更长时间后系统的扩展。
4．3．2变桨系统的设计步骤
整个控制系统设计主要包括以下几步:
1）明确设计任务 在本章第一节“变桨系统的功能概述”中，介绍了变桨系统的主要功能，以及系统设计的任务和内容。
2）系统总体设计。方案可行性、可靠性分析、比较、讨论，确定系统的总体方案和实施方案。
3） 系统功能设计。根据系统功能完成系统硬件器件选型、电气控制回路 设计。
4．4 变桨系统的硬件设计
系统的总体方案和实施方案确定后，我们首先进行系统的硬件设计，包括各类传感器的选型、设备控制电路的设计及其工作原理介绍、PLC 机型及及其端口配置和系统其它硬件设备的选择。
4．4．1 逆变电路的设计
电网电压为690V，50Hz的三相电压，控制中向交流永磁伺服电机供电，而伺服电机驱动电压为220V单相交流电压；另外给PLC供电也要求单相220V的电压； 所以，要求将690V的三相电压逆变为220V的单相电压。
逆变电路既能实现调压，又能实现变频。整流器和逆变器一起组成AC-DC-AC变换电路。先由整流器将交流电压u (其频率为f) 变换为直流电压UD，而后将此直流电压经逆变器变换为交流输出电压uo(其频率为fo)。逆变器的作用恰与整流器相反。整流器可用二极管作为整流元件，它是不可控的，即输出的直流电压UD不能调节；也可用晶闸管作为整流元件，它是可控的，可以调节直流电压UD。逆变器输出电压uo的幅值和频率fo可以单独或同时调节。
本文设计的电路为在电网侧先进行交流电压变换，变换为符合规范的电压，在电压变换后再进行不可控整流、滤波，得到的直流电压再经一级DC/DC电压变换降压，得到可调的直流电压，经过逆变装置后输出一定频率的交流电压。整体电路如图4－11所示。
该方案两次采用电压变换，第一次为整流电压变换，第二次为降压型DC/DC变换器,斩波器的开关频率为40kHz，其优点是采用不控整流，电路简单，价格低廉，第二级DC/DC变换可输出高频PWM直流电压，输出直流可控，装置重量和体积不大。电压变换环节均采用隔离型变换器，可大大缩小装置的体积，提高装置的功率密度。
图4－11 逆变电路图
4．4．2 基准电压设计
由于在控制电路中多处需要用到基准电压，因此专门设置此部分电路，将220V的交流电压变换成+24V或－24V的直流电压，它采用了当前已经广泛采用的集成稳压电源，它具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格优廉等优点，具体电路如图4－12所示。
W7824只有输入端1、输出端2和公共端3三个引出端，故也称为三端集成稳压器。使用时只需在其输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容即可。Ci是为了抵消输入端较长线的电感效应，防止产生自激振荡，接线不长时也可不用。Co是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。Ci一般在0.1-1μF之间，如0.33μF；Co可用1μF。
图4－12基准电压电路
4．4．3 传感器
如上文所述，本设计中传感器的作用主要是为了测速。快速而准确的将风速、发电机转速、交流电动机和变浆轴承的转速及方向等信息提供给主控制器。传感器的选择直接影响到速度测量的精度与传递的快慢，进而影响整个变浆系统的反应速度及准确性，甚至出现风力机的失控，出现“飞车”现象。由上述可知传感器的性能对整个控制系统全局的重要作用，所以如何评价传感器的性能好坏就显得至关重要。传感器的种类繁多，测量的参数不同其性能参数也不一样。一般来说，传感器的性能可以通过它的静态和动态特性反映出来。
（1）静态特性 测量范围，即量程，指传感器允许的有效测量范围。
线性度。为了方便标定和数据处理，要求输入/输出关系是线性的，并能正确反映被测量的真实值，传感器测出的输入/输出校准曲线与其理论拟合直线之间的偏差就称为该传感器的“非线性度误差”，即线性度。通常用线性度相对误差表示其大小，即相对应的最大偏差与传感器满量程（F.S.）输出之比（ % ），公式为 ：
maxef100% （4－2）
F.S.滞后，在相同的工作条件下，传感器在正反行程期间输出/输入曲线不重合的程度，也就是说，对同一大小的输入信号传感器正反行程的输出信号大小不等的程度。
灵敏度，又称传感器系数。对于线性传感器的校准曲线的斜率就是其静态灵敏度，非线性传感器的灵敏度则随输入量变化而变化。
（2）动态特性
传感器的动态特性是指传感器对于时间变化的输入量的响应特性。动态特性越好的传感器，其输出量随时间变化曲线与被测量随时间变化的曲线越接近。传感器的动态特性分析和动态标定都是以正弦变化或阶跃变化输入为依据的，只要输入量是时间函数，则输出量也是时间函数。一般传感器给出的动态特性参数只有响应时间。
目前，市场上传感器琳琅满目，往往监测一个参量就有多种传感器供选，因而正确地选择合适的传感器十分重要。选择传感器之前首先要明确对传感器的要求和选用原则。对传感器的要求和选用原则主要体现在以下几个方面：
（1）技术要求：
静态特性要求：线性及测量范围、灵敏度、分辨率、精确度应满足要求。
动态特性要求：响应速度要快，工作要稳定。 信息传递要求：传输形式和距离要满足要求。
过载能力要求：在机械、电器、热量等方面的过载应满足要求。
（2）使用环境要求：应当考虑稳定、湿度、气压、振动、磁场、电场、大功率用电设备、防火、防爆、防化学腐蚀等方面的要求；另外还应考虑是否有害周围环境和操作人员身体健康等因素。
（3）电源要求：电源电压形式、等级及波动范围、频率及抗干扰等方面应达到要求。
（4）基本安全要求：绝缘电阻、耐压强度及接地保护措施符合安全要求。 （5）可靠性要求：抗干扰、使用寿命、无故障工作时间应尽可能长。 （6）价格要求：在满足上述条件的情况下，要廉价，性价比高。
本控制系统中各种传感器就是遵循以上要求进行选择的，争取在满足对传感器的性能技术指标的前提下，要求成本低廉、安装方便、工作可靠和维护容易，即性能价格比要尽可能高。现对已选择的各种型号的传感器的原理和性能进行介绍。
（1）风速仪
目前常用的风速仪有热式风速仪、恒流式风速仪、恒温风速仪、三杯电涡流式传感器、三杯光耦感应器式传感器、超声波风速仪六种。
热式风速仪是用来测量气流速度的仪表，因其测量准确度高、使用方便、测量范围宽、灵敏度高而被广泛应用。 热式风速仪是采用量热式原理测量风速的，主要由风速探头及测量指示仪表两部分组成。就结构有热球式和热线式，就显示形式有指针式、数字式等各种不同类型，但按照工作原理只有两种，即恒流式和恒温式。恒流式是给风速敏感元件一恒定电流，加热至一定温度后，其随气流变化被冷却的程度为风速的函数。恒温式是给风速敏感元件电流可调，在不同风速下使处于不同热平衡状态的风速敏感元件的工作温度基本维持不便，即阻值基本恒定，该敏感元件所消耗的功率为风速的函数。
恒流式风速仪的工作原理：风速探头是一敏感部件，当一恒定电流通过其加热线圈时，其敏感部件内，温度升高并于静止空气中达到一定数值。此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生之基准反电势相互抵消，使输出信号为零，仪表指针也能相应指于零点或显示零值。若风速探头端部的热敏感部件暴露于外部空气流中时，由于进行热交换，此时将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生微弱差值信号，此信号被测量仪表系统放大并推动电表指针变化从而指示当前风速或经过单片机处理后通过显示屏显示当前风速数值。
恒温风速仪则是利用反馈电路使风速敏感元件的温度和电阻保持恒定。当风速变化时热敏感元件温度发生变化，电阻也随之变化，从而造成热敏感元件两端电压发生变化，此时反馈电路发挥作用，使流过热敏感元件的电流发生相应的变化，而使系统恢复平衡。上述过程是瞬时发生的，所以速度的增加就好像是电桥输出电压的增加，而速度的降低也等于是电桥输出电压的降低。
三杯电涡流式传感器：风杯的转轴为金属齿转盘，感应头由线圈组成。线圈通以高频交流电流，线圈周围产生交变磁通，它通过金属齿形成闭路，金属齿便产生涡流，金属齿除了散热外还产生交变磁通，导致方向相反的交变磁通叠加使线圈的电感量减小而且引起阻抗的变化。当转轴转动时，引起线圈磁通的变化便输出连续的脉冲信号，对脉冲信号进行计数，便可算出转轴转速。
三杯光耦感应器式传感器，当风杯转动时，通过主轴带动多齿转盘旋转，使下面光敏三极管接收上面发光二极管照射下来的光线，处于导通或截止状态，形成与风杯转速成正比的频率信号，通过计数器计数，换算后得到实际风速值。
超声波风速仪可以检测风速和风向的水平构成。它无损耗，无需维护，也不需要进一步校准。这一设备带加热装置可适于冬季使用。带额外加热装置型号，即使在极端恶劣的气候条件下，也能保障可靠操作。该设备的电子线路采用了最新的DSP技术（数字信号处理器）。检测原理使对可变尺寸的检测无惯性作用，最后得到精确值。风向和风速的数据输出可以作用为瞬间或滑动的中间值，模拟和数字信号均可以选择。求取平均值的过程可以设置成带矢量或不带矢量。另一个特性是把模拟通道用于信号输入，例如，用于检测温度，耗损和湿度的传感器。
本文选用超声波风速仪，模拟量输出，参数如下：转速测量的检测范围为0－80m/s，分辨率<0.1/0.01 m/s，精确度达到+/-0.1 m/s rms(0－5m/s)，+/-2.0%rms of m.v.(>5m/s)。
速度模拟量采集完后送给PLC的CPU，先对模拟量进行模/数转换。模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成PLC所能接受的数字信号的。模拟量输入模块一般由滤波、模数A/D转换，光耦合器等部分组成。光耦合器有效地阻止了电磁干扰。
（2） 转速传感器
转速传感器扫描方法有很多，根据工作原理一般可分为数字式、模拟式、同步式。
数字式测量方法是利用某种方式读出在一定时间内的检测到的数字脉冲个数。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。
模拟式方法是通过由瞬时转速引起的某种物理量的变化而测量转速。例如采用测速发电机为检测元件，得到的信号是电流信号的模拟量。
同步式是用利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速。
转速的测量有多种测量设备，可以分为机械式，光电式，感应式，磁电式等。 机械式测量设备装置简单，操作方便，但是精度低，因为测量装置需要连接在待测轴上，由于自身的重量及摩擦的影响，往往会影响待测轴的转矩，已不适合当前科技对转速测量的要求。
光电式传感器使用光电管或光电晶体管来测量光脉冲信号，然后再将光脉冲信号变成电脉冲,精度高，反应时间短因而十分灵敏，在设置好特定光源后，传感
器接收信号所受的干扰较小。无论在高、低转速测量时，都能够保持相当高的精度。
磁电式测量设备电磁反应灵敏，测量精度比较高，但是对安装要求比较高，而且在现场测量时容易受到电磁场的影响，抗干扰能力差，而且在测量高速转动时，传感器的分辨率下降，从而间接的影响的测量的精度。
在本次设计的转速传感器的选取之前，我们先大概的对三种具有代表性的传感器进行分析比较，分别是：红外光电传感器，感应线圈和霍尔传感器，并对这几种传感器进行相应的比较。
红外光电传感器是属于位移传感器的一种，它是由发光和接受两个光电器件构成，当物体接近传感器时 (约为2mm，根据实际可调)发光器件发出的光在物体表面产生反射，使接受器件接收到而导通，开关打开。光电传感器接线如图4－13所示。
图4－13 光电传感器接线
测量装置由装在被测轴上的半圆形反光硬纸片、光电开关和转换电路组成。当半硬纸片旋转到靠近的传感器时，产生反光，开关打开，当转离时，开关关闭，因此圆盘每转一周，光电开关输出一个等占空比的方波，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测出转速为:
n60Nt （4－3）
式中，n———转速(r/min) t———测量时间(s)
对于有些轴是和电动机统一装配在一起，隐藏了旋转轴部分的情况，适合用非接触式感应线圈的测量方法。但这种方法容易受到电磁干扰，必须作好信号的滤波，抑制干扰、增加信噪比。
异步电动机电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组相当于副绕组。定子电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭
合，并在转子绕组中产生感应电动势，从而产生转子电流，而这电流同旋转磁场的磁通作用产生电磁转矩从而使的电动机转动。其中，定子感应电动势的频率为
f1Pn060 （4－4）
式中，P－电动机的极对数；
n 0－旋转磁场和定子间的相对转速； 转子电动势变化频率为:
f2P(n0n)Sf160 （4－5）
式中，n-转子的转速；
S-转差率；
可见转子电动势频率f2与转差率S有关，也与转速有关， 由式（4－4）（4－5）可以得到:
n60(f1f2)P （4－6）
因此，只要知道电动机的极对数、转子和定子的电流频率就可计算出电动机
转速。我们测量方法也正是利用感应线圈感应到定子和转子的漏磁通变化，并转化为线圈电动势的变化，然后采集这一变化电动势，利用单片机软件强大的数据处理能力，对采集数据进行分析，计算出转子和定子的频率从而得到电动机转速。
霍尔器件是一种以霍尔效应为工作基础的磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。在用于转速的信号采集系统中，通过在待测转动装置上设置相对应的小型磁性元件，霍尔元件即可以通过磁场的变化而输出脉冲信号。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达IMHZ)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
4．4．4 转速传感器的选用 （1） 发电机转速传感器
本文综合考虑光电传感器，感应线圈和霍尔传感器的优点以及缺点，选用光电传感器中的光电编码器。
编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“１”还是“０”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“１”还是“０”。
按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
绝对型编码器（旋转型）的工作原理：绝对编码器光码盘上有许多道光通道 刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16 线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器 ，旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对值编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多， 这样在安装时不必要费劲找零， 将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。
增量型编码器 (旋转型) 的工作原理： 由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。
增量型编码器的信号输出： 信号输出有正弦波（电流或电压），方波（TTL、HTL），集电极开路（PNP、NPN），推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动
（对称A，A-；B，B-；Z，Z-），HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A、B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。增量式编码器的问题：增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对型编码器可以解决。
增量型编码器的一般应用： 测速，测转动方向，测移动角度、距离(相对)。 发电机的转速通过测量叶轮转速转化而来，叶轮转速传感器选用光电增量 编码器。
（2） 轮毂轴承传感器
在选取测齿轮转速时一般选用光电式传感器，齿轮每转一个齿，将光电式传感器发出的光遮住一次，由此计算转动的角度。但光电式传感器在多尘土（沙漠）环境中无法使用，而且抗干扰能力差。所以在方案设计中采用了非接触磁电式传感器。
由电磁感应定律知道，线圈两端的感应电动势正比于线圈包围的磁链对时间的变化率，即
d E= N （4－7）
dt式中 N———线圈匝数；
———线圈所包围的磁通量（Wb）； t——— 时间（s）；
E———感应电动势（V）。
根据该定律，线圈和磁铁静止不动，测量齿轮（导磁材料制成）安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通变化一次，线圈中产生一个近似正弦状的脉冲信号。由此脉冲便可以计算单位时间内齿轮转动的角度，即
n360n/z （4－8）
式中
n———单位时间内齿轮转动的角度（0）； n———单位时间内传感器所测的脉冲数；
z———齿轮齿数。
大齿轮的齿数为113，所以Z＝113，大齿轮旋转一周输出113个脉冲，设测得的脉冲数为Z1,则其转过的角度X1
X1360 Z1113 （4－9）
本设计中选用SM-16磁电转速传感器，SM-16磁电转速传感器能将转角位移转换成电信号供计数器计数，只要非接触就能测量各种导磁材料如：如齿轮、叶轮、带孔（或槽、螺钉）圆盘的转速及线速度。传感器具有：体积小、结实可靠、寿命长、不需电源和润滑油等优点，与一般二次仪表均可配用。其技术参数如下
1、 输出波形：近似正弦波（≥50r/min时） 2、 输出信号幅值：50r/min时≥300mV
传感器铁芯和被测齿轮齿顶间隙 δ＝0.5mm 被测齿轮模数 m = 2 齿轮 Z = 60 材料 电工钢
信号幅值大小，与转速成正比，与铁芯和齿顶间隙的大小成反比。 3、 测量范围：50～5000Hz 4、 使用时间：连续使用
5、 工作环境：温度 -20～+60˚C 6、 输出形式：X12K4P四芯插头
7、外形尺寸：外径M16×1 总长120mm(总长可根据用户定制) 8、重量：约100g（不计输出导线）
至于交流永磁同步电机上的测速传感器则用自身所带的光电编码器。
4．5 PLC的设计
PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新、性价比也越来越高。目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的有美国的AB通用电气、莫迪康公司；日本的三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国的西门子公司；法国的施耐德公司；韩国的三星、LG公司等。当然随着中国企业的崛起
和发展，国产的PLC也已经在该领域崭露头角，显示出巨大的竞争力。然而由于历史原因及涉及到巨大的商业利益，各个商家生产的PLC在结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等方面各有自己的特点难以统一规范，应用的场合也是各有侧重。这使得根据具体的工业环境、工艺流程的特点和具体的应用要求合理的选择PLC 机型从而提高PLC 控制系统的技术、经济指标就显得尤为重要。 根据风力机变桨控制系统的特定环境、工艺流程以及应用要求估算出输入输出点数、所需存储容量、进行PLC 机型进行选型并由此大体规划实现控制要求的程序流程图。当然对PLC 的选型不可能兼顾到问题的方方面面，本文只需抓住主要矛盾，从大处着手即可，而对其他的旁枝末节可以不予特别考虑。
（1）输入输出点数的估算
风力机变桨控制系统数字输入点数有8个，均为常开开关，其中I0.0为高速计数器HSC0的计数进口，HSC0采集磁电式传感器的输出脉冲；I0.2为正常停机开关；I0.3为快速停机开关；I0.4为紧急停机开关；I0.6为高速计数器HSC1的计数进口，HSC1采集伺服电机上光电编码器的输出脉冲；I1.0为90°处的行程开关；I1.1为93°处的行程开关；I1.2为高速计数器HSC2的计数进口，HSC2采集叶轮上光电编码器的输出脉冲。
风力机变桨控制系统模拟输入点数有1个，采集风速，存入AIW0中。 风力机变桨控制系统数字输出点数有6个，其中Q0.0输出高速脉冲串，驱动伺服电机实现精确控制；Q0.2控制伺服电机旋转方向，当Q0.2为高电平时，电机正转，当Q0.2为低电平时，电机反转；Q0.3为并网开关，Q0.3闭合后，发电机组并入电网中；Q0.4为切入变频系统开关；Q0,5为切入功率控制开关，当叶轮转速达到额定转速后，进行变桨和功率联合控制；Q0.6为液压刹车开关，当紧急停机时，叶轮转速小于5r/min时，启动液压刹车，使叶轮停止转动。
（2）控制功能选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能、和处理速度等特性的选择。
运算功能：简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC还有模拟量PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用出发，合理选用所需的运算功能。在控制煤炭运输的集散控制系统中，控制分站除了能够进行开关量I/O的逻辑运算、以及延时或定时的计时功能以及计数功能外，还要包括数据移位、比较等运算功能同时由于要对胶带的速度、滚筒附近的温度、以及电机各相电流等模拟量进行检测和处理因此还需有代数运算、数据传送等功能。由于没有模拟量输出，所以不需要
具有PID运算和其它高级运算功能。通过以上综合的考虑分站，达到上述功能至少需要具有数据运算能力的中型机。
控制功能：控制功能包括PID控制运算、前馈补偿运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。在本集散控制系统中的控制分站中需要顺序逻辑控制等常用的控制功能即可。
通信功能：大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE/通信标准，应是开放的通信网络。由上文知该集散控制系统各个站点之间的通信主要通过PROFIBUS-DP总线，因此PLC设备中应集成PROFIBUS-DP接口，当然也可以通过通信处理模块(CP)连接到PROFIBUS-DP。
编程功能：离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
诊断功能：PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
处理速度：PLC采用扫描方式工作，从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、响应要求快的需要。 （3）PLC的结构形式
PLC虽然型号多种多样，但从结构形式上分类可分为两类：整体式和模块式。整体式PLC是将其电源、CPU、存储器、I/O单元和指示灯等集中安装在一个箱体内，构成主机。如西门子公司的S7-200等。整体式PLC的特点是结构紧凑，体积小，价格低，安装方便，I/O点数固定，实现的功能和控制规模固定，但灵活性较差。而模块式PLC是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。各个模块安装在总线槽内，之间通过背板总线进行连接。模块式PLC的特点是配置灵活，安装、扩展、维修都很方便。西门子公司的S7-300、S7-400都属于模块式PLC。但价格上比较昂贵。 从系统自身考虑，主要进行变桨系统的桨叶控制，涉及的输入输出也不多；再加上主控柜的空间有限。从整体考虑，性价比上倾向于S7-200。
西门子公司的SIMATICS7一200系列属于小型可编程使用的简单控制场合，也
可以用于复杂的自动化控制系统在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。S7一200的可靠性高，可用梯形图、语句表(即指令表)它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置控制器、RS一485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信端子排可以很容易地拆卸。最大可扩展到248点数字量U26KB程序和数据存储空间。
s7一200在下列领域已经得到了广泛的应用:机床电气机械、包装机械、烟草机械、冲压机械、铸造机械、运输瓷工业、环保设备、电力自动化设备、实验室设备、电梯、供水和过程系统中各种泵和电磁阀的控制I2v等。
系统特殊的场所、工艺流程、控制功能等环境对输入输出点数、存储器容量、控制功能、结构形式等要素的分析，本文在变桨系统中对西门子S7-200众多型号中选择了CPU模块为 CPU224，其端子接线图如图4－14所示。它的各个性能参数都能很好满足变桨系统的控制需求。
图4－14 S7-200 CPU224的端子接线图
S7200PLC由基本单元（S7-200CPU模块）、个人计算机或编程器STEP7/WIN32编程软件以及通信电缆等构成。该产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
根据以上的分析，本文设计的变桨控制系统的接线图如图4－15所示。
图4－15 变桨控制系统的接线图
4．6 PLC编程软件STEP7-Micro/WIN32
STEP7-Micro/WIN32 编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专门为SIMATICS7-200系列PLC设计开发。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能。用户课利用该软件开发PLC应用程序，同时也可实时的监控用户程序的执行状态。该软件是SIMATICS7-200用户不可或缺的开发工具。
PLC的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制设计的。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准IEC1131-3）。PLC的编程语言包括以下五种：梯形图语言、指令表语言、功能模块图语言、顺序功能流程图语言及结构化文本语言。
1、梯形图（Ladder Diagram）程序设计语言
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系，在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。
2、布尔助记符（Boolean Mnemonic）程序设计语言
布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。布尔助记符程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似，和汇编语言一样由操作码和操作数组成，用布尔助记符来表示操作的功能。
3、功能表图（Sequential Function Chart）程序设计语言
功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。功能表
图程序设计语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。它是近年来发展起来的一种程序设计语言。
4、功能模块图（Function Block）程序设计语言
功能模块图程序设计语言是采用功能模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。它有若干输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的控制运算或控制功能。功能模块可以分为不同的类型，在同一类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同。由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此，控制方案的更改、信号连接的替换等操作可以很方便实现。
5、结构化语句（Structured Text）描述程序设计语言
结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。它是一种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的PLC系统中，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系，它也被用于集散控制系统的编程和组态。结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能和操作。大多制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。
不同型号的PLC编程软件对以上五种编程语言的支持种类是不同的，本文使用的西门子S7-200PLC所用的编程语言SIMATIC STEP 7对梯形图、布尔助记符、功能模块编程语言都以支持。
4．7 PLC软件程序设计
控制系统的硬件设计以及选型完成后，接下来便是软件部分的设计与开发。本控制系统软件部分的设计主要是变浆系统的控制过程。 任务分析
我们要在以下不同的风机运行状态下进行变桨控制 1、静止——起动状态下的变桨调节 桨距角调节至50°迎风； 开桨速度不能为2 ° /s; 顺桨速度不能为5° /s; 变桨加速度为10 ° /s²；
目标：叶轮转速升至3 rpm(低速轴） 2、起动——加速状态下的变桨调节
桨距角在（50 °，0°）范围内调节迎风； 开桨速度不能超过2 ° /s; 顺桨速度不能超过5° /s;
变桨加速度不能超过20 ° /s²；
目标：叶轮转速升至10 rpm(低速轴） 3、加速——并网发电状态下的变桨调节 3.1 低于额定功率下的变桨调节
桨距角在维持0°迎风； 开桨速度不能超过2 ° /s; 顺桨速度不能超过5° /s;
变桨加速度不能超过20 ° /s²；
变频系统通过转矩控制达到最大风能利用系数， 目标：叶轮转速升至17.5 rpm(低速轴） 3.2 达到额定功率后维持满发状态运行 桨距角在（10°，0°）范围内调节；
开桨速度为5 ° /s;
顺桨速度不能超过5° /s;
变桨加速度不能超过20 °/s²；
通过变桨控制和使机组保持额定输出功率不变， 目标：叶轮转速保持17.5 rpm(低速轴） 4、运行到停机状态下的控制任务 4.1 正常停机
叶片正常顺桨至90°；
变桨主控柜的顺桨命令通过轴柜执行； 顺桨速度控制为5° /s;
叶轮空转，机械刹车不动作； 4.2 快速停机
叶片快速顺桨至90°限位开关处； 变桨主控柜的顺桨命令通过轴柜执行； 顺桨速度控制为7° /s;
叶轮空转，机械刹车不动作；
4.3 紧急停机
叶片紧急顺桨至90°或93 °限位开关 ； 紧急顺桨命令通过蓄电池柜执行；
顺桨速度为100/s。
叶轮速度下降到5rpm时，液压刹车动作。
独立变桨：三个叶片通过各自的轴柜和蓄电池柜实现开桨和顺桨的同步调节；如果某一个驱动器发生故障，另两个驱动器依然可以安全地使风机顺桨并安全停机。
第五章 总结与展望
风能作为清洁的可再生能源，已经受到世界各国的普遍重视，风力发电技 术也开始成为越来越多国家的研究重点。我国风力发电技术起步较晚，已有的 风力发电设备的规模很小，技术落后，但是国家已经把风力发电当作调整我国 电力能源结构的一项重要措施，对风力机设备的国产化开发十分重视。随着风力发电机单机容量的大型化，变桨距控制风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。本文根据空气动力学原理，分析了风力机的动力学特性，从理论上推出了变桨距控制方法。并通过硬件系统、软件系统、执行机构和控制算法的组合使这个控制方法演变成一个风力机变桨距电机控制系统。本文主要进 行的研究工作如下：
（1）依据风力机桨叶空气动力学原理，分析了风力机的受力情况，从理论 上推出变桨距控制规律；同时根据变桨距控制规律，设计了采用plc控制 技术的变桨距整体控制方案。
（2）以LUST和SSB为参考，设计了自己国产化的变浆控制的机构,通过1.5MW风力机的变桨系统的基本理论和参数要求，介绍并选取了国内的各部分的变桨机构。
（3）根据控制系统方案和变桨距系统的特点，本文以PLC为下位机，设计开发了系统控制器。PLC接受主控制器给定的桨距信号，通过电动机的转动和反馈信号对桨叶进行控制，并设计PLC外围电路和相应的软件程序。
由于在本次设计中因时间和条件的限制，还有许多值得研究和改善的地方， 进一步的研究包括：
（l）探讨其他智能控制与传统控制相结合的方法(如基于神经网络的PID控制、基于遗传算法的PID控制等)，以及智能控制之间相融合的方法(如模糊神经网络等)在变桨距控制系统研究中的应用，并通过实验以优化相关控制法则。
（2）由于风电机组作为一个机电一体化的复杂系统，可以利用ADAMS中的电机控制、机械动力学模块进行控制系统与机构联合运动学、动力学仿真研究，最终达到系统和机构的优化设计。
（3）为了在风沙，严寒等恶劣的环境下工作，有些方面需要加热，温度控制及保护电路，这些都需要进步的完善。
英文原文
Power Characteristics of a Fuel Cell Micro-grid with
Wind Power Generation
1 Introduction
A micro-grid technique is predicted to be effective with respect to backup power supply in an emergency, peak cut of power plants, and exhaust heat utilization. Furthermore, when renewable energy is connected to a micro-grid, there is potential to reduce the amount of greenhouse gas discharge. A micro-grid has an interconnection system with commercial power, etc., and the independence supplying system of the power. The micro-grid with an interconnection system outputs and inputs the power between other grids. Therefore, the dynamic characteristic of the grid is influenced by the grid of a connection destination. When a micro-grid and a large-scale grid such as a commercial power system are interconnected, the dynamic characteristics of the power depend on the commercial power system. For this reason, in the micro-grid of the interconnection type, the option regarding the equipment to connect is large. On the other hand, since the micro-grid can reduce transportation loss of power and heat, this technique may become the major energy supply. The method of connecting two or more small scale fuel cells and renewable energy equipment by a micro-grid, and supplying power to the demand side is effective in respect to environmental problems. Thus, this chapter examines the independent micro-grid that connects fuel cells and wind power generation. In order to follow load fluctuation with an independent grid system, a method of installing a battery and a method of controlling the output of power
generators can be used. Since batteries are expensive, in this chapter, it corresponds to load fluctuation by controlling the power output of the fuel cell. The output adjustment of the fuel cell has the method of controlling the production of electricity of each fuel cell, and the method of controlling the number of operations of the fuel cell. However, adjustment of the production of electricity of each fuel cell connected to the micro-grid may operate some fuel cell with a partial load with low efficiency. Thus, herein, the number of operations of fuel cells is controlled to follow fluctuations in the electricity demand.
In an independent micro-grid, a certain fuel cell connected to the micro-grid is chosen and this is considered as a power basis. The power (voltage and frequency) of the other fuel cells is controlled to synchronize with this base power. Therefore, if the fuel cell that outputs the base power is unstable, the power quality of the whole grid will
deteriorate. Fuel cells other than the base load operation are controlled to synchronize with the base power. The power quality (voltage and frequency) of the micro-grid depends on the difference in the demand-and-supply balance.
A 2.5 kW fuel cell is installed in one house of the micro-grid formed from ten houses. This fuel cell is operated corresponding to a base load. A 1 kW fuel cell is installed in seven houses, and a 1.5 kW wind power generator is connected to the micro-grid. According to the difference in the electricity demand of the grid and the power
produced by the wind power generator, the number of operations of 1 kW fuel cells is controlled. A city gas reformer is installed in houses in which fuel cells are installed, and hydrogen is produced by city gas reforming. By adding random fluctuation to an average power load pattern, the power demand of a general residence is simulated and used for analysis. The dynamic characteristics of the micro-grid and the efficiency of the system that are assumed in this chapter are investigated by numerical analysis.
2 The Micro-grid Model
Figure 1 shows the fuel cell independent micro-grid model investigated in this chapter. There is a network of power and city gas in this micro-grid. Although a power network connects all houses, a city gas network connects houses in which a fuel cell is installed. The fuel cell installed in each house is a proton exchange membrane type (PEM-FC). The output of a 2.5 kW fuel cell is determined to be a base power of the micro-grid. Moreover, PEM-FC of 1 kW power is installed in seven houses. However, the
fundamental dynamic characteristics of all the fuel cells are the same, and a fuel cell and a city gas reformer are installed as a pair. One set of wind power generators is installed, and the power produced by wind force is supplied to a micro-grid through an inverter and an interconnection device. The power supply of the micro-grid assumes 50 Hz of the single-phase 200 V.
Fig. 1 Fuel cell micro-grid system with a wind power generator
3 Response Characteristics of System Configuration Equipment
3.1 Power Generation Characteristics of the Fuel Cell
Figure 2(a) shows the measurement results of a step-wise input of a load of 45 W into the testing equipment of PEM-FC (maximum output 100 W). In the test, the ambient temperature was set to 293 K, and reformed gas and air were supplied to an anode and a cathode, respectively. An approximated curve was prepared from the result of the measurement in Fig. 2(a), and the transfer function of a primary delay was obtained. Strictly speaking, although a transfer function is considered depending on the load factor, it is not taken into consideration because this difference is small in the test results.
3.2 Output Characteristics of the City Gas Reformer
Figure 2(b) shows the output model that step-wise inputted a load of a 100% load factor into the city gas reformer. An approximated curve was prepared from the result of the measurement, and the transfer function of the primary delay of the city gas reformer was obtained. Although the transfer function of a city gas reformer influences the
magnitude of the load significantly, since there is no large difference, the result of Fig. 2(b) was used as a fuel cell. Compared with the condition of the steady operation of the reformer, the characteristics of startup and shutdown differ greatly. Cold start and
shutdown operations require about 20 minutes each. In the analysis of this chapter, it is assumed that the startup of the methanol reformer is always a hot start.
Fig. 2 Response characteristics of the system configuration equipment
3.3 Power Generation Characteristics of Wind Power Generation
The model of power obtained by wind power generation is decided at random between 0 to 1.5 kW for every sampling time, as shown in Fig. 3(a). The power of the wind power generator is supplied to a micro-grid through an inverter and a system interconnection device. Figure 3(b) shows the output model of the wind power generator through an inverter and a system-interconnection device. The output of wind power generation is 0.75 kW ± 0.25 kW, as shown in Fig. 3(b). This is because the influence of the dynamic characteristics of the inverter and the system-interconnection device is significant. The dynamic characteristics of the inverter and system interconnection device significantly influence the power output characteristics of wind power generation.
Fig. 3 Output model of the wind power generator
3.4 Generation Efficiency of the Fuel Cell System
Figure 4 shows a model of the relation between the load factor of a fuel cell and the generation efficiency. Power generation efficiency is obtained by dividing “the power output of the fuel cell system” by “the city gas calorific power supplied to the system”. This model was prepared from the results of the power output when attaching the fuel cell show in Fig. 2(a) to the city gas reformer show in Fig. 2(b). If the load of a fuel cell is given to Fig. 4, power generation efficiency is calculable. The maximum efficiency of one set of a fuel cell system is 32%.
Fig. 4 Output characteristics of PEMFC with a city gas reformer
3.5 Inverter and System Interconnection Device
It is assumed that an inverter of a voltage control type is used, and 120 ms is required to output power on regular voltage and frequency (in this chapter, it is less than
95%).Figure 5(a) expresses the transfer function of such an inverter with primary delay. When changing the power with a system interconnection device, the change takes about 10s. However, there is the operation of taking the synchronism of the frequency between systems, and the model of the system interconnection device sets the change time to 12 ms. The transfer function of the system interconnection device by primary delay is shown Fig. 5(b).
Fig. 5 Transfer function of an inverter and an interconnection device
4 Control Parameters and Analysis Method
The response characteristics of the 1 kW fuel cell system when inputting 0.13.10, and a 1.0 kW load step-wise is shown in Fig. 6. The response characteristics of a fuel cell system changes by the control parameters set up with the controller. As shown in Fig. 6(c), with 1 kW step input, the rising time and settling time (time to converge on ±5% of the target output) are not based on control parameters. With a 0.2 kW step input, the rise time of P = 12.0, I = 1.0 is short, and the settling time of P = 1.0, I = 1.0 is short. With a 0.6 kW step input, P = 12.0, I = 1.0 and P = 1.0, I = 1.0 have almost the same settling time. Moreover, overshooting is large although the rise time of P = 12.0, I = 1.0 is short. Considering the following load fluctuations, the control parameters of the fuel cell are analyzed by P = 12.0, I = 1.0. The dynamic characteristics of a micro-grid are analyzed using MATLAB (Ver.7.0) and Simulink (Ver.6.0) of The MathWorks Corporation. However, in the analysis, the solver used is the positive Runge–Kutta system, and this determines the sampling time from calculation converged to less than 0.01% by error.
Fig. 6 Characteristics of the electric power output of the system
5 Load Response Characteristics of the Micro-grid
5.1 Step Response
The response results when applying the step-wise input of 2, 4, 6 or 8 kW to the
micro-grid at intervals of 30 seconds are shown in Fig. 7(a). The left-hand part of Fig. 7(a) shows the result of not installing a wind power generator. The right-hand side of the figure shows the result of installing a wind power generator. The maximum power by overshooting and settling time (time to converge on ±5% of the target output) are described in the left-hand part of Fig. 7(a). Moreover, the maximum power due to
overshooting is described in the right-hand part of the figure. The settling time when not installing a wind power generator has the longest period of step input of 6 kW and 8 kW for 3.9 seconds. If a wind power generator is connected to the micro-grid, many fluctuations in the system response characteristics will occur in a short period. If the
power produced by wind power generation is supplied to the micro-grid, the dynamic characteristics of power of the micro-grid will be influenced. Figure 7(b) shows the analysis results of the response error corresponding to Fig. 7(a). If a wind power generator is connected to the grid, the response error will become large as the load of the grid becomes small. It is expected that the power range of the fluctuation of the microgrid will increase as the output of the wind power generation grows. Therefore, when the load of a micro-grid is small compared with the output of a wind power generator, and the power supply of the independent micro-grid becomes unstable.
Fig. 7 Results of step response
5.2 Load Response Characteristics of Cold-region Houses
Fig. 8(a) shows the power demand pattern of a micro-grid formed from ten individual houses in Sapporo, Japan, and assumes a representative day in February. This power demand pattern is the average value of each hour, and the sampling time of analyses and the assumption time are written together on the horizontal axis. As a base load of the power demand pattern shown in Fig. 8(a), F/C (0) is considered as operation of 2.5 kW constant load. Figures 8(b) and (c) are the power demand patterns when adding load fluctuations (±1 kW and ±3 kW) to Fig. 8(a) at random. The variation of the load was determined at random within the limits of the range of fluctuation for every sampling time.
Figure 9 shows the response results of F/C (0) to F/C (6) when wind power generation is connected to the micro-grid and the power load has ±1 kW fluctuations. F/C (0) assumed operation with 2.5 kW constant output, with the result that the
response of F/C (0) is much less than 2.5 kW in less than the sampling time of 100 s, as shown in Fig. 9(a). This is because F/C (0) was less than 2.5kW with the power of wind power generation. Although the micro-grid assumed in this chapter controlled the number of operations of F/C (1) to F/C (7) depending on the magnitude of the load, since the power supply of wind power generation existed, there was no operating time of F/C (7).
Fig. 8 480 s demand model for 10 houses in Sapporo in February
Fig. 9 Response results of each fuel cell
5.3 Power Generation Efficiency
Figure 10 shows the analysis results of the average power generation efficiency of fuel cell systems for every sampling time. The average efficiency of a fuel cell system is the value averaging the efficiency of F/C (0) to F/C (7) operated at each sampling time. However, the fuel cell system to stop is not included in average power generation
efficiency. The average power generation efficiency of Fig. 10(a) is 13.4%, and that of Fig. 10(b) is 14.3%. The difference in average efficiency occurs in the operating point of a fuel cell system shifting to the efficient side, when load fluctuations are added to the micro-grid. Thus, if load fluctuations are added to the micro-grid, compared with no load fluctuations, the load factor of the fuel cell system shown in Fig. 4 will increase.
Fig. 10 Results of micro-grid average efficiency
Figure 11 shows the power generation efficiency of each fuel cell in the case of connecting wind power generation to the micro-grid of ±1.0 kW of the load fluctuation. F/C (0) operated corresponding to a base load has maximum power generation efficiency at all sampling times. Since the number of operations of a fuel cell is
controlled by the magnitude of the load added to the micro-grid, the operating time falls in the order of F/C (1) to F/C (6). Moreover, there is no time to operate F/C (7) in this operating condition.
Fig. 11 Results of efficiency for each fuel cell
中文译文 1绪论
微型电网技术被预测为在紧急状态的备用电源方面是有效的，降低发电厂峰值，同时利用余热。此外，当微型电网和可再生能源连接在一起时，有可能减少温室气体排放。一个微型电网是一个和商业电力等互联，同时又独立的电力供应系统。微型电网互联系统在其他电网之间输出和输入电力。因此，电网的电源动特性是受连接目的地的电网影响的。当一个微型电网和一个大规模的电网例如商业电力系统互联时，电源的动态特性取决于商业供电系统。因此，在微型电网的连接类型中，期望对于连接设备是巨大的，另一方面，由于微型电网可以减少电力和热能运输损失，这种技术可能成为主要的供电技术。利用微型电网把两个或两个以上的小规模燃料电池和可再生能源连接在一起，这种供电对于需求方来说在环境问题上是有效的。因此，这一章调查了连接燃料电池和风力发电的独立微型电网。为了遵循独立高压电网的负载波动，可以使用安装电池和控制发电机输出功率两种方法。由于电池的价格昂贵，在本章中，通过控制燃料电池的输出功率使得它符合负载波动。燃料电池的输出调整可以利用控制每个燃料电池发电量的方法来实现，也可以利用控制燃料电池运作的数目的方法。然而，调整连接到微型电网中每个燃料电池的发电量，也许会引起低效率的一些燃料电池的部分载荷。因此，在这里，通过控制燃料电池运作的数目来达到电力需求中的波动特性。
在一个独立的微型电网中，选择某一被看作是电源基础的燃料电池连接到其中。控制其他燃料电池的电源特性（电压和频率）与此基础电源同步。因此，如果输出基础电源的燃料电池是不稳定的，那么整个电网的电源质量将恶化。控制除了基本电源以外的燃料电池带负荷运行与基本电源同步。微型电网的电源质量（电压和频率）取决于需求和供应平衡中的区别。
在由10所房子组成的微型电网中的一所房子中安装一个2.5KW的燃料电池，运行这个燃料电池对应于一个基础载荷。在7所房子中安装1KW的燃料电池，同时这个微型电网和一个1.5KW的风力发电机相连接。根据电网电力需求的不同以及风力发电机发电量的不同，控制1KW燃料电池运作的数目。一个城市的煤气转化器安装在燃料电池所在的房子中，并且城市气体转化时产生氢气。通过给一个平均电力负荷特性增加随机波动来模拟一个普通住宅的电力需求同时用于分析。在本章中，计算微型电网的动态特性和系统的有效性都是通过数值分析方法研究的。
2 微型电网模型
图1显示了本章所研究的独立的燃料电池微型电网模型。在这个微型电网中，有一个供电网络和一个城市煤气网络。虽然供电网络连接了所有的房子，但是城市煤气网络只连接了燃料电池安装所在的房子。安装在每所房子中的燃料电池是一个质子交换膜燃料电池（PEM-FC）。确定2.5KW的燃料电池的输出为微型电网
的基础电源。此外，7所房子中安装了1KW的质子交换膜燃料电池。然而，所有的燃料电池的基本动态特性都是一样的，并且燃料电池和城市煤气转换器都是成对安装的。安装一组风力发电机设备，风力发的电通过变换器和互联设备供应给微型电网。假定微型电网的电源供应为单相的200V，50Hz的电压。
图1 带有风力发电机的燃料电池微型电网系统
3 系统配置设备的响应特性
3.1 燃料电池的发电特性
图2（a）显示了在质子交换膜燃料电池（最大输出功率100W）测试装置中，阶跃施加45W负载的测量结果。在测试中，设定环境温度为293K，并且转换后的气体和空气分别供应给阳极和阴极。从测量结果图2（a）中获得了一条近似曲线，并且获得了带有一个基本延迟的传递函数。严格来说，虽然传递函数被认为是取决于负载系数，但是并没有考虑它，因为在测试结果中，负载的不同是很微小的。 3.2 城市煤气转换器的输出特性
图2（b）显示了在城市煤气转换器中阶跃施加负载系数为100％的负载时的输出模式。从测量结果中获得了一条近似曲线，并且获得了带有一个基本延迟的城市煤气转换器的传递函数。虽然城市煤气转换器的传递函数显著地影响负载大小，但是由于没有大的差异，那么图2（b）结果用于燃料电池。转换器的启动特性以及关闭特性与稳定运行情况相比，大不相同。冷启动和关闭操作都需要大约20分钟。在这一章的分析中，假定甲醇转换器总是热启动。
图2 系统配置设备的相应特性
3.3 风力发电的发电特性
风力发电的功率模型如图3（a）所示，在每个采样时间中，功率值在0－1.5KW之间随机确定。风力发电机的功率通过变换器和系统互联设备供应给微型电网，图3（b）显示了利用变换器和系统互联设备输出的风力发电机的输出模型。风力发电的输出功率如图3（b）所示，为0.75KW±0.25KW，这是因为变换器和系统互联设备的动态特性的影响是显著的，它对风力发电的输出功率特性具有较大的影响。
图3 风力发电机的输出模型
3.4 燃料电池系统的发电效率
图4显示了燃料电池的负载系数和发电效率关系的模型。用燃料电池系统的
输出功率除以供应给系统的城市煤气功率，即得发电效率。从图2（a）的燃料电池和图2（b）的城市煤气转换器连接在一起时的输出功率结果中，得到了这个模型。如果燃料电池给定负载如图4所示，那么发电效率是可计算的。一组燃料电池系统的最大效率是32％。
图4 带有城市煤气转换器的质子交换膜燃料电池的输出特性
3.5 变换器和系统互联设备
假定使用电压控制的变换器，并且在常规电压和频率时需要120ms输出功率（在本章中，输出时间不到95％）。图5（a）表示的是带有基本延迟的这一种变换器的传递函数。
当改变带有系统互联设备的电源时，大约需要10μs。然而，使得系统之间频率同步的操作，系统互联设备模型设置了这一改变时间为12ms。系统互联设备的带有基本延迟的传递函数如图5（b）所示。
图5 变换器和互联设备的传递函数
4 控制参数及分析方法
1KW的燃料电池系统输入0.13.10，并且一个1.0KW的负载阶跃施加，相应特性如图6所示。燃料电池系统的响应特性随着控制器所设置的控制参数而改变。如图6（c）所示，当1KW的负载阶跃输入时，上升时间和调节时间（响应到达并不再超出稳态值的±5％所需的时间）并不是基于控制参数的。当0.2KW的负载阶跃输入时，P=12.0，I=1.0时的上升时间很短，P=1.0，I=1.0时的调节时间很短。当0.6KW的负载阶跃输入时，P=12.0，I=1.0时的与P=1.0，I=1.0时的调节时间几乎相同。此外，虽然P=12.0，I=1.0的上升时间很短，但是超调量很大。考虑到接下来的负载波动，分析控制参数为P=12.0，I=1.0的燃料电池。利用MathWorks公司的MATLAB（7.0版本)和Simulink（6.0版本）对微型电网的动态特性进行分析。然而，在分析中，解算器采用积极的龙格库塔算法，这就决定了计算中的采样时间的误差收敛于0.01%
图6 系统电力输出特性
5 微型电网的负载响应特性
5.1 阶跃响应
每隔30s对微型电网逐步施加2，4，6，8KW的负载，响应结果如图7（a）所示，其中左边的图是没有安装风力发电机的结果，右边的图是安装了风力发电机的结果。图7（a）中的左边图描述了最大功率时的超调量和调节时间（响应到达并不再超出稳态值的±5％所需的时间）此外，右边图描述了最大超调量。当没有安装风力发电机时，6KW和8KW输入时，调节时间最长为3.9s。如果将风力发电机装入微型电网中，那么在很短的时间内，系统响应特性将会出现许多波动。如果微型电网的电源是通过风力发电提供的，那么微型电网电源的动态特性将会受到影响。图7（b）显示了对应于图7（a）的响应误差的分析结果。如果电网中没有安装风力发电机，那么由于电网负载变小响应误差将会很大。人们期望，当风力发电的输出增加的时候，微型电网的功率波动范围也增加。因此，当微型电网的负载和风力发电机的输出相比比较小时，独立的微型电网的电力供应将变得不稳定。
图7 阶跃响应结果
5.2 冷地区房子的负载响应特性
图8显示了在日本札幌由10所单独房子组成的微型电网的功率需求模式，并且假定在2月有代表性的一天。这一功率需求模式是每所房子的平均值，并且分析采样时间和假定时间都一起写在了横轴上。基本载荷功率需求模式如图8（a）所示，所以施加2.5KW的恒负载时，考虑F/C（0）。图8（b）和（c）是在图8（a）的基础上随机增加负载波动（±1 kW 和 ±3 kW）的功率需求模式。每个采样时间内，随机负载波动被限制在波动范围之内。
图9显示了当微型电网中安装了风力发电机时，从F/C（0）到F/C（6）的响
应特性，并且电源负载有±1 kW波动。F/C（0）承担了2.5KW恒定输出的操作，其结果如图9（a）所示，在采样时间少于100s时，F/C（0）的响应远远小于2.5KW。这是因为风力发电的功率，使得F/C（0）的响应小于2.5KW。虽然本章中假定微型电网根据负载的大小来决定运行数目从F/C（1）到F/C（7），但是由于出现了风力发电的电力供应，就没有F/C（7）的运行时间了。
图8 2月札幌十所房子的480s的需求模式
图9 每个燃料电池的响应结果
5.3 发电效率
图10显示了在每个采样时间内，燃料电池系统平均发电效率的分析结果。一个燃料电池系统的平均效率是在每个采样时间内，对从 F/C（0）到F/C（7）的所有效率取平均值。然而，平均发电效率不包括燃料电池系统停止的时候。图10（a）中的平均发电效率是13.4％，图10（b）中的平均发电效率是14.3%。平均效率的不同是由于当微型电网中存在负载波动时，燃料电池系统的工作点漂移至效率高的一侧。因此，如果微型电网中存在负载波动，和没有负载波动相比，燃料电池系统的负载系数（图4所示）将会增大。
Fig. 10 Results of micro-grid average efficiency
图11显示了在存在±1 .0kW负载波动的微型电网中安装风力发电后的每个燃料电池的发电效率。运行F/C（0）对应于基本负载时，在所有的采样时间内都有最大发电效率。因为燃料电池的运行数目是由微型电网中施加的负载大小所控制的，因此运行时间从F/C（1）到F/C（6）依次减少。此外，在这种运行情况下，没有F/C（7）的运行时间。
Fig. 11 Results of efficiency for each fuel cell
致谢
本文是在老师悉心指导下完成的。在我毕业设计期间，他给予了悉心的指导并且提出了许多宝贵的意见，付出了辛勤的劳动。舒老师渊博的知识、严谨的治学态度、孜孜不倦的工作精神给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅！在此，向尊敬的舒老师表示崇高的敬意和诚挚的感谢！
感谢同宿舍的舍友们在此设计期间对我的支持和帮助，使我能够全心全意的做好设计。同时还要感谢班级的其他同学在学习上给予的帮助。
感谢我的家人，他们一直对我寄予了很大期望，多年来，为了培养我而付出了无数的心血。他们的关爱、理解、支持和鼓励始终是我前进的动力。
感谢为评阅本文付出辛勤劳动的老师们。
参考文献
[1]刘雪菁，田俊梅.国外兆瓦级风力机[J].太阳能，2005，(3)：41-44 [2]叶杭冶，风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社，2005
[3]周春平，孙瑶廷，白旭.当今世界风力发电最新动向[J].发电设备.2001,(3)：45-49 [4]郭涛.国内外风力发电设备应用及技术发展趋势[J].红旗技术.1999，(9)：3-11 [5]倪受元.风力发电讲座第一讲风力机的类型与结构[J].太阳能.2000，(2)：6-10 [6]徐大平,张新房等.风力发电控制问题综述[J].中国电力，2005,38(4)：70-74 [7]张希良．风能开发利用[M]．北京：化学工业出版社，2005.1
[8]林勇刚，李伟，陈晓波等．大型风力发电机组独立桨叶控制系统[J].太阳能学报，2005，26(6)：780-786
[9] (法)D.勒古里雷斯著，施鹏飞译．风力机的理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1985
[10]苏绍禹.风力发电机设计与维护[M].北京：中国电力出版社,1999
[11](德)J-P Molly著，张世慧译.风能理论、应用与测试[M].北京:机械工业出版社.1987
[12]张琳娜,刘武发.传感检测技术及应用[M].北京：中国计量出版社,1999 [13]胡寿松.自动控制原理[M].国防工业出版社，1994
[14]陶永华.新型PID控制及其应用[M].机械工业出版社，2003
[15]梁淑敏等.比例积分微分调节器的参数整定[J].河南化工，1992，(10):30-32 [16]蔡郁桦.风能.未来[J].广东科技，2001.02:39 [17] 耿庆鲁.整流电路的分类.滤碱工业.2007－4 [18] 秦曾煌.电工学下册.高等教育出版社.2004
[19] 机电一体化系统设计手册.国防工业出版社.1997
[20]刘新海，于书芳.模糊控制在大型风力发电机控制中的应用[J].自动化仪表.2004.05:13~17
[21]程静，王维庆，岳雷.变速恒频风力发电机组的模糊控制[J].新疆大学学报.2004.21(1):56一59 [23]张新房，徐大平，吕跃刚，柳亦兵.大型变速风力发电机组的自适应模糊控制[J].系统仿真学报.2004，15(3):573~577
[24]李思成，陈治明.用交流伺服电机和PLC改造液压控制系统微计算机信息，2006，3：30-32
[25]SIEMENS.S7-200可编程序控制器系统手册
[26]王承煦，张 源．风力发电[M]．北京：中国电力出版社，2002． [27]宫靖远．风电场工程技术手册[M]．北京：机械工业出版社，2004． [28]王兆明.电气控制与PLC技术.清华大学出版社.2005
[29]刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用.国防科技大学出版社,2004.2
[30]吴中俊，黄永红.可编程序控制器原理及应用.北京：机械工业出版社，2004.4 [31]StaffEditor. China’s wind power in rapid progressing. Eledtricity,2001.002:42-45 [32] Mutschler P, Hoffmann R. Comparison of Wind Turbines Renardinn Their Energy Geneation. Power Electronics Specialists Conference,2002：6-11
[33] E.Muljadi, C.P.Butterfield, Pitch-controlled variable-speed wind turbine generation .IEEE Traps On IA,2001,37(1):240-246
[34] J.R.Winkelman, S.H.Javid. Control Design and performance. IEEE Trans. On IA,2002,67(1):24-26
[35] Robert W,Darrell M. Trends in the evolution of wind turbine generator configurations and systems. Wind Energy, 1998.01:70-85
[36] Thomas Ackermann,Lennart soder. Wind energy technology and current status: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2000.04:315-374
[37] J.Gordon Leishman. Challenges in modeling the unsteady aerodynamics of wind turbines. Wind energy.2002,9:85-132
[38] H Snel, Petten. Review of the present status of rotor aerodynamics[J]. Wind Energy.1998,(1):46-69
风力发电机程序：
LD SM0.1 初始状态，复位从M0.0开始的8位，M1.0置位 R M0.0, 8 S M1.0, 1
CALL SBR_0 调用初始化高速计数器HSC0、HSC1、HSC2的子程序
LDN I0.2 检查无故障，正常运行 AN I0.3 AN I0.4 S M0.0, 1
LD I0.2 AN I0.3 AN I0.4 S M0.1, 1 R M0.4, 4 R M1.0, 1
LDN I0.2 A I0.3 AN I0.4 S M0.2, 1 R M0.4, 4 R M1.0, 1
LDN I0.2 AN I0.3 A I0.4 S M0.3, 1 R M0.4, 4 R M1.0, 1
LD M0.0 A M1.0 LPS
MOVW AIW0, VW100 LRD
AW>= VW100, +992 TON T37,+6000 LPP
若检测到I0.2闭合，正常停机 若检测到I0.3闭合，快速停机 若检测到I0.4闭合，紧急停机
M1.0为开始启动标志 从模拟量输入映像寄存器AIW0中读取风速 若10min内风速一直大于3m/s，
则调用子程序1，开桨从90°到50°
A T37 R Q0.0, 3 CALL SBR_1
LD M0.0
A M0.4 M0.4为开桨完标志 LPS
AW< VW100, +992 若5min内风速一直小于3m/s
则调用子程序1，顺桨从50°到90° TON T38, +3000 LRD A T38 S Q0.2, 1 R Q0.0, 1 CALL SBR_1
LRD CALL SBR_2 LPP
AD>= VD300, +15360 R Q0.0, 3 CALL SBR_3
LD M0.0
A M0.5 LPS
CALL SBR_2 LRD
AD< VD300, +15360 S Q0.2, 1 R Q0.0, 0 CALL SBR_3 LPP
AD>= VD300, +51200 S Q0.3, 1 S Q0.4, 1 S M0.6, 1
调用对高速计数器HSC2读数的子程序2 若5min内叶轮平均转速≥3r/min，则调用子程序
3，继续开桨从50°到0°以加速 M0.5为加速开桨完标志 调用对高速计数器HSC2读数的子程序2 若5min内叶轮平均转速＜3r/min，则调用
子程序3，加速顺桨从0°到50°
若5min内叶轮平均转速＞10r/min，则 切入变频系统，同时并网 Q0.3为并网开关
Q0.4切入变频系统开关
R M0.5, 1
LD M0.0
A M0.6 M0.6为并网标志 LPS
CALL SBR_2 调用对高速计数器HSC2读数的子程序2 LRD
AD>= VD300, +89600 若5min内叶轮平均转速>=17.5r/min，
则切入功率控制
S Q0.5, 1 LPP
AD< VD300, +51200 若5min内叶轮平均转速<10r/min，则脱网 R Q0.3, 1 R M0.6, 1 S M0.5, 1
LD M0.1 M0.1正常停机标志 O M0.2 M0.2快速停机标志 O M0.3 M0.3紧急停机标志 EU
S SM66.5, 1 终止正进行中的PTO包络
LD M0.1 正常停机 AN I0.5 AN I0.6
MOVB 16#80, SMB67 设定PTO控制字节 MOVW +100, SMW68 设定周期值100μs MOVD +180000, SMD72 设定脉冲个数180000 PLS 0 执行PLS指令
LD I1.0 I1.0为90°行程开关 O I1.1 I1.1为93°行程开关
S SM66.5, 1 停机过程中碰到行程开关后，终止正进行中的PTO包络
LD M0.2 快速停机 AN I0.5 AN I0.6
MOVB 16#80, SMB67 设定PTO控制字节 MOVW +100, SMW68 设定周期值100μs MOVD +128600, SMD72 设定脉冲个数128600
PLS 0 执行PLS指令
LD M0.3 紧急停机 AN I0.5 AN I0.6
MOVB 16#80, SMB67 设定PTO控制字节 MOVW +100, SMW68 设定周期值100μs MOVD +90000, SMD72 设定脉冲个数90000 PLS 0 执行PLS指令
SBR 0 LD SM0.0
MOVB 16#F8, SMB37 HDEF 0, 0 MOVD +0, SMD38 MOVD +256, SMD42
MOVB 16#F8, SMB47
HDEF 1, 0 MOVD +0, SMD48 MOVD +32000, SMD52 HSC 0 HSC 1
MOVB 16#F8, SMB57 HDEF 2, 0 MOVD +0, SMD58 MOVD +32000, SMD62
SBR 1 LD SM0.0
MOVB 16#A0, SMB67 MOVW +500, SMW168 MOVB 3, VB500 MOVW +500, VW501 MOVW -1, VW503 MOVD +400, VD505
MOVW +100, VW509 初始化高速计数器HSC0、HSC1、HSC2的子程序 设置HSC0的控制字节 设置HSC0的工作模式 清除HSC0当前值 设定HSC0的预置值 设置HSC1的控制字节 设置HSC1的工作模式 清除HSC1当前值 设定HSC0的预置值 执行HSC指令 设置HSC2的控制字节 设置HSC2的工作模式 清除HSC2当前值 设定HSC2的预置值 第一次开桨、顺桨子程序 设定PTO控制字节
指定包络表的起始地址位V500 设定包络表的总段数为3
设定第1段的初始周期为500μs 设定第1段的周期增量是-1μs 设定第1段的脉冲个数是400 设定第2段的初始周期为100μs
MOVW +0, VW511 设定第2段的周期增量是0μs MOVD +19800, VD513 设定第2段的脉冲个数是19800
MOVW +100, VW517 设定第3段的初始周期为100μs MOVW +1, VW519 设定第3段的周期增量是1μs MOVD +400, VD521 设定第3段的脉冲个数是400
ATCH INT_0, 19 建立PTO输出完成中断事件19与中断程序0的连接 ENI 允许中断
PLS 0
INT_0 LD SM0.0 LPS
MOVD HC0, VD200 MOVD HC1, VD204 MOVW +4589, VW210 MUL VW210, VD200
MOVR +0.35156, VD220 *R VD220, VD204 LRD
AD<> VD200, VD204 S M0.1, 1 R M1.0, 1 R M0.4, 1 LRD
AD= = VD200, VD204 A M1.0 S M0.4, 1 R M1.0, 1 LRD
AD= = VD200, VD204 A M0.4
执行PLS指令 0 读取高速计数器HSC0的计数值HC0 读取高速计数器HSC1的计数值HC1 将HC0转换为电动机转过的角度 将HC1转换为电动机转过的角度 若HSC0和HSC1的值不符合，则出
现了故障，正常停机，置位M0.1
若开桨后，HSC0和HSC1的值相符合，
则置位开桨完毕标志M0.4
若顺桨后，HSC0和HSC1的值相符合，
则重新置位开始启动标志M1.0
中断程序 R M0.0, 8 S M1.0, 1 LPP
MOVD +0, SMD38 清除HSC0当前值 MOVD +0, SMD48 清除HSC1当前值 HSC 0
HSC 1 执行HSC指令
SBR 2 LD SM0.0 LPS
TON T39, +3000 HSC 2 LRD A T39
MOVD HC2, VD300
MOVD +0, SMD58
SBR 3 LD SM0.0
MOVB 16#A0, SMB67 MOVW +500, SMW168 MOVB 3, VB500 MOVW +500, VW501 MOVW -1, VW503 MOVD +400, VD505
MOVW +100, VW509 MOVW +0, VW511 MOVD +24800, VD513
MOVW +100, VW517 MOVW +1, VW519 MOVD +400, VD521
ATCH INT_1, 19 ENI PLS 0 对高速计数器HSC2读数 读取5min内高速计数器HSC2的计数值HC2 清除HSC2当前值 加速开桨、顺桨子程序 设定PTO控制字节
指定包络表的起始地址位V500 设定包络表的总段数为3
设定第1段的初始周期为500μs 设定第1段的周期增量是-1μs 设定第1段的脉冲个数是400 设定第2段的初始周期为100μs 设定第2段的周期增量是0μs 设定第2段的脉冲个数是24800 设定第3段的初始周期为100μs 设定第3段的周期增量是1μs 设定第3段的脉冲个数是400 建立PTO输出完成中断事件19与中断程序1的连接 允许中断
执行PLS指令
INT_1 中断程序1 LD SM0.0 LPS
MOVD HC0, VD200 读取高速计数器HSC0的计数值HC0 MOVD HC1, VD204 读取高速计数器HSC1的计数值HC1 MOVW +4589, VW210 将HC0转换为电动机转过的角度 MUL VW210, VD200
MOVR +0.35156, VD220 *R VD220, VD204 LRD
AD<> VD200, VD204 S M0.1, 1 R M0.4, 1 R M0.5, 1 LRD
AD= = VD200, VD204 A M0.4 S M0.5, 1 R M0.4, 1 LRD
AD= = VD200, VD204 A M0.5 S M0.4, 1 R M0.5, 1 LPP
MOVD +0, SMD38 MOVD +0, SMD48 HSC 0 HSC 1
将HC1转换为电动机转过的角度 若HSC0和HSC1的值不符合，则出
现了故障，正常停机，置位M0.1
若加速开桨后，HSC0和HSC1的值相符合，则置位加速开桨完毕标志M0.5
若加速顺桨后，HSC0和HSC1的值相符合，
则重新置位开桨完毕标志M0.4，准备加速开桨
清除HSC0当前值 清除HSC1当前值 执行HSC指令 执行HSC指令
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容