安徽工业大学

毕业设计（论文）

基于组态王风力发电偏航系统的研究

年 级: 电子 092班

学 号: 099064222

姓 名: 黄 伟

专 业: 电子信息工程

指导老师: 冯 旭 刚

二零壹叁年六月

摘 要

在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的话题，也是我国社会发展的重要问题。风能作为一种可持续发展的新能源，不仅可以节约常规能源，而且减少环境污染，具有较好的经济效益和社会效益，越来越受到各国的重视。

由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统，因此，控制技术是机组安全高效运行的关键。偏航控制系统成为水平轴风力发电机组控制系统的重要组成部分。风力发电机组的偏航控制系统，主要分为两大类：被动迎风偏航系统和主动迎风系统。前者多用于小型的独立风力发电系统，由尾舵控制，风向改变时，被动对风。后者则多用大型并网型风力发电系统，由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。

本文在介绍风力机的偏航控制机构、驱动机构的基础上，采用PLC作为主控单元，设计了风电机组的偏航控制系统。系统根据风向、风速传感器采集的数据，采取逻辑控制主动对风，实现了对风过程可控。

关键词：风力发电机；风向标；偏航控制系统；驱动机构

Abstract In some sense, the development of human society cannot be separated from the emergence of high-quality energy and advanced energy technologies. In today's world, energy development, energy and the environment, the world, mankind's common topic of concern, but also the important issue of China's social development. Wind energy as a sustainable development of the new energy, not only can save conventional energy sources, and reducing environmental pollution, good economic and social benefits, ever-increasing importance attached.

As wind energy has low energy density, randomness and non-stability characteristics of wind turbine is complex and ever-changing amount of nonlinear uncertain systems, therefore, the control unit technology is the key to safe and efficient operation. Yaw control system becomes horizontal axis wind turbine control system is an important component. The wind turbine yaw control system is divided into two categories: passive and active yaw wind wind systems. The former is mostly used for small independent wind power generation system, controlled by the rudder, the wind changes, the passive to the wind. The latter is more of a large-scale grid-connected wind power generation system consisting of the vane located downwind signals for active yaw control.

This paper describes the wind turbine yaw control mechanism, the drive mechanism, based on the use of PLC as the master unit, the design of wind turbine yaw control system. System according to wind direction, wind speed sensor data collected, to take active control logic to the wind, the realization of the wind process control.

Key words: Wind turbine ；Wind vane；Yaw control system；Drive mechanism

目 录

1. 概述 ................................................................. 1

1.1 课题的背景和意义 ................................................. 1

1.2 国外风力发电的发展 ............................................... 2

1.2.1 世界风电资源的开发与利用 .................................... 2

1.2.2 世界风力发电现状 ........................................... 2

1.2.3 世界风电发展很快的地区...................................... 3

1.3 国内风力发电的发展 ............................................... 4

1.4 风电发展的展望 ................................................... 5

2. 风力发电机组系统构成及功能简介........................................ 7

2.1 风力发电机的基础理论 ............................................. 7

2.1.1 贝茨(Betz)理论 ............................................. 7

2.1.2 风力发电机特性系数 ......................................... 8

2.2 现代风机 ......................................................... 9

2.3 现代风力发电机组的构成 .......................................... 10

2.4 风力发电的原理 .................................................. 11

2.5 风力发电机系统组成部分简介....................................... 12

2.5.1 风力机桨叶系统 ............................................ 13

2.5.2 风力机齿轮箱系统 .......................................... 14

2.5.3 发电机系统 ................................................ 14

2.5.4 偏航系统 .................................................. 15

2.5.5 解缆装置 .................................................. 15

2.5.6 刹车系统 .................................................. 16

2.5.7 塔架 ...................................................... 16

2.5.8 控制系统 .................................................. 16

3. 偏航控制系统功能和原理 .............................................. 18

3.1 偏航控制系统的功能 .............................................. 18

3.2 偏航控制原理 .................................................... 19

3.3 风向、风速信号的采集 ............................................ 20

3.3.1 风向测量 .................................................. 20

3.3.2 风速的测量 ................................................ 21

4. 偏航控制系统设计 .................................................... 23

4.1 偏航系统控制过程分析 ............................................ 23

4.1.1 自动偏航 .................................................. 23

4.1.2 自动解缆 .................................................. 24

4.1.3 阻尼刹车 .................................................. 24

4.1.4 偏航控制系统设计流程图..................................... 25

4.1.5 解缆控制系统设计流程图..................................... 25

4.2 PLC简介 ......................................................... 26

4.2.1 PLC300 .................................................... 27

4.2.2 PROFIBUS一DP ............................................. 27

4.3 组态王监控系统 .................................................. 29

4.3.1 组态王简介 ................................................ 29

4.3.2 基于组态王软件仿真的意义 ................................... 29

4.3.3 上位机系统概述 ............................................ 30

5. 结果分析 ............................................................ 31

5.1 E-Wind Turbine 运行环境 ......................................... 31

5.2 组态王开发环境 .................................................. 32

5.3 E-Wind Turbine调试 .............................................. 33

5.4 组态王运行结果 .................................................. 34

致谢 .................................................................... 35

参考文献 ................................................................ 36

1. 概述

1.1 课题的背景和意义

能源是经济发展的原动力，是现代文明的物质基础，安全、可靠的能源供应和高效、清洁的利用能源是实现社会经济持续发展的基本保证。人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。开发利用可再生能源资源， 提高可再生能源在能源结构中的比例将是一个重要的选择。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。 风能(wind energy)地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。地球上大约有2%的太阳能被转化成风能。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。风力发电的优越性可归纳为五点:

(1)风力发电是一种洁净的自然能源。风能在转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污染。风电没有常规能源及核电对环境造成的污染问题。核电的放射性废料仍是一个较难解决的问题。

(2)风力发电技术不断进步，单机容量逐步增大，产品质量得到改善，可用率达到98%以上，是一种安全可靠的能源。

(3)由于技术进步和产品批量增加，风力发电的经济性日益提高，风电成本持续下降，见表1.1。

表1.1 各类能源成本比较

从表1.1可以看出，风力发电的成本己接近煤电，低于油电和核电。若考虑煤电的环境污染和交通安全等问题，风电的经济性优于煤电。

(4)风力发电场建设周期短。单台风力发电机组安装仅需几个星期，可多台同时安装，

互不干扰。建设一个风力发电场，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间；而煤电、核电的建设需要二至十年。

(5)风力发电占地面积少。塔筒与监控、变电建筑仅占风电场约1%的土地，其余99%的场地可供农、林、牧使用。

由此可见，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，随着桨叶空气动力学、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最近进入风电场的兆瓦级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶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，已从内陆移到海上。

1.2 国外风力发电的发展

1.2.1 世界风电资源的开发与利用

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。在着力提高能源供应安全、积极应对气候变化，寻求新的经济增长点的大背景推动下，全球风电累计装机容量实现了连续十年接近30％的年均增长速度，创造了全球能源行业发展的奇迹。

1.2.2 世界风力发电现状

据世界风能协会（CWEC）的统计，2010年全世界风力发电装机容量194.4GW（风车约17×104台），比2009年的158.7GW增加了22.5%。自20世纪90年代以来，风力发电装机容量呈指数级增长。目前世界电力约2%由风电供应，欧盟（EU）平均约5%由风电供应，到2020年全球风电供应量将占电力供应总量的12%。

全球可再生能源发电装机容量中风电占有压倒性优势，在被利用的可再生能源中风能占了一半以上，而风力发电也是可再生能源应用技术中最为领先的。近年世界风力发电高速增长，前景光明。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。主要呈现为以下几个特点：

（1）世界风电工业高速发展

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。

现今国外风力发电主要以欧美为主,发展风电的动力来源于环境的压力,主要用来减少二氧化碳等气体的排放。亚洲的风电成为全球风电产业发展的新生力量,印度则是发展中国家的典型。位于全球风力发电装机容量前10位的国家是:德国,美国,丹麦,印度,西班牙,荷兰,英国,中国,意大利,瑞典。截止到2011年10月世界风电总装机容量变化情况如图

1. 1所示。

图1.1 截止到2011年10月世界风电总装机容量

（2）风电成本逐年降低

尽管风电成本受很多因素的制约，但其发展趋势是逐渐降低的。随着风电技术的改进，风电机组越来越便宜和高效。增大风电机组的单机容量就减少了基础设施的费用，而且同样的装机容量需要更少数目的机组，这也节约了成本。随着融资成本的降低和开发商的经验丰富，项目开发的成本也相应得到降低。风电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本。

单就过去5年而言，风电的成本已经下降了20％。在一些平均风速7m/s的地方，每千瓦装机成本为700欧元时，风电便可以与燃气发电竞争。根据丹麦RIS国家研究实验室对安装在丹麦的风电机组所进行的评估，从1981～2002年间，风电成本由15.8欧分/kWh下降到4.04欧分/kWh，预计2010年度电成本下降至3欧分/kWh，2020年降低至2.34欧分/kWh。随着技术设备的改善，成本还可以在目前的基础上再减少30%-50%。

（3）海上风电悄然兴起

海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风电技术成为近来研究和应用的热点。多兆瓦级风电机组在近海风电场的商业化运行是风能利用的新趋势。到2003年末，围绕欧洲海岸线，海上风电总装机600MW，集中在丹麦、瑞典、荷兰和英国。目前最大的海上风电场是位于丹麦南海岸的Nysted风电场，容量为165.6MW，由72台Bonus2.3MW海上风电机组组成，于2003年12月开始发电。预计到2010年，欧洲海上风电的装机容量将达到10000MW。

1.2.3 世界风电发展很快的地区

目前全球风力发电开发状况按地域划分，欧洲、亚洲、北美共占世界的97.2%，分别为44.3%、30.2%和22.7%。按国家划分，风力发电装机容量中国居第一位（42287MW，占21.75%），其后是美国（40180MW，占20.67%）、德国（27214MW，占14.00%）、

西班牙（20676MW，占10.64%）、印度（13065MW，占6.72%）等。按企业划分，前10位中中国占4位，欧洲占4位，其次是美国、印度各占1位，丹麦的Vestas居第一位（见表1.2）。数年之前一直是德国、西班牙、丹麦等欧洲国家拉动世界风电开发，然而近两年中国、美国突飞猛进，今后风力发电可望成为欧洲、亚洲、北美的主要电力来源。从中长期来看，随着发展中国家经济的发展，中东、南美、非洲也将进行风力发电开发。

表1.2 2010年按国家与企业分风力装机容量分布

1.3 国内风力发电的发展

我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一，10米高度层的风能资源总储量为32.26亿KW，其中可供开发利用的风能约为2.5亿KW。有沿海（山东、浙江、福建、广东）和东北至西北（内蒙古、新疆、甘肃）两大风带，风的质量好，为开发风电提供了基础环境与条件。

我国的风力发电事业在近20年来取得了可喜的进展，对风力发电各项技术的研究也有了很大进展。据2005年11月8日的科技日报报道2003年开始，国家发改委就开始组织开展全国风能资源调查，预计花3-5年的时间就能得到全国风能资源更为准确的数据。

按目前的估计技术可开发储量计算，国内可开发装机容量可能超过20亿千瓦。为了提高风机的国产化率，我国也制定了一系列攻关计划和优惠政策，并取得了一定的成果，如新疆金风科技公司承担的600KW风力发电机国产化的 九五 科技攻关项目获得成功，使600KW定桨距风机的国产化达到75%。

1.4 风电发展的展望

根据2010年10月GWEC和绿色和平国际组织（Greenpeace）的预测，今后20年风力发电将成为世界主力电源。2030年装机容量将达到23×108kW，可供应世界电力需求的22%。GWEC和Greenpeace的长期预测见表1.3。

表1.3 GWEC和绿色和平国际组织的预测今后20年装机容量

按照2010年风力发电装机500万千瓦的目标在2007底或2008年初提前完成的预计，届时国内的设备制造业已经初步建立起来，产品经过运行实践不断改进，质量提高，机型

成熟，产能也不断扩大。因此，2007年每年平均新增装机250万kW，至2010年年底累计装机达到1000万～1200万kW。按2010年底全国风电累计装机1000万kW估算，2010当年风电上网电量应该达到200亿kWh，能源替代的效果将十分显著。2020年实现装机容量3000万～4000万千瓦的目标前景良好。参照过去10年全球风能28.3%的平均发展速度，若2010年后我国风电产业发展顺利，至2015年前每年新增装机超过400万千瓦，年均增长25%，则2015年风电装机预计达到3000万千瓦，2020年的目标可以提前5年实现；2015年后年均新增800万千瓦，从而达到目前欧洲年均增长的水平，增长速度达到19%（全球风能理事会GWEC预测全球平均14%），则在2020年前，我国风电累计装机达到7000万千瓦也有可能实现。届时风电在全国电力装机中的比例接近6％，风电电量约占2.8％。

从分析来看，我国的风电市场发展有着较好的发展前景。按照单位千瓦投资8000元计算，在2020年左右，我国的风电可以形成每年500亿～600亿元的投资市场，潜力是巨大的。

2. 风力发电机组系统构成及功能简介

2.1 风力发电机的基础理论

2.1.1 贝茨(Betz)理论

世界上第一个关于风轮机风轮叶片接受风能的比较完整的理论是1919年由A·贝茨(Betz)建立的。贝茨理论的建立依据的假设条件是假定风轮是理想的，能全部接受风能并且没有轮毂，叶片是无限多，对气流没有任何阻力。而空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称为是平行风轮轴线的)，满足以上条件的风轮称为“理想风轮”。

我们分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动的空气对风轮叶片所做的功。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则有V2<V1，S2>S1。

S1V1 SV S2V2 V (2-1)

由流体力学可知气流的动能为

T 0.5mv2 (2-2)

设单位时间内气流流过载面积为s的气体的体积为V，则V sv。

如果以 表示空气密度，该体积的空气质量m sv，此时气体所具有的动能为

T 1 sv3 (2-3) 2

的单位是kg/m3；V的单位是m3；v的单位是m/s；T的单位是W。

从风能公式可以看出风能的大小与气流密

正比，其中 和v随地理位置、海拔、地形等因素而变。

风作用在叶片上的力由欧拉定理求得

F sv(v1 v2) m(v1 v2) (2-4)

式中 ——空气当时的密度

风轮所接受的功率为

P Fv sv2(v1 v2) (2-5)

所以经过风轮叶片的风的动能转化

11222 T sv(v1 v2) m(v12 v2) (2-6) 22

式中 sv——空气质量

P T (2-7)

v v1 v2 (2-8) 2

因此，风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率P分别为

F 1 s(v12 v22) (2-9) 2

P 1 s(v12 v22)(v1 v2) (2-10) 4

风速V1是给定的，P的大小取决于V2，P是V2的函数，对P微分求最大值得

dP122 s(v1 2v1v2 3v2) (2-11) dv24

令其等于0，求解方程得

v2 1v1 (2-12) 3

8116 sv13 sv13 (2-13) 27227

16/27=0.593，CP称作贝茨功率系数 Pmax

Pmax 1 sv13Cp (2-14) 2

13而 sv1正是风速为V1的风能T，故 2

Pmax TCp (2-15)

说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率Pmax为风吹过叶片扫掠面积SCP=0.593，

的风能的59.3％。贝茨理论说明理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3％。通常风轮机风轮叶片接受风能的效率达不到59.3％，一般根据叶片的数量、叶片的翼形、功率等情况取0.25-0.45。

2.1.2 风力发电机特性系数

贝茨理论提供了风能的基本理论，但在讨论风轮机的能量转换与控制时有几个特性系数具有特别重要的意义。

（1）风能利用系数CP

风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度可以用风能利用率系数CP表示

Cp P

13 v1S2 (2-16)

（2）叶尖速比

为了表示风轮在不同的风速中的状态用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量称为叶尖速比

2 RnwR (2-17) vv

低速风轮 取较小值；高速风轮 取较大值。

（3）转矩系数CT和推力系数CF

为了便于把气流作用下的风轮机产生的转矩和推力进行比较常以 为变量作成转矩和推力的变化曲线，因此转矩和推力也要无因次化。

CT T

12 vSR2

F

12 vS2 2T (2-18) 2 vSRCF 2F (2-19) 2 vS

2.2 现代风机

刚出现的风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨。现代风机为了解决风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定的问题，增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等，现代风机的示意如图2.1。

图2.1 现代风力发电机

2.3 现代风力发电机组的构成

现代风力发电机组的构成包括：叶轮、传动系统、发电机、偏航系统、控制系统以及其他部件。叶轮是将风能转变为机械能，传动系统是将叶轮的转速提升到发电机的额定转速，发电机是将叶轮获得的机械能再转变为电能，偏航系统是使叶轮可靠地迎风转动并解缆，其它部件如塔架、机舱等，控制系统是使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安全控制。

（1）叶轮由叶片和轮毂组成，是机组中最重要的部件：决定其性能和成本，目前多数是上风式，三叶片；也有下风式，两叶片。叶片与轮毂的连接有固定式（定桨距），及可动式（变桨距）。叶片多由复合材料（玻璃钢）构成。

（2）传动系统由风力发电机中的旋转部件组成。主要包括低速轴，齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承、联轴器和机械刹车。齿轮箱有两种：平行轴式和行星式。大型机组中多用行星式（具有重量和尺寸优势）。有些机组无齿轮箱，即直驱式。传动系的设计按传统的机械工程方法，主要考虑特殊的受载荷情况。齿轮箱可以将很低的风轮转速（17 - 48转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。

由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件。

（3）机舱与偏航机构

包括机舱盖，底板和偏航系统。机舱盖起防护作用，底板支撑着传动系部件。偏航机构是驱动机舱在回转轴承上相对塔架转动的装置，也称为对风装置，其作用是能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能，偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的大齿轮。上风式机组采用主动偏航，由偏航电机或液压马达驱动，由偏航控制系统控制。偏航刹车用来固定机舱位置。

（4）控制系统是现代风力发电机的神经中枢。现代风机是无人值守的。以600千瓦风机为例，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。现代风机的存活风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网。并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。

2.4 风力发电的原理

现代风力发电系统由风能资源、风力发电机组、控制装置及检测显示装置等组成。风力发电机组是风电系统的关键设备，通常包括风轮机、发电机、变速器及相应控制装置，用来实现能量的转换。完整的并网风力发电系统结构示意图见图2.2。

图2.2 风力发电系统结构示意图

其中，风轮机理想运行功率输出曲线见图2.3。

风

速出风

速

图2.3 风轮机理想运行功率输出曲线