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妊娠早中期大白猪和梅山猪子宫免疫特征的研究.pdf 69页
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华中农业大学硕．i：学位论义
3不同时期母猪子宫内浆细胞分布及数量变化
本研究采用富尔根．亚甲蓝方法研究了浆细胞在子宫中的分布及数量变化。结果
显示：浆细胞在正常妊娠26d和50d的大白猪和梅山猪附植点与附植点之间子宫内分
布位置相同，都是单个散在分布于血管和腺体周围的结缔组织内。浆细胞数量很少，
妊娠26d平E150d，胚胎附植点与附植点之间，及大白猪与梅山猪之间比较都没有显著
性差异(P&O．05)。由于有一头梅山猪第一次配种时假妊娠返情后再次配种妊娠至
26d，发现其子宫内有大量的浆细胞分布于浅层结缔组织内，与其它试验猪子宫内
浆细胞数比较，差异极显著(P&O．01．)。这一研究结果一方面表明这些试验母猪(除
该梅山猪外)子宫未受到细菌感染，另一方面表明浆细胞可能对妊娠的作用与意义
不大，但可以作为检测妊娠期间母体子宫是否受到感染的一个重要指标。
4不同时期母猪子宫内TLR4分布及表达强度
本研究采用免疫组织化学SABC’法研究了TLR4在子宫内的分布及表达变化。
结果显示：妊娠不同时期大白猪和梅山猪胎盘(包括胎儿胎盘和母体胎盘)都有不
同程度的TLR4表达。大白猪和梅山猪在妊娠26d时胎盘滋养层表达TLR4强度都
表达TLR4的量比妊娠相同时期的梅山猪高[gd
O．05)】。妊娠50d梅山猪滋养层细胞的顶端不表达TLR4，只在底端强表达。这一
研究结果表明：妊娠时期胎盘和尿囊壁作为免疫屏障，通过发挥类似免疫细胞的免
疫反应来保护胎儿免受感染。猪妊娠早期胎盘对病原菌刺激的迅即感应比妊娠中期
低。当受到配体刺激时大白猪胎盘产生的免疫反应比梅山猪的强，而这反过来又对
胎儿造成了威胁，从而引起较高的胎儿死亡率，这可能是造成二者产仔数差异的重
关键词：大白猪；梅山猪；妊娠；子宫；巨噬细胞；浆细胞；TLR4
妊娠早中期大臼猪与梅山猪子宫免疫特征研究
sufferrecessive
miscarriageduringearly
pigproduction．normal
greatdisparity practicalproductivitypotential
midgestation，which
loss swine
bringsgreat
industry．Duringearly
productivity．It
ofMeishanwith littersizeis1
embryonicmortality
concretereasonsuncertain．Thereexists
withrelativelowlittersizeis26％．The
atmaternal-fetalinterface
immunereaction
theiruterineimmune
took WhiteandMeishan
presentstudyLarge
pigobjectsstudy
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变速变桨距风电机组主控系统的设计
变速变桨距风电机组主控系统的设计摘
要随着经济的迅速发展，能源的消耗逐年增加，不可再生能源日益枯竭，风能作为一种免费的、清洁的可再生绿色能源显已成为除水能之外，技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业发展前景的新能源之一。风力发电是风能利用的主要形式，大型风电场的建设正从陆地向海上发展，海上风电已成为风力发电的重要方向。随着计算机技术和自动控制技术的快速发展，其单机容量已发展到到兆瓦级。由于风能具有随机性、不确定性的特性，风力发电机组又是非线性的复杂系统，因此，发电机组的控制技术对其运行至关重要。本次设计主要完成以下内容，首先对变速变桨距风电机组及PLC进行简要介绍，其次对变速变桨距风机进行特性分析，确定风机主控系统的主要控制任务，即风机的全自动启动、偏航控制、停机控制、参数监控等；然后根据控制任务提出相应的控制逻辑，进一步得出控制任务的程序流程图，利用西门子TIA博途软件进行PLC编程，实现相应的控制、监控任务；最后进行硬件选型与连接及简单的经济效益分析。
关键词：风力发电，偏航控制，停机控制，PLC编程I
Control System Design of The Variable-SpeedVariable-Pitch Wind TurbineAbstractWith the rapid economic development, energy consumption increased year by year, increasing depletion of non-renewable energy sources, wind power as a free, clean, renewable green energy has become a significant addition to water, the most mature technology, most large-scale development condition and business prospects of the new energy sources.Wind power is the main form of wind energy, large-scale construction of wind farms being developed from land to sea, offshore wind power has become an important direction of the wind. With the rapid development of the computer technology and automatic control technology, its stand-alone capacity has grown to the megawatt. Because wind randomness, uncertainty characteristic wind turbine is a complex nonlinear system, therefore, generator set control technology is critical to its operation.The design was completed for the following, first of all ,a brief introduction of variable- -speed variable-pitch wind turbine and PLC, followed by the variable speed variable pitch wind turbine for characterization analysis to determine the main wind turbine control tasks of the master control system,namely automatic wind turbine start, yaw control, parking control, parameter monitoring, etc.; then under the control tasks of the corresponding control logic further draw flowchart control tasks, using Siemens TIA Portal software for PLC programming, to achieve appropriate control
finally selection and connection hardware and the simple economic analysis.Key words: wind power, yaw control, parking control, PLC programmingII
要 ............................................................................................................................... Ⅰ Abstract ............................................................................................................................. Ⅱ第一章 绪论 ........................................................................................................................ 11.1 课题背景 .................................................................................................................... 1.......................................................................... 2 1.2 风力发电在国内外发展现状与趋势1.2.1 国外风电发展现状与趋势 ................................................................................... 21.2.2 国内风电发展现状与趋势 ................................................................................... 31.3 国内外风电控制系统发展现状 ................................................................................. 51.4课题的研究内容 ......................................................................................................... 7第二章
变桨距变速风力发电理论及系统概述 ................................................................. 8............................................................................................................................ 8 2.1 引言2.2风力机基本特性 ......................................................................................................... 82.3 变桨距变速双馈风力发电技术 ............................................................................... 102.3.1 交流励磁双馈风力发电基本原理 ..................................................................... 102.3.2 双馈风电机组整体结构 ...................................................................................... 112.4变桨距变速风电机组控制系统概述 ........................................................................ 132.4.1风力发电控制系统的总体结构 .......................................................................... 132.4.2变距风力发电机组控制系统的控制策略 .......................................................... 14第三章
可编程控制器简介.............................................................................................. 173.1
PLC的产生与发展 ................................................................................................. 173.2
PLC基本构成 ........................................................................................................ 183.2.1
PLC的系统组成 .............................................................................................. 183.2.2
PLC的工作原理 .............................................................................................. 193.3
PLC的特点及应用 ................................................................................................. 203.3.1
PLC的特点 ...................................................................................................... 203.3.2
PLC的应用领域 .............................................................................................. 20第四章 方案设计依据、范围及相关标准 ........................................................................ 224.1设计依据................................................................................................................... 224.2设计范围................................................................................................................... 224.3设计相关标准及规范 ............................................................................................... 22第五章 系统分析............................................................................................................... 235.1甲方需求分析 ........................................................................................................... 235.1.1风力发电机组控制的作用和目标可以总结如下[20]：..................................... 235.1.2控制任务 ............................................................................................................ 235.2对象特性分析 ........................................................................................................... 245.2.1运动桨叶上的气动力分析 ................................................................................. 245.2.2风机的气动功率 ................................................................................................. 265.2.3 气动功率调节分析 ............................................................................................ 27III
5.2.4风力机的特性 ..................................................................................................... 275.2.5风力机的转矩―速度特性 ................................................................................. 295.3系统安全分析 ........................................................................................................... 295.3.1控制系统安全运行的必备条件 .......................................................................... 295.3.2风力发电机组工作参数的安全运行范围 .......................................................... 305.3.3机组控制运行安全保护系统.............................................................................. 305.3.4风机控制系统的软件的安全设计 ...................................................................... 31第六章 控制系统设计 ....................................................................................................... 326.1控制系统结构 ........................................................................................................... 326.2 风机的全自动启动控制 ........................................................................................... 336.2.1 控制要求 ............................................................................................................ 336.2.2 开机步骤 ............................................................................................................ 336.2.3全自动启动流程图 ............................................................................................. 336.3 风机的停机控制 ...................................................................................................... 346.3.1 风机停机的三种情况 ........................................................................................ 346.3.2停机步骤 ............................................................................................................ 346.4偏航控制................................................................................................................... 366.4.1偏航控制的作用 ................................................................................................. 366.4.2偏航控制的原理 ................................................................................................. 366.4.3控制要求 ............................................................................................................ 376.4.4控制方案 ............................................................................................................ 376.4.5偏航系统主程序流程图 ..................................................................................... 386.4.6自动偏航 ............................................................................................................ 386.4.7
90°侧风 ............................................................................................................ 386.4.8 自动解缆 ............................................................................................................ 406.5桨距控制................................................................................................................... 416.5. 1控制要求............................................................................................................ 416.5.2控制逻辑 ............................................................................................................ 416.5.3控制回路 ............................................................................................................ 426.5.4控制算法的选择 ................................................................................................. 426.5.5程序流程图 ........................................................................................................ 446.6转速控制................................................................................................................... 446.6.1控制要求 ............................................................................................................ 446.6.2控制逻辑 ............................................................................................................ 446.6.3控制算法的选择 ................................................................................................. 456.7运行状态监测 ........................................................................................................... 476.7.1控制要求 ............................................................................................................ 47............................................................................................................ 47 6.7.2 控制原理6.7.3监测对象： ........................................................................................................ 47第七章
控制系统选型与系统连接 .................................................................................. 527.1 硬件选型分析 .......................................................................................................... 527.2 控制系统组成结构 ................................................................................................... 537.3 硬件模块 .................................................................................................................. 54IV
7.4输入输出接线 ........................................................................................................... 54第八章 经济效益分析 ....................................................................................................... 58参考文献 ............................................................................................................................ 59致谢 ................................................................................................................................... 60 附录一 PLC程序 .............................................................................................................. 61 附录二 外文原文............................................................................................................... 78 附录三 中文翻译............................................................................................................... 99V
绪论1.1课题背景能源是人类赖以生存的物质基础，自从工业革命以来，全球的能源消耗飞速增长推动了世界工业化的进程，提高了社会发展水平和人类生活质量。全球经济的急剧增长对能源的需求越来越大，能源危机制约了人类的进一步发展。煤炭、石油、天然气等不可再生化石能源的总量有限，急待开发新的可再生能源。此外，在能源危机凸显的同时，环境危机也出现了，大量的化石能源被燃烧产生CO2和其他温室气体使得原来沉积在地下的碳元素被大量释放到空气中。近年来因此导致的雾霾天气已经严重影响到了人类的正常生活。据估计，到2015年世界温室气体的排放量将达到最高，全球变暖带来的影响将不仅仅是更多的洪涝灾害，还有海平面的上升，对农业和生态造成了严重的影响，时刻威胁着人类的生命和财产安全。因此，用可再生能源替代化石能源已成为克服能源危机的重要出路。基于以上能源和环境问题，清洁的可再生能源得到了越来越多的关注。世界可再生能源资源潜力巨大，促进可再生能源加快发展，有助于实现能源长期战略替代，也有助于加强环境保护。中国已经将可再生能源开发利用列为能源发展的优先领域，并制定了可再生能源中长期发展规划[1]，见表 1-1：表 1-1 可再生能源中长期发展规划的主要目标年份20102020年份
190 300 水电/GW
生物质发电/GW
5.5 30 生物质发电/GW
风力发电/GW
5 30 风力发电/GW电能已成为现代工业快速发展不可替代的二次能源，具有转换和传输方便的优点。为缓解或从根本上消除能源危机及其带来的环境破坏，绿色电力的生产为各国关注，通过比较不同能源发电方式对环境造成的影响及发电方式的经济成本发现，风电是目前最好的发电技术。全球风电发展迅速，大型风电场建设正从陆地向海上发展，海上风电已成为风力发电的重要方向。据全球风能理事会的数据，MW的海上风电装置约占2.5%的年度市场。目前，英国是海上风电装机容量最大的国家。据欧洲风能协会预测，2020年，欧洲近海风电总装机容量将达到70GW。我国也正在加大海上风电建设与应用示范工作进程。《全球风能展望2010》称，2010年，在每3台安装完成的风电机组中，就有1台在中国。到2020年，中国的风电机组总装机容量有可能达到现在的10倍，到2030年将达到22%。经过20多年的努力，特别是最近几年，我国风电行业发展速度日益迅猛，但快速地发展也使得产业的需求与自身水平的矛盾更加突出，国内风电行业发展水平与国际先进水平的矛盾更加突出，国内风电行业发展水平与国际先进水平相比还有很大差距，因此，尽快研制生产具有自主知识产权的风电设备，减少对进口设备的依赖，降低风能的制造成本对我国的新能源产业发展具有重要的意义。1
1.2风力发电在国内外发展现状与趋势1.2.1国外风电发展现状与趋势在全球经济继续低迷的背景下，全球风电发展在2011年发展势头良好。全球风能理事会发布的全球风电市场装机数据显示，全球风电产业 2011年新增风电装机容量达40，564MW，如图1-1所示。这一新增容量使全球累计风电装机达到237，669MW，如图1-2所示。在经历2010年全球风电增长放缓后，2011年风电增长势头继续呈现平缓增长的趋势。全球累计装机实现了超过20%的年增长，相比于过去十年间全球风电累计市场平均增长速度28%，全球风电增占速度明显放缓。
年全球风电每年新增装机容量
年全球风电每年累计装机容量2011年全球风电发展的另一个特点是新增装机容量的绝大部分不是发生在经合组织（OECD）国家，而是出现在风电的新市场。拉丁美洲，非洲和亚洲正在拉动全球市场的发展。这一情况是继2010年出现相同情况后的第二年。中国和印度继续成为亚洲的风电增长的主要驱动力，两个国家新增装机容量综合相当于2011年全球总装机量的50%。在拉丁美洲，巴西异军突起成为拉丁美洲风电最有潜力的市场，同时墨西哥也成为继巴西之后又一新兴市场。非洲各地小型项目蓬勃发展，最令人注目的是南非市场，在经历几年的观望和准备期后，南非政府终于开始推动风电发展的现实行动。2
图1-3 年装机容量区域分布图()1.2.2国内风电发展现状与趋势近年来，我国风电产业发展势头强劲，近年累计及新增装机容量如图1-4所示[2]。 2009年中国新增风电装机容量为1380.3MW，超越美国成为全球新增风电装机容量最多的国家。2009年中国是全球累计风电装机容量仅次于美国的国家，累计风电装机2580.5MW；2010年，全球每新安装3台机组，就有1台在中国，当年新增风电装机容量1892.8MW，累计风电装机容量为4473.3 MW，超越美国成为全球新增和累计风电装机容量最多的国家。3
图1-4 年中国风机新增和累计总量比较图2009年中国新增风电装机容量为1380.3MW，超越美国成为全球新增风电装机容量最多的国家。2009年中国是全球累计风电装机容量仅次于美国的国家，累计风电装机2580.5MW；2010年，全球每新安装3台机组，就有1台在中国，当年新增风电装机容量1892.8MW，累计风电装机容量为4473.3MW，超越美国成为全球新增和累计风电装机容量最多的国家。截止2010年底，中国累计风力发电装机超过100MW的省份超过10个，超过200MW的7个，内蒙古无论新增还是累计装机容量均位居全国第1，具体如表1-2所示。目前，中国正大力投资在甘肃、新疆、河北、蒙东、蒙西、吉林和江苏沿海建设七大“千万千瓦级”风电基地；2010 年6月，中国第 1 座千万千瓦级风电基地在甘肃酒泉正式竣工并投入运营；2010年7月，亚洲首座大型海上风电场――上海东海大桥海上风电场竣工投产，成为至今欧洲之外的第1个大型海上风电场。在国家政策的带动下，各地政府表现积极，江苏、山东、甘肃和宁夏等省、区、市相继出台新能源发展规划，相关的产业投资也不断出现。在国家的新能源战略版图中，江苏省与甘肃、内蒙古、吉林等内陆省份同被列入七大“风电三峡”基地。2010年，江苏省的风电装机容量已超过1000MW。在我国26个省、区、市的风能资源中，大约有32亿kW装机容量可供开发，而内蒙古可供开发风能就达14.6亿kW。这就意味着内蒙古的风能资源可开发量约占全国的一半。2004 年以来，达茂旗政府在1.8万km2的辖区中，重点规划了五个风电场，规划面积达2800km2，达茂旗计划在“十二五”期间建立600万kW的风电场，相当于三峡水电站总发电量的1/3。祁连山脉以北和北山山系以南的河西走廊这块甘肃省西北部的狭长高平地，蕴藏巨大的风能资源。玉门和瓜州这两地的年平均风能总储量均在2000万kW 以上。甘肃省计划在“十一五”和“十二五”期间，在酒泉市所辖的瓜州县、玉门市和肃北县建设千万千瓦级特大型风电基地，2010年完成装机容量516万kW，2015年达到1271万kW，工程静态总投资约1200亿元。规划报告于2008年4月通过国家发展改革委员会审查。如果全部开发完成，酒泉风电基地的总装机容量，将超过长江三峡水利枢纽工程发电量，当地将之定义为“陆上三峡”。4
2010年中国风电装机容量前10名的省(自治区）省（自治区）内蒙古甘肃河北辽宁吉林山东黑龙江江苏新疆宁夏2009年累计装机容量/MW.425.219.097.82.202010年新增装机容量/MW133.418.500.052010年累计装机容量/MW.66.637.467.182.25
同发达国家相对成熟的风电机组技术相比较，虽然我国风电机组制造技术目前已经取得突破性的进展，但整体水平还存在较大差距。主要表现在以下几个方面。风电机组制造技术起步较晚，核心关键技术与设备受制于人；风电机组制造技术发展滞后，创新能力薄弱；风电产业链的完整体系尚未形成[3]。目前最为突出的问题是齿轮箱、变桨偏航轴承和控制系统，主要依赖国外公司生产的设备，订购周期较长，对风电机组产能有一定影响。实现风力发电技术装备国产化可谓势在必行，在引进消化吸收国际先进技术的基础上，进行创新提高，开发具有自主知识产权的风力发电设备，提高我国风力发电设备的制造能力和技术水平，可以降低风力发电成本，提高市场竞争力，为推动我国风力发电技术大规模商业化发展奠定基础。中国正处在风电能源市场的启步阶段，市场潜力巨大。发展风能等清洁可再生能源是人类的必然选择。中国有很好的风电条件，风电产业和相关的科研机构应该抓住这一契机，为风电的全面发展作一个系统可行的规划，逐步解决风电发展中的困难，完善风电机制。同时，为发展风电等清洁能源提供政策、资金和技术等多方面支持，未来中国风电产业发展会更快。1.3国内外风电控制系统发展现状风力发电机组的控制系统是综合性控制系统，不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网、脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，而且还要根据风速、风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。在风速变化的情况下，如何获得较稳定的电压输出，以及如何解决无风时的用电问题也是风力发电系统中要解决的基本矛盾。既要考虑到风能的特点，又要考虑到用户的需求，达到实用、可靠、经济的运行效果，关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。控制技术是风力发电的最关键技术之一，是风力发电机组运行的大脑，是使整个机组实现正常安全运行及实现最佳运行的可靠保证。风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：保证可靠运行、获取最大能量、提供良好的电力质量。因此，为了达到这一控制目标，风力发电系统的控制技术从定桨距发展到变桨距又发展到近年来采用的变速控制技术。
20世纪80年代中期开始进入风力发电市场的定桨距风力发电机组，主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行风力发电机组需要解决的最基本问题。20世纪90年代以后，风力发电机组的可靠性已不是问题，变桨距风力发电机组开始进入风力发电市场。此种机组启动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的启动性能和功率输出特性都有显著改善。由于变桨距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了20世纪90年代中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电市场。变速与定速风力发电机组控制系统的根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是：低于额定风速时，能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定，特别是解决了高次谐波与功率因素等问题后，达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的。风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到了基于变距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标[4]。目前世界主流风力发电控制系统主要包括以下两个部分[5]：(1)单机控制系统用于发电机的运行控制和管理。包括主控制器、偏航控制器、状态监控模块、通信模块等等，某些风机还带有并网变换器（并网型风机）、变桨控制器（变桨距型风机），用来采集自然参数、机组自身数据及状态，通过计算、分析、判断而控制机组的启动、停机、偏航、刹车和开启油泵等一系列控制和保护动作，能使单台风力发电机组实现自动控制，无需人为干预。(2)多风机协调控制系统协调控制系统是风力发电系统的最高控制系统。根据与单机控制系统通信而获得的整个风力发电系统的运行状况，根据需要给单机控制系统发出指令。协调控制系统能够通过专用的通讯装置和接口电路与单机控制系统通信，获得单台机组的数据、状态和故障情况，同时向单机控制系统传达控制指令，从而实现远程监控功能。丹麦MITA公司和奥地利Windtec公司是世界领先的风电机组制造厂家，其配套的控制系统技术成熟，我国最早引进的风电控制设备就来自MITA公司，我国现在风场中控制系统主要采用这两个公司生产的设备[6]。目前绝大多数风力发电机组的控制系统都选用集散型或分布式工业控制计算机。有各种功能的专用模块可供选择，可以方便的实现就地控制，许多控制模块可以直接布置在控制对象的工作点，就地采集信号进行处理；同时分布式工业控制计算机现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可以随时修改控制参数。关于控制器件的选用，目前发电机组的运行通常由单片机或可编程逻辑控制器件等进行控制。MCS-80C32、8XC196MC等各种单片机用于控制风力发电机的运行，实现了自动跟风、并网控制、脱网控制，甚至是通信功能等。C60P 等各型 PLC 也作为主控制单元被用于风力发电控制系统中，适应了集群控制和单机无人值守应用的要求[4]。目前我国各大风电场在引进国外风力发电机组的同时，一般也都引进相应的控制系统，因此缺乏自主研发的单机控制系统和风场监控系统，给风电场运行管理造成很大困难。国内现已有北京科诺伟业科技有限公司、北京景新电气公司、株洲时代集团、永济电机厂有限公司等企业在研制生产风电控制系统，可以逐步降低设备进口对中国风电业的影响[5]。6
1.4课题的研究内容本设计以一个虚拟的控制工程项目为背景展开，以乙方身份，根据甲方提出的控制任务，进行工程技术方案设计。工程方案设计主要内容包括：(1)系统分析，包括甲方需求分析、对象特性分析、安全分析等；(2)控制系统设计，包括控制逻辑、控制回路、控制算法等的选择及理由，风电机组开机、停机等控制逻辑以流程图表达；(3)控制系统选型，包括PLC、IO卡件、通讯网络的选择，并表达出各单元之间的信号连接；(4)控制方案经济效益分析；(5)利用PLC实现风电机组的控制功能。7
变桨距变速风力发电理论及系统概述2.1引言风力发电的最终目的是为电网提供较理想的恒频交流电，早期的风电机组多采用恒速恒频控制方式，因其只能运行在固定转速下，风速变化时无法实现最优的风能转换效率，且其动态性能较差，还会影响系统无功功率分布。因此，自上世纪90年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变桨距变速方式，特别是兆瓦级以上大容量风电系统，因为该方式可大范围内调节转速，以适应因风速变化而引起的风力机功率变化，能最大限度捕获风能，提高发电效率。此外，变桨距变速发电方式控制上也很灵活，可以较好的调节系统的有功功率、无功功率[7]。变桨距变速根据风力发电机组的不同分为多种形式，如笼型异步发电机变桨距变速风力发电系统、交流励磁双馈发电机变桨距变速风力发电系统、无刷双馈发电机变桨距变速风力发系统和永磁直驱同步发电机变桨距变速风力发电系统[8]。2.2风力机基本特性风力机是直接进行风能捕获的部件，通过风对风轮叶片的升力作用将流过风力机叶片迎风扫掠面积内的一部分风的动能转换为风轮旋转的机械能之后，再通过发电机将风机捕获到的机械能转化成可利用的电能。它作为风力发电系统关键部件之一，直接决定了整套风力发电系统的输出功率配额，而且对风电机组的安全、稳定运行也会产生重要影响。此外，对于变桨距风力机来说，通过对桨叶叶片节距角的调节，可以有效的对风力机的转速、输入功率进行调节，实现最大的风能利用效率和最优的功率控制。对于机组的控制系统来说，更好的了解风力机的固有特性，构建良好的风力机模型，对进行最大风能追踪和最大输出功率限制以及保障系统安全等方面都非常重要。流动的风具有的能量体现在它的动能上，风经过风轮后速度有所下降，将自身的动能传递给风轮，风轮所提取的能量就等于气流进出风轮的动能差。理论证明，理想风轮机的最高效率只有59.3%，这样在计算风机捕获能量时就要乘以一个利用系数Cp，风力机实际能够获得的有用功率表达式为[9]：1Ρmech=ρπR2v3Cp
（2-1） 2式中：ρ--空气密度单位为 kg/m3 ，一般取为1.25 kg/ m3；v--风速，单位为m/s ；CP--风能利用系数，一般 CP =1/3-2/5，最大可达16/27；R--风轮半径，单位为m ；对风力发电机的空气动力学特性有不同的评价指标，如：风能利用系数CP，叶尖速比λ，桨距角β，风机的转动力矩系数CT和推力系数Cf等，其中风能利用系数CP8
和叶尖速比λ与控制系统关系较大。(1)叶尖速比λ风轮在不同风速作用下的状态，可利用其叶片叶尖处的圆周线速度与经过风轮前风速的比值来衡量，定义为叶尖速比：2πnRωrR
（2-2） λ==vv式中：n--风轮转速，单位为r/m；ωr --风轮角速率，单位为rad /s；R --风轮半径，单位为m；v--风速，单位为m/s。对于固定的风速，叶片直径越大，风轮转速越高，叶尖速比越大。(2)风能利用系数CP流经风轮的风能中，只有部分可被捕获利用，能捕获能量的大小程度，可用风能利用系数CP来表示，它定义为实际捕获的能量与实际风能的比，它体现了一个风机的效率，如下式所示：PCp=mech
（2-3） PwindCP的值通常由风机厂家给定作为设计和计算的依据。风能利用系数CP并不是一个常数，它在风机运行过程中随着风速、风机转速的变化而变化，此外还受风机叶片位置参数(如攻角，桨距角等)影响。CP是叶尖速比和节距角的函数，即：CP =f(λ，β)关系曲线如图2-1所示。除此之外，叶片的干净程度对CP曲线影响也很大，如结冰、污物等会使桨叶的气动外形改变，影响CP曲线。
λ图 2-1 风能利用系数同叶尖速比、桨距角关系从图2-1可知，在节距角β等于0情况下，存在一个最佳叶尖速比λopt，使风能利用系数CP达到最大值CPmax，此时风力机捕获的风能也将达到最大功率。对于可变桨距的风力机，为了使叶轮的转速能稳定在需要的转速值，需要一套完整的控制器来控制叶片的桨距角，通过对桨距角的调节改变叶片的迎风角，进而改变其受风力作用的大小，以调整风轮的转速。由于输出功率受叶轮转速控制，而叶轮转速又由桨叶节距角决定，所以风力机的输出功率直接受到桨叶节距角的控制。当风速低于风机启动风速时，叶片受到的上升力不足以使叶轮旋转，风力机无法产9
生能量，处于待机状态。此时桨叶节距角在90°附近。当风速达到启动风速以上，通过变桨距系统慢慢减小桨叶节距角，增大风轮迎风面，风轮开始转动，直到达到一定的转速之后继续减小节距角至0°附近，以尽可能多的吸收风能。当达到额定转速以上，风力机达到额定输出功率时，需要通过变桨系统增大桨叶节距角，以减少风轮捕获的风能，将风力机输出功率控制在额定值。如果风速继续增加达到切出风速，风力机应该调至停机状态，此时桨叶节距角回到90°。2.3变桨距变速双馈风力发电技术2.3.1交流励磁双馈风力发电基本原理双馈异步发电机应用在变桨距变速风力发电系统中，其结构如图2-2所示。发电机定子与电网通过变压器连接，转子绕组经双向可控变流器接入电网，通过对转子电流的频率、幅值、相位和相序进行有效调节来实现变桨距变速运行。转子侧励磁采用双PWM变流器，通过SVPWM控制技术，可以获得正弦波转子电流，可以减小发电机中的谐波转矩，同时实现功率因数的调节
双馈异步发电机变桨距变速风力发电系统双馈风力发电机定子结构与异步电机相同，转子侧通过交-直-交变流器进行交流励磁。由发电机原理可知，异步发电机的定、转子电流产生的旋转磁场始终保持相对静止，在定子电流频率、转子电流频率和转子转速之间存在下面的关系式[12]：pf1=f2±n
（2-4） 60
式中：f1--为定子电流频率，单位为Hz；10
n--为转子转速，单位为r/min；p--为发电机的极对数；f2--为转子电流频率，单位为Hz，f2=|s|?f1，故 f2 称为转差频率。由式(2-4)可知：f1 由发电机转速n和f2线性组合而成，当电机转速变化时，通过励磁控制器调节f2，便可维持f1不变，这样就能保证定子发出的电与电网频率相同，完成了发电机的变桨距变速控制。可通过转子转速值的不同，将双馈发电机的运行状态分为下面三种不同情况[13，14]：(1)亚同步运行状态：此时 n＜n1，转差率大于零，式(2-4)中取正号，转子转速与转子电流旋转磁场的旋转方向相同，此时电网向转子绕组馈入电功率。(2)超同步运行状态：此时 n＞n1，转差率小于零，式(2-4)中取负号，转子电流相序改变，转子转速与转子电流旋转磁场的旋转方向相反，定、转子同时处于输出电能状态，转子发出的电能通过双向变流器馈入电网。(3)同步运行状态：此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。 当风力发电机的转速随风速及负载变化时，通过励磁电流频率的调节实现输出电能频率的稳定；同时通过调速系统中的矢量变换技术，可实现发电机的有功功率和无功功率的解耦控制。通过对有功功率的控制可以实现对电机转速的调节，进而实现风速变化时的最大风能追踪，对无功功率进行控制可以调节电网的功率因数，从而提高了风电机组及电力系统的稳定性。此外，由于该种变桨距变速方式是在转子中引入变流器进行励磁控制，流过转子电流的功率为发电机的转差功率，这部分功率相对于发电机额定功率来说非常小，这样变流器的容量就较小，大大降低了变流器成本及带来的电能损耗；而定子直接接入工频电网，也使系统的稳定性及抗干扰性得到提升。2.3.2双馈风电机组整体结构
图 2-3 变桨距变速双馈风力发电机组结构如图2-3所示，变桨距变速双馈风力发电机组[15]主要由风轮机舱和风塔三部分组成，风轮和机舱通过传动系统相连，安装于风塔顶端其中风轮的轮毂内安装有变桨系统11
相关的设备，机舱内是主要的发电装置，包括双馈电机，机舱控制柜，变速箱，偏航系统等风塔除了起支撑作用外，内部还装有控制柜及各种电气设备。下面简要说明风力发电机组主要组成部分功能：(1)风轮风轮由轮毂和上面的桨叶组成，通过齿轮箱等传动机构和机舱内的发电机相连。风轮的特殊结构使其能很好的捕获风能，它是直接将风能转化为旋转机械能的部件，经过不断的发展，现在大多数新装机的风机都采用变桨距风轮机构，它的三个叶片可以沿颈项轴转动，从而改变迎风角，达到控制捕获风能大小的目的。(2)机舱机舱安装在风机塔筒的顶部，内部装有发电装置、液压系统以及各种电气设备。发电装置通过齿轮箱与风轮水平轴相连。在机舱的外面安装有风速风向传感器、温度传感器和导航信号灯等设备，机舱内部还设有大量的环境监测传感器。(3)风塔风塔是风力发电机组最大最重的部分，它能保证风轮在合适的高度，在这个高度上的风况是最稳定的风塔内部是中空的，所有重要的电缆都在塔内穿过，可以通过塔内的梯子进入机舱内它内部还安装了所需的控制柜和各类电气设备。(4)齿轮箱齿轮箱用来连接风轮和发电机它能够将风轮提供的大转矩低转速转化成适合发电机的小转矩高转速，从而保证两个不同标准的旋转部件能够有效的连接。为了减小齿轮箱的磨损，需要对齿轮箱内部的齿轮进行润滑，为此，需加装油泵来保证齿轮箱油的流通。在设备运行期间，润滑油会逐渐的升温，如果温度过高会对箱体造成危害，因此需要安装水循环冷却装置对其进行不断的冷却处理。同样，如果油的温度过低，就起不到润滑作用，必须使用加热器将其温度加热到运行所需的温度。(5)叶轮制动器制动器通常采用液压制动系统，在检修或者紧急停机情况下投入使用，使风机快速停机。由于叶轮制动器无法克服运行时风力机叶轮轴上产生的非常大的力矩，起不到制动效果，所以需要将它安装于齿轮箱和发电机之间的传动轴上。在发电机轴被制动闸制动停转情况下，即使风轮轴有轻微的转动，都会在齿轮箱的齿轮上造成磨损，从而缩短齿轮箱的使用寿命。为了防止制动时在齿轮箱的齿轮上产生破损，在正常停机状况下，制动闸不投入使用，让风机自由停机。为了使风轮能够完全锁住，不产生转动，停机时要在机舱和轮毂特定位置处的孔洞插入安全栓，这样就能保证风轮被停在非常精确地位置上。(6)发电机发电机的轴通过齿轮箱与风机轴连接，运行时，发电机将风力机捕获的风能转化为电能，之后通过转子变频器励磁调节经定子和变压器并入电网。在发电机运行时，内部的线圈温度会增加，需要进行冷却处理。通常都是采用水冷。但是，当发电机的温度低于周围环境的温度时，就会出现水冷凝现象，这会导致环境湿度过高，对发电机是有危害的，应该对水循环系统进行适当的加热，以避免上诉现象的出现。(7)偏航系统偏航系统，也叫方向系统，它是用来保证当风力机处于运行状态时，机舱一直处于最佳迎风方向，从而达到尽可能多的捕获和利用风能的目标。由于实际风向在不断的变化，这样就导致可捕获能量的减少。此时，偏航系统就要根据实际的风向来改变风力机12
的方向，使风机始终处于最佳的风能捕获位置。除了能够实现自动对风功能，偏航系统还有以下功能：1)待机情况下电缆的自动解绕2)检测机舱位置3)控制机舱的移动4)控制方位电机(8)液压装置风电机组的液压系统是用来给风轮和偏航系统提供制动的。通过制动泵内压力的改变来实现制动闸的打开或关闭。偏航制动闸有着两种“开启”状态：1)在进行偏航对风情况下，制动器处于半开状态，这是为了保证机舱和运行着的风力机在转动时能够更加平稳，制动闸和制动盘处于接触状态，但其产生的阻力小于偏航电机产生的转动力，使机舱能平稳的对风；2)在无风待机情况下，制动器就完全处于打开状态。(9)变桨系统变桨系统安装于风力机的轮毂内，每一个叶片都有一套自己独立的变桨装置。变桨距系统是一个相对独立的控制子系统，它有自己单独的变桨控制器。它主要由变桨变频器，变桨伺服电机，备用电源(大电容)，变桨齿轮箱及润滑装置组成。变桨距系统能够对桨叶节距角和桨叶转速进行控制，它与风电机组的主控制器之间进行实时的通讯，并且交换必要的数据在电网掉电情况下，变桨距系统能在备用电池供电下，将桨叶调到顺桨位置，使风轮停止转动，实现停机。当风机停机，所有桨叶都应该处于停机位置，要对桨叶位置进行监控以确保桨叶停止在准确的停机位。2.4变桨距变速风电机组控制系统概述2.4.1风力发电控制系统的总体结构控制系统是风力发电机组安全运行的大脑指挥中心，贯穿到风力发电机组的每个部分，相当于风力发电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机组的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性与可靠性，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。目前风力发电亟待研究解决的两个问题是：发电效率和发电质量，这两个问题都和风力发电机组控制系统密切相关。概括起来，风电机组的控制系统主要包括：主控系统、变流器控制系统、变桨距控制系统、偏航控制系统、上位监控系统以及安全链(温度与故障巡检)系统。这些控制部分在主控系统的协调下共同完成风电机组的安全可靠运行。主要完成机组的正常启动、自动偏航解缆对风、追踪捕获最大风能、安全并网发电、功率超额时的功率限制、各种故障情况下的处理以及正常与出错状况下的安全停机等任务。控制系统应能保证即使在无人监管情况下，机组同样能正常发电运行，故障时也能做出相应处理，故障后能自动恢复启动运行。13
此外，通过在塔筒及机舱内设计安装良好的上位机监控系统，实现对风电机组的运行状态及各种现场参数的测量显示，对所出现的故障进行显示和记录，还可进行参数的设置修改，以供工作人员对现场状况的监控和故障查询。控制系统结构图如图2-4所示。从控制系统结构图上可以看出各子系统之间的层级关系，用户界面及通讯接口都是为了提供良好的操作管理平台；变桨距及偏航系统主要就是完成机组启动和运行时的对风以及当输出功率超过额定功率时的功率限制；液压和制动系统能保障必要情况下的顺利停机；变流器系统控制发电机以保证良好的电能输出；主控制器的功能就是全面协调各子系统运行，保障机组能安全、稳定生产。
图2-4 控制系统结构图2.4.2变距风力发电机组控制系统的控制策略2.4.2.1风力发电机组的基本工作状态风力发电机组总是工作在如下状态之一：待机状态，运行状态，停机状态，紧急停机状态，每种工作状态可看作风力发电机组的一个活动层次，运行状态处在最高层次，紧急停机状态处在最低层次。下面给出了四种工作状态的主要特征及其简要说明： (1)运行状态机械刹车松开；允许机组并网发电；机组自动调向；液压系统保持工作压力；变桨距系统选择最佳工作状态。(2)待机状态机械刹车松开；液压系统保持工作压力；自动调向保持工作状态；变距系统处于设定状态；风力发电机组空转。14
这个工作状态在调试风力发电机组时非常有用，因为调试风力机组的目的是要求机组的各种功能正常，而不一定要求机组发电运行。(3)停机状态机械刹车松开；变桨距系统失去压力，桨叶处于停机位置；液压系统保持工作压力；调向系统停止工作。(4)紧急停机状态机械刹车与气动刹车同时动作；紧急电路(安全链)开启；控制器所有输出信号无效；控制器仍在运行并检测所有输入信号。当紧停电路动作时，所有接触器断开，控制器输出信号被旁路，使控制器没有可能去激活任何机构。2.4.2.2风力发电机组工作状态之间的转换
图2-5 工作状态转换图风力发电机组提高工作状态层次只能一层一层地上升，降低工作状态层次可以是下降一层或多层这种工作状态之间的相互转变即是基本的控制策略，它主要出发点是确保机组的安全运行。如果风力发电机组的工作状态要往高一层次转化，必须一层一层往上升，用这种过程确定系统的每个故障是否被检测当系统在状态转变过程中检测到故障则自动进入停机状态。当系统在运行状态下检测到故障，并且这种故障是致命的，那么工作状态不得不从运行直接到紧停，这种状态转换可以立即实现而不需要通过待机和停机状态。2.4.2.3风力发电机组的制动保护变桨距控制系统在风力发电机组的制动保护上也起着重要的作用，本风力发电机组的制动系统由变距气动刹车和机械盘式刹车组成。当风力发电机组处于运行状态时，变距系统处于最佳工作状态，桨叶正常吸收风能，15
使机组处于发电运行状态，保持这种状态的动力是风力发电机组中的液压系统。当风力发电机组需停机时，液压系统释放压力油，桨叶在压力作用下，按设计的轨迹转至关桨位置，在空气阻力下起制动作用。盘式刹车系统在风力发电机组中主要作为辅助刹车装置，并且被安排在高连轴上。因为随着风力发电机组容量的增大，主轴上的转矩成倍增大，如用盘式刹车装置作为主刹车，那么刹车盘的直径就很大，使整个风力发电机组的结构变大；同时当液压系统的压力增大时，整个液压系统的密封性能要求高，漏油的可能性增大；所以，本风力发电机组中，盘式刹车装置只是当机组在需要维护检修时或故障时作刹车制动用。制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，风力发电机组运行时均由液压系统的压力保持其处于非制动状态，制动系统按失效保护的原则设计，即失电时或液压系统失效时处于制动状态。控制器在发出指令1s内应收到机械刹车己松开的反馈信号；否则将出现制动器故障信号，执行安全停机；根据风速，风轮转速，发电机转速及刹车装置的反馈信号，可以判断故障原因，例如有风速，有转速，但未收到制动解除信号，应该是刹车已松开，信号回路故障，否则是制动器故障。制动过程有三种情况：正常停机，安全停机和紧急停机，其具体制动程序如下所示：(1)正常停机制动程序是：变桨距系统停止自动调节，将桨距角置90°；当发电机转速降至同步转速时，发电机主接触器动作，发电机脱离电网；风轮转速低于设定值时，第一部刹车投入；偏航90°背风。(2)安全停机变桨距系统将桨距角置90°，同时投入第一部刹车；当发电机转速降至同步转速时，发电机主接触器跳开，第二部机械刹车被投入。(3)紧急停机所有的继电器、接触器失电；变桨距系统将桨距角置90°，两部机械刹车同时投入，发电机同时脱离电网。16
可编程控制器简介3.1 PLC的产生与发展在可编程控制器问世之前，继电器接触器控制在电气控制领域中占有主导地位[7]。继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑，如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，极大的浪费了精力和资金。另外，大型控制系统用继电器接触器控制，使用的接触器继电器较多，控制系统的体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率较低，在频繁动作情况下寿命较短，造成机械故障，系统的可靠性较差。1968年，在世界性工业技术改造浪潮的冲击下，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司），为了适应汽车型号不断更新，以求在激烈的汽车工业竞争中占有一定优势，提出要用一种新型的控制方式取代传统的继电器接触器控制装置，并对未来的新型控制系统装置做出了具体构想，要把计算机的完整功能以及灵活想、通用性好等优点和继电器接触器的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点融入新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人也能很快掌握它的使用技巧。通用汽车公司提出的新一代控制器应具备的条件包括：(1)编程简单，可在现场修改程序。(2)维护方便，最好是插件式结构。(3)可靠性高于继电气控制。(4)体积小于继电器控制柜。(5)可将数据直接送入计算机。(6)在成本上可与继电器控制装置竞争。(7)输入可以是交流115V。(8)输出可以是交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀。(9)扩展时，原有系统只要很小变化。(10)用户程序存储容量至少能扩展到4KB。美国数字设备有限公司（DEC）根据GM公司招标的要求，于1969年研制出世界上第一台可编程控制器，并且在GM公司汽车自动装配线上试用其后，日本、德国等相继引入这项技术，可编程控制器由此发展起来[8]。到20世纪70年代初期、中期，可编程控制器虽然引入了计算机的优点，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等控制功能。所以当时人们将可编程控制器成为PLC（Programmable Logical Controller）。随着微处理器技术的发展，20世纪70年代末至八十年代初，可编程控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，使得可编程控制器不仅可以逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。因此，美国电器制造协会（NEMA）将可编程序控制器命名为PC（Programmable Controller），但为了便于与个人计算机PC（Personal Computer）区分，人们习惯上仍将其称为PLC[10]。20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路的技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展[12]。这时的PLC具有了高速17
计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能，从而使PLC的应用范围和应用领域不断扩大，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、工业机器人和CAD/CAM）之一。3.2 PLC基本构成3.2.1 PLC的系统组成PLC种类繁多，但是它的结构和工作原理大致相同。用PLC实施控制其实质就是按一定算法进行输入/输出变换。PLC主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成[16]。PLC结构框图如图3-1所示。图3-1
PLC结构框图 (1)中央处理单元中央处理单元（CPU）是PLC的核心，其神经中心的作用，主要由控制电路、运算器和寄存器构成。它按PLC的系统程序的功能接收并存储用户程序，当扫描的方式采集由现场输入装置传送的状态或数据，并存入规定的寄存器内，同时诊断电源和PLC内部电路的工作状态。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经过分析后，产生控制信号，去指挥相关的控制电路。(2)存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器是存放PLC厂家编写的系统程序的，这一部分被固化在ROM内，用户是不能更改的。它使得PLC具有基本功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序的好坏，基本上就决定了PLC的性能。用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以分为RAM、EPROM或EEPROM存储器，其
内容可以由用户任意修改或增删。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数据等。它的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。(3)输入/输出单元I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器则是交流型和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。(4)电源部分PLC一般都是使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。(5)扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。(6)通信接口为了实现“人―机”或“机―机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。(7)编程器编程器是PLC的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。3.2.2 PLC的工作原理PLC采用循环扫描工作方式， CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后再返回第一条，如此不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为一个扫描周期。PLC对用户程序的执行主要按三个扫描过程进行。(1)第一个过程――输入扫描在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的输入映像区。在程序执行阶段，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。(2)第二个过程――执行扫描在执行用户程序的扫描过程中，PLC以梯形图方式（或其它方式）编写的程序从上到下，从左到右的顺序逐一扫描各指令，然后从输入映像区取出相应的原始数据或从输出映像区读取有关数据，做由程序确定的逻辑运算或其他运算，随后将运算结果存入相应的输出映像区。(3)第三个过程――输出扫描在执行完用户所有程序之后，PLC将输出映像区的内容同时送入到输出锁存器中（称输出刷新），然后由锁存器经功率放大后去驱动继电器线圈，最后是输出端子的信19
号变为本次工作周期运行结果的实际输出。3.3 PLC的特点及应用3.3.1 PLC的特点(1)可靠性高，抗干扰能力强PLC是专门为工业环境下应用而设计的，因此人们在设计PLC时，从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了可靠性。硬件措施：屏蔽、滤波、隔离、采用模块式结构；软件措施：故障检测、信息保护和恢复、设置了警戒时钟、对程序进行检查。由于采取了以上抗干扰措施，一般PLC平均无故障时间可达几万小时以上。(2)通用性强，使用方便PLC产品已经系列化和模块化，PLC的开发制造商为用户提供了品种齐全的I/O模块和配套部件，用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需要根据控制要求进行模块配置。用户所做的工作只是这几满足控制对象的控制要求的应用程序。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能改变控制功能。(3)采用模块化结构，是系统组合灵活方便PLC的各个部件，均采用模块化设计，各模块之间可由机架或电缆连接。系统的功能和规模可按照用户的实际需要自行组合，使系统的性能更容易趋于合理。(4)编程语言简单、易学，易于操作PLC是继电器接触器控制系统发展而来的新型的工业自动化控制装置。其主要的使用对象的广大的电气技术人员，PLC的开发制造商为了方便工程技术人员的学习和PLC编程的掌握，采取了梯形图语言，简单易学。(5)系统设计周期短由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要去设计具体的接口电路，这样就大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程的进度。(6)安装简单、调试方便、维护工作量小PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。3.3.2 PLC的应用领域根据PLC的特点，可以将其应用形式归纳为以下几种类型：(1)开关量逻辑控制。PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种复杂的逻辑控制。这时PLC最基本也是最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器接触器的控制。(2)模拟量控制。PLC配置有A/D和D/A转换模块。现场的温度、流量、速度等这些模拟量经过A/D转换模块边位数字量，传送到PLC中，经PLC的微处理器进行处理后，经D/A转换后变成模拟量去控制被控对象，这样就实现了PLC对模拟量的控制。(3)过程控制。现在大型的PLC一般都配备了PID控制模块，可进行闭环控制。当20
控制过程中某一变量出现偏差时，PLC能按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程，把变量控制在整定值上。(4)定时和计数控制。PLC具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供几十、上百、甚至上千个定时器和计数器。如果用户希望对频率较高的频率进行计数，还可以选择高速计数模块。(5)顺序控制。在工业控制中，可采用PLC步进指令编程或用移位寄存器编程来实现顺序控制。(6)数据处理。现代的PLC不仅能进行算数运算、数据传送、排序、查表等，而且还能进行数据比较、数据转换、数据通信、数据显示、打印。(7)通信和联网。现代PLC一般都具有通信功能，它可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC，PLC与计算机之间的通信，这样用PLC可以方便的进行分布式控制。21
方案设计依据、范围及相关标准4.1设计依据毕业设计任务书风力发电（Wind Turbine）仿真设备用户手册SIMATIC S7-1200可编程控制器系统手册SIMATIC S7-1200入门手册-设备手册SIMATIC STEP7 Professional V11SP2系统手册4.2设计范围(1)本次设计主要完成位于海上风电场的变桨距变速风力发电机组的并网发电，并实现无人值守，全自动控制。(2)完成控制系统的主要控制任务：偏航控制，桨距控制，转速控制，风机全自动启动以及运行状态的监测。(3)控制系统的硬件选型与连接。(4)实施效果及经济效益分析。4.3设计相关标准及规范(1)HG/T
过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号(2)GB/T
过程工业领域安全仪表系统的功能安全(3)GB 1
风力发电机组安全要求(4)GB/T
风力发电机组控制器 技术条件(5)GB/T
风力发电机组控制器 试验方法(6)GB/T 0
风力发电机组变桨距变速控制系统 第1部分：技术条件(7)GB/T 0
风力发电机组变桨距变速控制系统 第2部分：试验方法(8)GB/T 0
风力发电机组双馈式变流器 第1部分：技术条件(9)GB/T 0
风力发电机组双馈式变流器 第2部分：试验方法(10)JB/T
风力发电机组设计要求(11)JB/T 4
风力发电机组偏航系统 第1部分：技术条件(12)JB/T 4
风力发电机组偏航系统 第2部分：试验方法(13)JB/T 4
风力发电机组制动系统 第1部分：技术条件(14)JB/T 4
风力发电机组制动系统 第2部分：试验方法(15)JB/T
风力发电机组一般液压系统22
系统分析5.1甲方需求分析风力发电控制系统的基本目标分为三个层次，即保证风力发电机组安全可靠运行、获取最大能量和提供高质量的电能。具体控制内容有信号的数据采集和处理、偏航控制、变桨控制、转速控制、自动解缆、并网控制、风机全自动启动、停机制动控制、安全保护系统、运行状态监测等。在风力发电机组中，控制在各个方面都显得尤为重要，因为风力发电机组的主要特征就是系统必须能够处理风的高度可变性、间歇性和不可预测性。5.1.1风力发电机组控制的作用和目标可以总结如下[20]：(1)在切入风速时启动风力发电机组，在切出风速时停机，在特殊的运行状态下相应地切换控制器；(2)在风速超过额定值时，控制空气动力和电机转速；(3)在风速和捕获功率的限制下，为了保证机械部分的承受能力，最大程度地减轻变化负荷；(4)在突然的阵风来临时，保证正常的运行；(5)在很宽的风速变化范围内，能够正常向电网输送电能；(6)满足严格的电能质量标准（功率因数、谐波、闪变等）；(7)保护风力发电机组的同时，当电网故障时，能够提供主动的电网维护功能。5.1.2控制任务(1)偏航控制风的方向始终处于变化之中，要求设计偏航控制算法，保证风机始终正对风向，最大限度的从风中获取能量。当风向角与风机偏航角之差超过5°，即需要进行偏航控制。当风机偏航超过3圈（±1080°）时，需设计解缆控制程序，防止内部电缆发生缠绕。(2)桨距控制当风速超过额定风速，风机输出功率过高可能致使硬件设备受损。设计功率控制算法，通过桨距控制限制风机吸收的功率，保证机组的安全、稳定运行。(3)转速控制当风速低于额定风速时，通过控制发电机转速实行最大风能追踪，以获得最大的能量。设计转速控制算法，通过转速控制维持最大风能利用系数。(4)风机全自动启动23
按照开机步骤实施风机全自动开车，保证开车稳步进行。在开车过程中，叶片上的升力和阻力与桨距角之间呈现非线性关系，要保证随着桨距角的减小，风机的升力始终大于阻力，确保风机转速达到额定转速附近。(5)运行状态监测在风机整个运行过程中，监测电力参数、风力参数、机组状态参数以及各种反馈信号等，确保风机稳定运行，在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。5.2对象特性分析风力发电机组的总体结构[17]示意图如图5-1所示：
图5-1 风力机的结构图风力发电机组就是可以将捕获的气流能量转换成电能的装置。这种转换经过两个步骤，首先是在风能流的驱动下，风力机风轮就会转动，获得机械功率；其次由风轮驱动旋转电机，即发电机，产生电能。风力资源丰富的地区通常都在边远地区或海岛甚至是海上，自然环境较恶劣，需要无人值守和远程监控，对机组控制系统的可靠性和安全性要求较高。5.2.1运动桨叶上的气动力分析将气流来流速度方向与桨叶弦线之间的夹角称为攻角，如图5-2所示。假定桨叶处于静止状态，令空气以相同的相对速度吹向叶片时，作用在桨叶上的气动力将不改变其大小。气动力只取决于相对速度和攻角的大小。因此，为便于研究，均假定桨叶静止处于均匀来流速度中。此时，作用在桨叶表面上的空气压力是不均匀的，上表面压力减少，下表面压力增加。按照伯努利理论，桨叶上表面的气流速度较高，下表面的气流速度则比来流低。因此，围绕桨叶的流动可看成由两个不同的流动组合而成：一个是将翼型置24
于均匀流场中时围绕桨叶的零升力流动，另一个是空气环绕桨叶表面的流动。作用在桨叶上的力与相对速度的方向有关，该力可分解为两部分：一个分量与速度平行，称为阻力；一个分量与速度垂直，称为升力，如图5-3所示。升力和阻力与攻角的方向之间均呈现非线性关系，如图5-4所示。随着攻角的增加，升力系数线性增加，
图5-2 攻角示意图在接近最大升力系数时增加变缓，达到最大升力系数后开始减小。另一方面，随着攻角的增加，阻力系数初期不断增大，在升力开始减小时阻力系数继续增大。与最大升力系数对应的攻角称为失速点，超过失速点后，升力系数下降，阻力系数迅速增加。
Cr总气动系数rSν2总的气动力，S-桨叶面积，
-ClSν2升力，与气流方向垂直，
-Cl升气动系数
CdSν2阻力，与气流方向平行，
-Cd阻气动系数B
图5-3 桨叶上的气动力i图5-4 升力和阻力的变化曲线叶片攻角是空气动力特性分析的关键变量，应随风速增加并且随转速和桨距角的增25
加而减小。因此，空气动力效率将受其开方值的影响。在高风速时，可以通过控制转速和/或桨距角来调节叶片攻角，以减小空气动力功率。图5-5中的空气动力效率曲线说明了可以有两种方法。其中一种方法是减小叶片攻角，也就相当于增加转速和/或桨距角的值，能够导致空气动力功率的减少。
空气动力效应1，β小 ν大 λ小20?1，β大10 ν小λ大0攻角i/°图5-5 空气动力效率曲线总之，要把功率限定在额定值以内，可以采用的方法之一为通过桨距角β控制。变桨距型风力发电机组能使风轮叶片的安装角随风速而变化，即通过对桨距角的控制，从而改变发电机的输出功率。当发电机的输出功率高于额定功率时，桨距角向迎风面积减小的方向转动一个角度，使桨距角β增大，即减小了攻角，此时发电机的输出功率降低；当发电机的输出功率低于额定功率时，桨距角向迎风面积增大的方向转动一个角度，使桨距角β减小，即增大了攻角，此时发电机的输出功率增大。变桨距型风力发电机组的缺点是，需要有一套比较复杂的变桨距调节机构，要求风力机的变桨距系统对阵风的响应速度足够快，才能减轻由于风的波动引起的功率脉动。为了限制功率漂移，变桨距系统的动作必须快，设定变桨距的速度为5o/s。5.2.2风机的气动功率根据风能转换原理，风力发电机组的功率输出主要取决于风速。风能的大小与气流1密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。即：E=ρSν3。 2根据贝兹（Betz）理论，风力机的理论最大效率CPmax（或称理论风能利用系数）为0.593，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。风能利用系数CP是风力机的一个特性系数，表征风力机从自然风能中吸取能量的大小程度。风力机实际能得到的有用功率输出是Ps=1ρν13SCP，其中ρ为空气密2度，单位是kg/m3；ν1为距离风力机一定距离的上游风速，单位是m/s；S 为气流扫掠面积，单位是O，CP为风能利用系数，与叶尖速比λ和桨距角β有关。26
5.2.3气动功率调节分析气动功率调节是风力发电机组的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速12m/s以后，由于机械强度和发电机、变频器容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，同时减少叶片承受载荷和整个风力机受到的冲击，保证风力机不受损害。从切入风速4m/s到切出风速25m/s，风力机有着不同的动态特性[17]，如图5-6所示。输出功率与风速的三次方成正比，逐步增加，直到达到风力机的额定功率为止。额定功率是在额定风速下的功率。按照额定风速划分，风力机运行在两个状态：在额定功率以下（也称部分负荷区）和满负荷区。在满负荷区，捕获能量必须以额定值为极限。
图5-6风力机的动态特性因此，出于安全性的考虑，在额定风速以上，必须用空气动力控制子系统来限制功率的进一步上升。要把功率限定在额定值以内，有两种可能的方法：一是控制发电机的转速，二是通过桨距角β控制。使用电力电子变流器能控制发电机的转速/转矩。桨距控制可以通过使用集总执行机构，来控制每个叶片绕它们的轴旋转。本设计研究对象的叶片采用的液压变桨系统作为内部模型，因此，浣翱刂葡低呈淙敫豢囟韵蟮木褪墙熬嘟堑纳瓒ㄖ怠5.2.4风力机的特性风力机的特性通常由一簇功率系数Cp的无因次性能曲线来表示，功率系数Cp是风力机叶尖速比λ的函数，如图5-7所示。CP(λ) 曲线是桨叶桨距角的函数。从图上可以看出CP(λ)曲线对桨叶桨距角的变化规律；当桨叶桨距角逐渐增大时，CP(λ)曲线将显著地缩小。如果保持桨距角不变，用一条曲线就能描述出CP(λ)作为λ的函数的性能和表示从风能中获取的最大功率。如图5-8所示
图5-7风力机性能曲线Cpmopt图5-8 定桨距风力机的特性曲线根据上图，在任何风速下，只要使得风轮的叶尖速比λ=λopt，就可维持风力机在Cpmax下运行。因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速度与风速之比保持不变，就可获得最佳的功率系数。这就是变速风力发电机组进行转速控制的基本目标。但是由于风速测量的不可靠性，很难建立转速与风速之间直接的对应关系。实际上并不是根据风速变化来调整转速的，可以修改功率表达式，以消除对风速的依赖关系，按已知的Cpmax和λopt计算Popt。如果用转速代替风速，则可以导出功率是转速的函数，立方关系仍然成立，即最佳功率Popt 与转速的立方成正比，Popt=0.5ρPmax[(R/λopt)ωr]3。从理论上讲，输出功率是无限的，它是风速立方的函数。但实际上，由于机械强度和其他物理性能的限制，输出功率是有限度的，超过这个限度，风力发电机组的某些部分便不能工作。因此变速风力发电机组受到两个基本限制：功率限制，所有电路及电力电子器件受功率限制；转速限制，所有旋转部件的机械强度受转速限制。28
5.2.5风力机的转矩―速度特性
图5-9 不同风速下的转矩-速度特性
如图5-9所示是风力机在不同风速下的转矩-速度特性。由转矩、转速和功率的限制线划出的区域为风力机安全运行区域，即图中由OABC 所围的区域，在这个区间中有若干种可能的控制方式。从图上可以看到变速运行的风力机的工作点是由若干条曲线组成，其中在额定风速以下的ab段运行在Cpmax曲线上。a点与b点的转速，即变速运行的转速范围。由于b点已达到转速极限，此后直到最大功率点，转速将保持不变，即bc段为转速恒定区，运行方式与定桨距风力机相同。在c点，功率已达到限制点，当风速继续增加，风力机将沿着cd线运行以保持最大功率，但必须通过某种控制来降低CP值，限制气动力转矩。5.3系统安全分析5.3.1控制系统安全运行的必备条件(1)风力发电机组开关出线侧相序必须与并网电网相序一致，电压标称值相等，三相电压平衡。(2)风力发电机组安全链系统硬件运行正常。(3)偏航系统处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行的状态。 (4)制动和控制系统液压装置的油压、油温和油位在规定范围内。 (5)齿轮箱油位和油温在正常范围。(6)各项保护装置均在正常位置，且保护值均与批准设定的值相符。 (7)各控制电源处于接通位置。 (8)监控系统显示正常运行状态。(9)在寒冷和潮湿地区，停止运行一个月以上的风力发电机组再投入运行前应检查绝缘，合格后才允许起动。(10)经维修的风力发电机组控制系统在投入起动前，应办理工作票终结手续。29
5.3.2风力发电机组工作参数的安全运行范围(1)风速自然界风的变化是随机的没有规律的，当风速在3-25m/s的规定工作范围时，只对风力发电机组的发电有影响，当风速变化率较大且风速超过25m/s以上时，则对机组的安全性产生威胁。(2)转速风力发电机组的风轮转速通常低于40r/min，发电机的最高转速不超过额定转速的30%，不同型号的机组数字不同。当风力发电机组超速时，对机组的安全性产生严重威胁。(3)功率在额定风速以下时，不作功率调节控制，只有在额定风速以上应作限制最大功率的控制，通常运行安全最大功率不允许超过设计值20%。(4)温度运行中风力发电机组的各部件运转将会引起温升，通常控制器环境温度应为0-30℃，齿轮箱油温小于120℃，发电机温度小于150℃，传动等环节温度小于70℃。(5)电压发电电压允许的范围在设计值的10%，当瞬间值超过额定值的30%时，视为系统故障。(6)频率机组的发电频率应限制在50Hz±1Hz，否则视为系统故障。(7)压力机组的许多执行机构由液压执行机构完成，所以各液压站系统的压力必须监控，由压力开关设计额定值来确定，通常低于100Mpa。5.3.3机组控制运行安全保护系统(1)大风保护安全系统 机组设计有切人风速Vg，停机风速Vt，一般取10min，25m/s的风速为停机风速；由于此时风的能量很大，系统必须采取保护措施，对于变桨距风力发电机组必须调节叶片变距角，实现功率输出的调节，限制最大功率的输出，保证发电机运行安全。当大风停机时，机组必须按照安全程序停机。停机后，风力发电机组必须90°对风控制。(2)参数越限保护 风力发电机组运行中，有许多参数需要监控，不同机组运行的现场，规定越限参数值不同，温度参数由计算机采样值和实际工况计算确定上下限控制，压力参数的极限，采用压力继电器，根据工况要求，确定和调整越限设定值，继电器输入触点开关信号给计算机系统，控制系统自动辨别处理。电压和电流参数由电量传感器转换送入计算机控制系统，根据工况要求和安全技术要求确定越限电流电压控制的参数。(3)电压保护 指对电气装置元件遭到的瞬间高压冲击所进行的保护，通常对控制系统交流电源进行隔离稳压保护，同时装置加高压瞬态吸收元件，提高控制系统的耐高压能力。(4)电流保护 控制系统所有的电器电路（除安全链外）都必须加过流保护器，如熔丝、空气开关。(5)振动保护 机组设有三级振动频率保护，振动球开关、振动频率上限1、振动频率极限2，当开关动作时，系统将分级进行处理。(6)开机保护 设计机组开机正常顺序控制，对于双馈异步风力发电机组采取软切控制限制并网时对电网的电冲击。30
(7)关机保护 风力发电机组在小风、大风及故障时需要安全停机，停机的顺序应先空气气动制动，然后软切除脱网停机。软脱网的顺序控制与软并网的控制基本一致。(8)紧急停机安全链保护 紧急停机是机组安全保护的有效屏障，当振动开关动作、转速超转速、电网中断、机组部件突然损坏或火灾时，风力发电机组紧急停机，系统的安全链动作，将有效的保护系统各环节工况安全，控制系统在3s左右，将机组平稳停止。5.3.4风机控制系统的软件的安全设计风力发电机组控制系统的安全性不仅与硬件系统有关，而且与软件系统有着极其密切的关系。软件的安全性设计既控制系统软件安全设计，就是利用计算机智能软件编制功能，完善控制系统的安全保护功能。实际控制系统中主要有，机组故障判别和自动处理软件设计；控制系统编制软件对机组所有状态、参数的故障自动辨别和处理，使机组时刻处于安全状态。(1)任务协调设计风力发电机组控制为多任务系统，经常同时有几个任务工作，为防止发生冲突，特设计协调控制，使每一控制逻辑与实际状态对应互锁，防止执行相关任务时造成混乱。(2)临界资源控制风力发电机组控制中部分输出口属于临界资源，它们如果被多个任务同时控制，就可能造成故障或元器件的损坏。因此，在控制程序编制中，控制输出激励采用组合逻辑控制，布置所有临界资源只被一个任务控制。(3)容错性设计为防止用户误操作或某种原因引起软件运行错误，软件设计考虑容错性；在风力发电机组的任何工作状态下，非法操作都不被承认。(4)软件权限设计风力发电机组控制软件应有三层，最低层适应于现场值班人员使用，没有密码，允许查询风力发电机组状态显示，故障提示，故障记录，运行累计值等，可以控制风力发电机组起动、停机、偏航等；高一级的维护层给风力发电机组维护人员使用，需要输入密码，可用于修改风力发电机组运行参数；最高级是设计层，仅为设计人员使用，需要最高级密码，供设计人员修改程序使用。31
控制系统设计6.1控制系统结构风力发电机组控制系统由传感器、执行机构和软/硬件处理器系统组成，其中处理器系统负责传感器输入信号，并发出输出信号控制执行机构的动作。风力发电机组采用的控制系统结构如图6-1所示。
图6-1 控制系统的结构图
从控制系统结构图上可以看出各子系统之间的层级关系，用户界面及通讯接口都是为了提供良好的操作管理平台；偏航及变桨距系统主要就是完成机组启动和运行时的对风、当输出功率超过额定功率时的功率限制以及当输出功率低于额定功率时的转速控制；液压和制动系统能保障必要情况下的顺利停机；变流器系统控制发电机以保证良好的电能输出；主控制器的功能就是全面协调各子系统运行，保障机组能安全、稳定运行。主控制器在整个控制系统中处于核心地位，它根据操作人员的操作进行整个机组的32
运行，从系统启动时进行变桨、偏航对风，稳态时根据相应算法进行最大风能追踪，功率达到限额时进行机组输出功率的限制，直至风速超过切出风速时的安全停机，主控制器一直在根据各子系统传感器反馈的实时采集信号(如风速、转速、电压电流和温度等)按着程序设定进行着相应的控制，向各子系统下发各种合理的操作指令，并将各状态量及时的反应到上位机及远程监控系统。当机组运行出现异常时，主控还要根据安全链给出的故障等级做出相应的处理响应。变桨距变速双馈风力发电机组的控制系统主要实现风力发电机组的整体协调运行，实现机组的监视和控制，进行风机的并网，脱网以及最大功率跟踪控制，保证风力发电机组各部分的协调安全运行和提高风力发电效率和发电质量。包括PLC系统、数采集接口、变桨距系统、偏航系统、功率控制系统、并网控制器、监控系统等。根据以上分析，风电机组控制系统的控制任务主要可以分为五大部分：风机的全自动启动控制、风机的停机控制、偏航控制、桨距控制、转速控制。6.2风机的全自动启动控制6.2.1控制要求按照开机步骤实施风机全自动启动，保证开车稳步运行，在开车的过程中升力和阻力与桨距角之间呈现非线性关系，要保证随桨距角的减小，风机的升力始终大于阻力，确保风机转速达到额定转速附近。6.2.2开机步骤(1)检测到风速大于启动风速时，可以启动风机。(2)风机偏航，自动正对风向。风向角与风机偏航角之差不超过5°即可认为风机已正对风向。(3)打开风机机械刹车开关。(4)自动控制桨距角逐渐到0°，使叶片垂直迎风。(5)当发电机转速达到同步转速1500r/m附近时，闭合并网开关，开始发电。为保证随着桨距角的减小，风机的升力始终大于阻力，当风力发电机组从停机状态进入暂停状态时，变桨距系统先将桨距角快速转到30°，当转速在同步转速附近保持一定时间后，发电机即并入电网。这一过程不仅使转子具有高启动力矩，而且在风速增大时能够快速启动。6.2.3全自动启动流程图根据开机步骤可得系统的全自动启动流程图如图6-2所示：
图6-2 全自动启动流程图6.3风机的停机控制6.3.1风机停机的三种情况(1)紧急制动停机，桨叶变桨到90°，发电机和变频器脱网，紧急制动停机又分为机械制动和非机械制动，机械制动失败时，松开机械制动让风机自由旋转，以免造成更大的故障。(2)一般停机制动，桨叶变桨到90°，发电机和变频器脱网，一般停机制动又分为两种，二者区别在于变桨速度不同。(3)暂停停机制动，桨叶变桨到45°，发电机和变频器脱网。6.3.2停机步骤(1)给出停机信号后，自动控制桨距角到90°。(2)检测到功率为0后，将风机切出电网，并发出风机机械刹车信号。停机控制流程图如图6-3所示：34
图6-3 停机控制图如图6-4所示，当出现发电机温度过高、齿圈润滑油液位过低、传动系统润滑油液位过低、润滑油温度过高、冷却水温度过高时，系统停机，待参数恢复正常后，检测是否符合启动条件，若符合则自动开机。当出现其他故障时，系统停机，待人工排除故障后，发出手动解除故障信号，系统将根据启动条件决定是否开机。图6-4 故障停机35
6.4偏航控制6.4.1偏航控制的作用偏航系统[18]是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一，其主要作用有：与风力发电机组配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；提供必要的锁紧力矩，以保证风力发电机组的安全运行。本系统风力发电机组的偏航系统采用主动偏航的齿轮驱动形式。
风向角0°偏航角图6-5 风向角和偏航角
风向角的范围是-180°～180°，如图6-5所示。定义正北方向为风向角0°方向。风向从正北方向顺时针}