大型风力发电机组偏航控制系统的设计

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2012年6月(下)风能作为一种清洁能源,其开发利用率逐年增加,随着风力发电机组装机容量的不断提高,单机容量高的兆瓦级风力发电机组愈加受到青睐。偏航控制系统能够控制机组始终跟踪变化的风向来最优对风,提高风能利用效率,并且该系统具备一定的保护功能即当机组由于偏航所引起的电缆发生缠绕超过限定值时,能够自动解缆的功能。1偏航控制系统的构成如图1所示,风力发电机组的偏航系统由偏航检测传感器、偏航控制单元和偏航驱动机构三部分组成。其中偏航检测传感器包括:测风装置、偏航凸轮限位开关、偏航绝对值编码器;偏航控制单元包括:主控器、耦合器、低压配电柜;偏航驱动机构包括:偏航轴承、偏航电机、偏航润滑系统。图1偏航控制系统构成图Fg1.yaw-controlsystemconstitutiondiagram1.1偏航检测传感器偏航检测传感器有测风装置即风向风速传感器、偏航凸轮限位开关和偏航绝对值编码器。风力发电机组采用两套Thies测风装置,偏航对两套风向传感器的测量值取20s平均值。由于偏航总是寻优路径(选择最短距离最短时间内)偏航对风,由于风向变化的不确定性,风力发电机有可能长时间往一个方向偏航对风造成电缆缠绕,如果缠绕圈数超过了限定值,将绞断电缆,给机组带来严重损害。为了保证机组安全,通常装有偏航绝对值编码器。设计中选用了MEYLE偏航黄盒外加同轴偏航绝对值编码器。风力发电机组除了参考偏航绝对值编码器反馈值来设定软件限位之外,更有如图2所示的4个偏航凸轮限位开关来保障机组安全。图2偏航凸轮限位开关Fg2.yawcamlimitswitches该偏航凸轮限位开关分别从左右旋转方向、扭缆保护、左右偏航报警4个方面进行机组安全保护。1.2偏航控制单元塔顶耦合器完成偏航传感器的数据采集,通过光纤传送给主控器完成数据交换,主控器根据实际工况发送指令,控制塔顶耦合器驱动偏航刹车改变阻尼状态,同时控制低压配电柜的偏航电机接触器的启停。1.3偏航驱动机构1.3.1偏航润滑偏航回转支承,需要定时给偏航轴承润滑。针对偏航轴承的润滑,配置了林肯润滑系统,原理图如图3所示,原理图中器件说明见表1。图3偏航润滑系统原理图Fg3.yawlubricationsystemschematic大型风力发电机组偏航控制系统的设计张岩吴光宇(哈电发电设备国家工程研究中心有限公司,黑龙江哈尔滨150040)[摘要]偏航系统是大型风力发电机组的重要组成部分,具备根据风向使风轮对风和解缆保护等功能,能够有效提高风能利用效率并保障机组安全。本文围绕偏航控制系统在大型风力发电机组中的应用,详细介绍了其具备的自动偏航、自动解缆、自动润滑、人工偏航等功能。该系统采用德国beckhoff的CX1020系列PLC作为主控系统,并根据传感器的选型确定其硬件组态。运用TwinCAT编程软件对偏航系统各功能单元进行了编写,并通过实际测试,验证了该系统在风机运转的各个工况下均取得了良好的控制效果。[关键词]偏航控制系统;自动控制;风力发电86TECHNOLOGYWINDTECHNOLOGYWIND表1偏航润滑系统原理图器件说明偏航部分润滑泵为P203-4XLBO-1K6-24-2A1.01,泵单元排量为2.8ml/min。润滑系统的油脂消耗量计算如下:500g/(365x5h)=0.28g/h≌0.28ml/h。1.3.2偏航刹车偏航刹车系统原理如图4所示,风机正常工作时,电磁阀9.1#和9.7#失电,保持偏航刹车全刹。偏航油路有两个工作压力,分别提供偏航时的阻尼和偏航结束时的制动力。由于机舱的惯性,调向过程必须确保系统的稳定性,此时偏航制动器用作阻尼器。工作时,电磁阀9.1#得电,回路压力由溢流阀9.3#保持,以调向系统足够的阻尼;调向结束时,电磁阀9.1#失电,制动压力由蓄能器直接提供。电磁阀9.7#得电,释放全部偏航制动力。回路配置一个手动截止阀9.5#,维修时,可手动操作释放全部偏航制动力。电磁阀9.7#得电,启泵,偏航油路自清洁。图4偏航刹车系统原理Fg4.yawbrakesystemschematic1.3.3偏航驱动偏航系统采用4台三相异步电动机驱动偏航系统,采用多级减速器。2偏航控制系统软件设计软件设计阶段,运用TwinCAT编程软件,以偏航控制系统的自动润滑、自动偏航、自动解缆、人工偏航等功能实现为目标,进行编写,并实际运用到风力发电机组中。2.1偏航程序设计偏航程序代码采用倍福TwinCAT编程环境,是一种符合IEC61131标准的PLC程序设计平台,此软件支持如ST结构文本,LD梯形图,FSC顺序功能图等编程语言。偏航系统软件采用了ST结构文本开发而成,如图5所示为偏航系统的自动对风部分程序代码。图5偏航系统程序代码Fg5.yawsystemprogrammecodes2.2自动润滑偏航控制系统根据机组偏航的运行时间计算出的油脂消耗量,设定润滑系统定时定量的给偏航轴承注入润滑脂,10s/h即偏航轴承每运行1小时,润滑系统工作10秒(一次性打油),自动润滑系统流程图如图6所示。图6自动润滑系统流程图Fg6.automaticlubricationsystemflowchart2.3自动偏航当20s内风向改变超出限定值时,控制器发出自动偏航指令。自动偏航控制系统流程图7如下:应用科技872012年6月(下)图7自动偏航控制系统流程图Fg7.automaticyawcontrolsystemflowchart如控制流程图所示,根据风向标夹角θ值给出偏航控制指令。当θ=0°(360°)时,表明机舱已处于准确对风位置,若5s内-15°θ15°,属于误差范围内,偏航系统将不做出任何调节。θ值大于15°时延时20s,执行自动偏航动作。在此基础上,若θ>180°,偏航电机启动,机舱顺时针自动对风。若θ<180°,偏航电机启动,机舱逆时针自动对风。2.4自动解缆当风力发电机组由于自动偏航引起的向某一方向偏转圈数过大,将会造成电缆的缠绕,甚至绞断,给机组造成严重损失。当风力发电机组自动偏航在某个方向达到720°时,触发软件限位,机组将停机进行自动解缆,向相反方向转动缠绕圈数解缆,将机舱返回电缆无缠绕位置。当某个方向达到870°时,触发凸轮限位开关中的该方向的扭缆报警开关,机组将机组将停机进行自动解缆。若因故障,自动解缆未起作用,当某个方向达到900°时,将出发凸轮限位开关中的扭缆保护开关,机组断开安全链,发出紧急停机命令和不可自恢复信号,等待执行人工解缆操作。2.5人工偏航当自动偏航失效或机组维护时,通常采用人工偏航的方式来对机组进行偏航操作,程序流程图如图8所示:图8人工偏航流程图Fg8.manualyawflowchart人工偏航和自动偏航成互锁状态,人工偏航结束后应根据实际工况需要,做好切换工作。3在风机中的实际应用控制系统中的人机界面程序可以在风电机组运行过程中进行实时监控,图9为风机人机界面主程序。图9人机界面主程序Fg9.man-machineinterfacemainprogram就偏航系统而言,人机界面具有特定的操作页面,如图10所示,在此界面中,可以实时监测风向风速,扭缆编码器数值,偏航刹车油站运行状态及其压力值,以及偏航电机的运行状态反馈等运行参数。此外,操作者可以根据风机实际运行需要来选择自动偏航和手动偏航模式,并根据偏航系统运行需要操作界面按钮来手动控制偏航系统的运行。图10偏航界面Fg10.yawinterface4总结本文通过对风力发电控制系统中的偏航控制系统软硬件的设计,实现了偏航控制系统自动偏航、自动解缆、自动润滑、人工偏航等功能,保证了风力发电机的正常运行,为风力发电机提高发电效率奠定基础。中图分类号:TK83文献标识码:A作者简介:张岩,1984年生,男,黑龙江哈尔滨人;吴光宇,1985年生,男,黑龙江哈尔滨人,从事工业控制方面工作。[参考文献][1]叶杭冶.风能发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社,2002.[2]杨校生,袁玉琪.风力发电机组技术及发展趋势[J].风力发电,2002.88

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