偏航控制范文

偏航控制范文（精选8篇）

偏航控制 第1篇

偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。偏航系统的主要作用有两个:1)与风力发电机组的控制系统相互配合,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;2)提供必要的锁紧力矩,以保障风力发电机组的安全运行[1]。风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式,常见的有尾舵、舵轮和下风向三种;主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式,常见的有齿轮驱动和滑动两种形式。对于并网型风力发电机组来说,通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式。偏航系统在风向标检测到风向变化时,经控制系统发出偏航指令,偏航电机通过偏航传动系统和执行机构使风机偏航,实现对风、解缆等动能[2]。但是,风向标在风向角改变15的范围内不能准确运转,使得偏航系统不能快速、准确的实现对风,为此,本文提出了基于MPPT算法的偏航控制系统,当风向角小范围内(15)变化时,通过实时测量风力机输出功率,进而发出偏航指令,达到平稳、快速、准确的实现机舱对风。

当风向角θw大于180o时:

此时偏航角为负值,偏航电机反转,使机舱逆时针偏航θe,如图2所示。

1 风力机偏航控制原理[3]

在偏航过程中,为了提高发电效率,风力机必须最短时间内将机舱转过相应角度,即机舱偏航距离最短,而机舱的偏航距离与偏航角θe有关,偏航角θe又是由风向角θw与机舱角θT决定的。规定:

通常,风向角度θw是相对于叶轮迎风面法线方向角度,故取θT=0,偏航角度为:

2 MPPT算法[4]

MPPT(Maximum Power Point Tracking)算法即最大功率追踪算法,又叫爬山搜索法,是一种人为施加干预信号的自寻优方法,可以通过软件实现,本文中就通过S函数来实现。

MPPT算法的思路为:不间断的对机舱的输出功率进行测量,并将当前测量功率P(n)与上一次的测量值P(n-1)进行比较,如果功率下降,则将发出偏航指令,启动偏航电机,使电机反转,如果功率上升,则电机正转。

但是,由于风能的随机性,每次的测量功率

肯定都会出现变化,这就使得电机会频繁起停,从而影响电机寿命,因此,可以认为设置一个功率误差e,当两次测得功率差(35)P(27)e时电机停止起动,当(35)P(29)e时再起动电机。其流程图如图3所示。

3 偏航控制系统设计

系统的硬件主要有:偏航电机、纽缆开关、风速仪、角位移传感器和s7200-cpu224。

各部分的功能:

1)偏航电机:为风力发电系统中风机对风及解缆的执行机构,使风机随着风向的变化而转动,对准风向。

2)接近开关:偏航电机运行的速度位置反馈信号。

3)角位移传感器:将风速、风向信号转换成4~20m A的电流信号传给PLC。

4)PLC:它是兆瓦机组的中央处理单元。接收绝对正北方向信号、风向风速信号和接近开关传给它的风机所处的实际位置,经过逻辑处理,把精确的控制命令传给执行机构即偏航电机。

由图4和图5可知,当风速恒定,风向改变时,在0s~22s时,风向角从0变化到了12,此时风向角为正值,即偏航角也为正值,MPP T算法发出正偏航指令,转矩为53.2 10 Nm,持续至15s左右时,由于风向角逐渐减小,则MPPT算法发出负向偏航指令,控制偏航电机反向起动,输出转矩为5-3.1 10 Nm,以后随着风向角的不断变化,而不断变换偏航指令。

由图6和图7可知,当风向恒定在正方向10,风速改变时,MPPT算法立即发出正偏航指令,转矩为54.0 10 Nm,持续至21s左右时,实现机舱对风,此后由于偏航角不再变化,因此MPPT算法发出停机指令,偏航电机停止运行。

4 结束语

介绍了一种采用MPPT算法控制的偏航系统,该算法解决了风向标传感器在15范围内变化时无法准确快速实现对风,捕获最大功率的缺陷。仿真结果表明,该算法可以快速,平稳的实现机舱对风,而且满足系统的要求。

摘要：当风向角在15范围内变化时,由于风向标传感器不能正常工作,导致风力机无法捕获最大风能,从而降低了风力机组的发电效率。本文通过对风力发电机组偏航控制原理的分析,提出了一种基于MPPT控制的偏航控制系统:该控制系统通过实时测量风力机组的输出功率,不断寻找最大功率点,同时偏航控制器发出自动偏航指令,使机舱偏转,直到找到最大功率值,此时实现了机舱的准确对风,停止偏航指令。给出了基于PLC下的硬件结构,通过在matlab/simulink下的仿真,结果证明该控制系统响应速度快,目标准确率高。

关键词：偏航控制系统,MPPT算法,matlab/simulink,风力机

参考文献

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[3]李晓燕.兆瓦级风力机偏航控制系统设计研究[D].上海:上海交通大学,2006.

风雨中偏航的船作文750字 第2篇

在某个早上，阳光洒满阳台。我懒懒地躺在椅子上，享受这一刻的静谧时光。眯着眼睛，用手指一寸一寸地丈量天空。透过指缝，阳光不安分地在指尖跳跃，继而落下亲吻脸上的肌肤。微微热的感觉，触到了打开心灵的机关。我突然就在想，像这般的惬意是谁带给我。是阳光，还是我自己的心?

阳光总有消失的一刻，之后袭来的是铺天盖地的黑暗，心情却因此变得沉重，仿佛跌落谷底。开始变得难过了。人总是这样，在浅薄的自信里欣欣向荣，或在沉重的反思里自暴自弃。此刻的感受，是由阴晴不定的天气决定。至于为什么，那大概是由于所谓的心不在焉，大概是因为理想的渺渺无踪。没有理想的人，如同在风雨中偏航的船，辽阔的大海因着风雨而波澜壮阔，小小的船只因着没有方向，不知何去何从。此刻就需要理想的旗帜，带领我们扬帆起航。

天晴，心就晴;天雨，心也就变得潮湿。我就是这样，似乎感受不到心的跳动，所以就简单地追随着那一尺天空瞬息的变幻。我知道，理想之路尚未启程，理想却尚未定位。我迷茫，我彷徨，徘徊在十字路口。下一步该迈向何方?仿佛驾着船在迷雾中航行，眼前是白茫茫的一片。什么都看不见，只能绷紧每一根神经。双手紧紧拉着方向盘，生怕一松手就会触礁，或者像泰坦尼克号一样，撞到冰山，沉入大海。但是对于一只偏航的船来说，这有什么用呢?我需要的，只是方向。迫切的需要一座灯塔，指引我。

没有理想的躯壳，只是累赘而已。梦若迷失，心又怎么前行?人若失去了梦，再多的话语都只是无力的独白。不再聆听大珠小珠落玉盘的琵琶之音，和沧海月明珠有泪，蓝田日暖玉生烟的.锦瑟雅乐。也不再欣赏杨柳绿齐三尺雨，樱桃红破一声箫的画卷。因为在没有梦，迷失了心的自己看来。一切都只是寻寻觅觅，冷冷清清，凄凄惨惨戚戚。不过是今宵酒醒何处?杨柳岸晓风残月。徒添伤感。

偏航控制 第3篇

商用飞机飞行过程中会受到大气扰动, 而这种扰动必然会引起飞机横向姿态的变化, 飞机横向会发生摇摆运动, 该运动是由多个方向的运动耦合叠加而成。其中滚转模态下飞机表现为迅速衰减的滚转运动, 一般总是稳定的;螺旋运动模态下飞机表现为非常缓慢的螺旋下降运动, 驾驶员可以通过操纵飞机避免进入尾旋, 而荷兰滚模态下飞机表现为短周期的快速周期性摇摆运动, 姿态参数变化较为剧烈。商用飞机通常采用改善气动布局和主舵面的结构等手段使飞机横向具有较小的阻尼对荷兰滚进行抑制, 使得飞机在横方向上的运动收敛[1]。

1 偏航阻尼器控制律设计

为了抑制飞机横向扰动情况下的荷兰滚, 偏航阻尼器通常使用惯性导航系统反馈的偏航角速率作为控制信号, 根据偏航阻尼器的控制律计算出方向舵偏转指令。由于方向舵偏转产生的附加力矩与飞机偏航运动方向相反, 阻止飞机偏航运动, 从而抵消荷兰滚模态下的偏航角速率, 改善荷兰滚阻尼比。另外, 为了给飞机提供协调转弯功能, 偏航阻尼器使用航电系统传输过来的横滚角速率作为控制信号, 通过相应的控制律计算方向舵偏转指令。为了进一步提高协调转弯性能, 有些飞机的偏航阻尼器引入横向加速度作为控制信号, 消除飞机转弯过程中的侧滑角[2]。

传统的偏航阻尼器内部通常采取简单的查表法, 将飞机状态量作为控制输入。这种控制模式在一定程度能够抑制飞机荷兰滚并改善协调转弯性能。然而, 当飞控计算机前向通路存在扰动或误输入倍脉冲蹬舵信号时, 初始时刻会使飞机产生较大的偏航角速率与横滚角速率, 荷兰滚现象比较明显, 严重影响飞机的横向飞行品质, 而且协调转弯时的侧滑角也变大。为了有效抑制荷兰滚并进一步提高协调转弯性能, 文章提出的偏航阻尼器功能的计算由自己的计算模块完成, 通过改变方向舵偏度, 以达到协调转弯和抑制荷兰滚的作用。

此偏航阻尼器由偏航角速率反馈以及侧向过载反馈构成, 以改善飞机的荷兰滚运动阻尼, 增强航向的稳定性。并采用副翼指令方向舵交联, 其主要目的是当副翼偏转进行转弯时, 偏转方向舵提高飞机的协调转弯性能, 减少转弯过程中的侧滑。

YD指令计算的简化输入为滚转角、偏航角速率、指示空速和真空速共4个参数, 并利用滚转角速率、俯仰角、侧向加速度、垂直速度、垂直加速度、方向舵偏度共6个参数完成指令修正和系统监控功能, 经过简化的偏航阻尼器控制律如下公式所示。

其中YDcommand是偏航阻尼器输出的控制指令, Yaw Rate是偏航角速率, F1 (*) 和F2 (*) 分别是对真空速 (TAS) 和指示空速 (IAS) 的线性插值函数。在真空速和指示空速一定的情况下, 偏航阻尼器指令主要由滚转角和偏航角速率决定。

同时为了避免转弯过程中产生过大的侧滑而引起令人不适的侧向加速度, 通常引入协调转弯控制来保证在转弯的过程中, 侧滑角较小, 及滚转与偏航运动两者之间的耦合最小, 同时还可以与纵向控制系统交联, 保证转弯过程中不掉高度。

2 偏航阻尼器控制律仿真评估

为了评估此偏航阻尼器的控制性能和相应特性, 需要建立横向运动闭环控制回路。该回路包括偏航阻尼器模型、方向舵控制前向通道模型、飞机横向运动模型[3]。

在基于小扰动激励分析法的飞机模型中, 包括飞机纵向运动模型和飞机横向运动模型。偏航阻尼器主要用于飞机横向运动的控制, 需要采用飞机横向运动模型进行验证。由于飞机存在较大的横向滚转阻尼, 滚转角速率响应较慢, 影响协调转弯性能。为此增加横滚控制回路, 提高横滚响应性能。因此, 闭环控制回路中飞机横向运动模型包含了横滚控制内回路。

通过仿真偏航阻尼器控制律的时域特性, 对此控制律的响应性能进行评估。

3 偏航阻尼器控制律时域仿真

偏航阻尼器的时域仿真包括侧滑角扰动特性仿真及协调转弯仿真, 以验证控制律设计是否满足时域设计要求, 及是否能够完成要求的功能。

此偏航阻尼器控制律可以很好地抑制飞机荷兰滚。另外, 飞机侧滑角的最大峰峰值、振荡次数、稳定值也满足控制性能要求, 通过仿真结果表明此偏航阻尼器控制律满足各项控制性能要求, 同时也对飞机的横向特性进行了有效的改善。

4 结束语

文章基于对商用客机横向操纵特性的分析, 设计了可以抑制荷兰滚和协调转弯功能的偏航阻尼器控制律, 并给出了基本的偏航阻尼器架构和计算原理, 最后通过对控制律的时域进行仿真分析证明此控制律符合偏航阻尼器性能指标, 使用此控制律可以有效地对飞机荷兰滚特性进行抑制并提供很小侧滑的协调转弯功能。

参考文献

[1]GIBSON, J.C.The Definition, Understanding and Design of Aircraft Handling Qualities[M].Delft University Press, 1997

[2]吴文海.飞行综合控制系统[M].北京:航空工业出版社, 2007.

偏航控制 第4篇

关键词：偏航控制系统,自动控制,风力发电

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。

1.1 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。

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。

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≌0.28m l/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。

1.3.3 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。

2.2 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。

2.3 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:

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°≦θ≦15°, 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:

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。

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。

4 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。

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.

偏航控制 第5篇

偏航控制系统是风力发电机组控制系统的重要组成部分。如图1为偏航控制系统。由于自然界风的方向总在变化,因此,必须不断转动机舱使得风轮始终正面受风,增大风能的捕获率。但由于风向仪的精度及位于下风向等问题,不能做到100%对风,这不但降低了风能最大捕获率,同时使得对称的风电机组桨叶运行时受力不均,导致机组的振动与叶片的疲劳[1]。因此为有效的控制偏航系统,工业上开发了除了应用卡尔曼滤波的PI控制器、模糊控制器等。这些控制器的偏航控制信号均来源于风向传感器。因位于下风向,受到紊流等各种不利因素影响,且自身的侧向精度也存在不足,使得控制信号都不甚理想,进而导致对风精度不高,在对风精度为±150时出现了风向标传感器不能工作的现象。因此,如何提高对风精度值得关注,需要进行更深入的理论研究,提出更有效的控制策略与算法,提高对风精度。

基于以上分析提出一种在风向变化绝对值小于15°时,使用陀螺仪和爬山算相结合的方法来控制偏航机构的策略。

1 偏航系统控制策略的结构

基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法:在风向变化绝对值>15°时,采用风向标控制方法;在风向变化绝对值15°时,则采用功率控制方法[2]。因风向、风速变化会引起发电机输出功率变化,功率检测仪测得发电机输出功率,只有在风向变化时才进行偏航控制,风速变化对功率控制方法仅仅视作干扰信号。针对在风向变化绝对值15°时,采用爬山算法和陀螺仪相结合对偏航机构进行控制与反馈,提高对风精度,此策略可分为整体控制与局部控制两部分。如图2所示偏航系统控制策略的结构图。

1.1 整体控制策略

整体控制策略是基于在功率控制方法的基础上,引入爬山算法对偏航结构进行的规划,并对功率控制与爬山算法进行阐述。

1.1.1 功率控制

功率控制方法又分为逆时针旋转、顺时针旋转和原位停止三种工况。该方法能缩短风力机对风时间,提高风力机对风精度、发电机组风能利用效率,延长风力机使用寿命。在功率控制中,为了搜索在风力机迎风过程中风力发电机输出功率的最大值,采用爬山算法来进行搜索。

1.1.2 爬山算法的阐述

爬山算法是一种局部择优的方法,采用启发式方法,是对深度优先搜索的一种改进,它利用反馈信息帮助生成解的决策。属于人工智能算法的一种,通过操纵控制变量来搜索一个函数的最大值,即在搜索过程中扩展当前结点并估计它的子结点,最优的子结点被选择并进一步扩展,当搜索达到一定值或状态,该值或状态比它的所有子结点都要好,搜索停止。

设风速不变,当风向发生偏转时,则p(θ)=pmax cos (θ),由图3可知,此时Δp1=p*max -p(θ)=p*max (1-cos (θ)),其中,y轴为功率轴;x轴为偏航电机定位轴;曲线V1、V2为风向曲线。由于在θ1时,Δp1>Δp*,偏航电机向着V2风向转动,则继续在原方向进行偏航控制,在θ2时有,Δp2=pf-p,Δp=Δp1-Δp2,Δp>Δp*所以,偏航电机仍向原方向转动,采样比较,直至到θ3附近为止。

1.1.3 爬山算法下的功率控制策略

在图3中:P*为功率给定值;P*max为功率给定最大值;P为中间变量;Pf为检测得到的瞬时功率反馈值;ΔP1 为风速或风向变化时的功率变化值,ΔP1 = P*max– P;ΔP2 为风速或风向变化时的功率变化值,ΔP2 = Pf – P;ΔP*为功率差值给定值;Δ为赋值给ΔP*的某常量值,θ为偏航电机旋转角度。并网后,偏航控制系统进行初始化,而后判断方向。

(1) 当风向变化绝对值大于150,进行风向标控制,到达150时,偏航电机在原方向上仍旋转50,而后偏航30后进行H-C算法的控制,根据ΔP1进行判断,若Δp1>Δp*,则继续在原方向进行偏航控制,反之,则返回初始位置,结束偏航控制。

(2) 当风向变化的绝对值不大于150时,则根据功率变化判断,若Δp1>Δp*,则电机逆时针旋转50,再次进行风向判断,反之,则返回初始位置,结束偏航控制;① 逆时针旋转50后,若Δp2>Δp1,说明偏航方向正确,在原偏转方向上用H-C算法进行偏航控制;② 若Δp2>Δp1不成立,说明功率变化时风速变化引起的,偏航电机不再旋转,不进行偏航控制。

1.2 局部控制策略

当整体控制完成后,向偏航结构发出命令,但是由于机构自身、自然环境等不利因素,不能保证在风向变化绝对值(偏航角度)小于15°时的准确定位,因此要对机舱运动时进行反馈检测。如图(4)陀螺仪检测的信号通过输入/输出接口传送到偏航系统,偏航系统根据在整体控制区域所传送的旋转角度进行比对,如出现偏差,立即进行补偿处理,最终实现对风的90°处理。

2 仿真实验与分析

仿真平台:采用一台额定功率为1.5 MW的风力发电机组进行仿真,仿真软件为LabVIEW。

仿真参数:风力机半径为3.5 m,额定风速为12 m/s,空气密度ρ=1.225 kg/m2,风轮的扫掠面积A=3 750 m2,增速器齿轮箱的效率η=0.98,机舱的转速可达到36°/min。

图5所示为风速恒定,风向角度发生变化时,引起功率的变化。图(a)风向变化为:顺时针25°、顺时针10°、逆时针15°和顺时针10°的变化;图(b)功率变化始终进行逆时针旋转;图(c)电机的控制信号有正负高电平信号的切换过程,说明偏航电机根据功率的变化先要进行逆时针的旋转判断。仿真结果表明,功率值在风向发生变化时能迅速达到一个恒定的值,并且电机的起、停状态的延迟时间明显变短,陀螺仪的应用大大缩短了角度电信号转换的时间,证明了爬山算法控制的优点。

3 结语

针对在风力发电机组的风向变化绝对值小于150的风能捕获率,提出了一个全新的全局规划策略,根据实验得出以下结论:

(1) 爬山算法只需测出发电机的电压和电流,根据发电机输出的功率的变化,不断的寻找最大功率点,通过控制器控制偏航电机转向和起停。使转子随时与风向保持一致,风力机吸收的最大风能。

(2) 由于风力发电机工作环境比较恶劣,不确定因素比较多,建立动态模型相对比较困难,这与实际风力发电机的运行情况有误差。应用非线性控制技术,对风力发电机组的研制,必将对风力发电的研究起到实际的推动作用。

参考文献

[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术.北京:机械工业出版社,2002

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偏航控制 第6篇

关键词：风力发电机,偏航系统,可编程控制器

风力发电在我国已逐步受到重视和利用。然而, 在使用小型风力发电机时, 由于不同环境下的实际风况具有不确定性, 风力发电机在遇到强风而超过可用风速范围时, 会因超负荷而危及其安全运行。因此, 小型风力发电机在使用时必须要有一定的保护措施, 即当风速过大时, 通过控制手段使风力发电机的风轮限速后再进行刹车, 直到风力发电机的风轮彻底停转。

通过对风力发电机的限速和刹车控制, 在遇到强风时虽然能有效地保护风力发电机, 但如果强风持续时间太长, 风力发电机长期停止使用, 就不能充分发挥它的发电作用, 从而又降低了风力发电机的使用效率。因此, 为有效利用风力资源, 提出在风大时通过自动控制的手段也能使风力发电机正常发电, 即研制一种针对小型风力发电机的自动偏航控制系统。

1 自动偏航控制系统设计方案

300 W风力发电机自动偏航系统结构简图见图1。所谓自动偏航系统是在自动调向限速控制系统的基础上进行改动, 使其不仅能在遇到强风时限制风力发电机的风轮转速, 同时还能使风轮的转速处于较合理的状态下而使发电机继续发电。

1-风轮;2-发电机;3-配重;4-联接底板;5-回转体;6-90SZ52PX216直流减速电动机;7-限速安全机构;8-塔架

1.1 偏航控制系统的设计依据

风力发电机的风轮从风源中吸收的功率为:

式中:k由空气密度和风轮扫略面积决定的系数;

Cp风能利用系数, 由叶片形状、数量、桨矩等决定;

V风速;

β风轮法线方向与风向的夹角。

对于确定的风力发电机来说, 叶片形状、大小、数目、桨距等都是一定的, 因此可认为k和Cp是常数。由此可见, 风轮从风源中吸收的功率主要是受风速V和风向β的影响。

那么, 当风速一定时, β越大, 风轮吸收的功率越小。若β=0°, 即风轮扫略面垂直于风向时, 风轮吸收的功率最大;若β=90°, 即风轮扫略面平行于风向时, 风轮吸收的功率为零。由此看来, 当风速超出可用范围后, 只要控制改变β, 则能控制风轮吸收的功率。这样, 通过控制β就能使风力发电机的输出功率处在最佳状态, 即允许风力发电机在风速超出可用范围后能继续发电, 以有效地提高风力发电机的使用效率。

1.2 设计思路

考虑到风力发电机的输出电压随其风轮的转速变化而变化, 为使风力发电机能自动追踪最佳风向, 设计风力发电机自动偏航控制系统的主要思路是, 根据负反馈控制理论, 通过风力发电机实际输出电压值与其可用的风速或风轮的转速所对应的输出电压值相比较, 若实际输出电压值超出所设定的可用风速所对应的输出电压值范围, 则应使风力发电机整体自动旋转进行偏航。在旋转过程中, 由于风力发电机的风轮法线与风向的夹角β随时在改变, 所以风轮吸收的功率随之改变, 从而风力发电机的输出电压随之在改变。最后, 直到风力发电机的实际输出电压值在所设定的电压值范围内, 使风力发电机停止偏航。这样可有效地保证风力发电机的风轮处在相对安全的迎风方向, 使风力发电机继续发电。

1.3 工作原理框图

根据所提出的设计思路, 设计出的小型风力发电机偏航控制系统工作原理框图见图2。

该系统主要由3部分组成: (1) 风轮和发电机组成的风力发电机部分; (2) 比较控制与调向系统组成的硬件控制系统; (3) 可实现风轮旋转的回转体。

2 自动偏航控制系统的硬件实现方案

2.1 比较控制

由于离网型300 W风力发电机多运行在高寒、高湿、大风沙等恶劣环境下, 因此要求硬件控制单元对环境有较强的适应能力, 而可编程控制器的工作环境温度可以达到-30℃～+35℃, 湿度范围在不凝露的情况下可以达到10%～90%, 可实现长时间无故障运行。所以, 选择可编程控制器作为自动控制系统的主要控制单元。

2.2 调向系统

调向系统由调向电动机和减速机构组成。

调向电机选用90SZ52PX216型直流减速电动机, 速比为216∶1, 可实现低转速、大扭矩输出。同时, 减速机构选择上海浦江减速机厂生产的WPO120型蜗轮蜗杆减速器, 速比为50∶1, 能实现自锁。直流减速电动机和蜗轮蜗杆减速器配合的总传动比可达10 800∶1, 可以使调向速度达到1°/s。

3 自动控制系统软件的实现方案

偏航控制系统软件流程框见图3。风机从风源中吸收功率为P=kCpV3cosβ。其中β=0°时, 风机可吸收利用最多的风能。由于该系统本身具有随机性和离散性, 所以允许β有一定的变化范围。一般要求在同样风速下, 风轮吸收的功率不小于最大吸收功率的95%, 因此可取β的范围为-15°～+15°。这样只损失了极小一部分风能, 却能延长调向机使用寿命, 同时减少能源消耗。为了使风力发电机转过的路径最短, 系统首先判断风轮法线方向偏离风向的角度。当β<180°时, 调向机正转, 风力发电机顺时针迎风;当β≥180°时, 调向机反转, 风力发电机逆时针迎风。

控制系统迎风和限速的切入风速可以取风力发电机的启动和停止风速, 即当风速大于1.5 m/s时, 控制系统可自动切入并开始监控风向;当风速大于25 m/s时, 控制系统启动限速。

设控制系统中采样间隔时间为t, 它是影响系统性能的一个至关重要的因素。当遇到阵风时, t太小会使调向机频繁启动, t太大会导致风能的浪费。根据300 W风力发电机组的特点和参阅有关资料, 取t为60 s为宜。

4 结论

由于该系统采用可编程控制器 (PLC) 进行逻辑控制, 不仅可在较恶劣的工作环境下平稳运行, 而且整个硬件控制系统具有结构简单和高效节能的特点。

整个偏航控制系统既能使风力发电机充分利用风力资源继续正常发电, 又能限制风轮转速和发电机的输出功率, 提高小型风力发电机运行的安全性、可靠性, 并延长使用寿命。

偏航报警仪的设计 第7篇

关键词：偏航报警仪,输入单元,控制单元,输出单元,CPLD

1 设计原理

根据偏航报警仪功能要求,其原理框图见图1。

该偏航报警仪主要由输入单元、控制单元和输出单元3部分组成。

偏航报警仪的功能主要是对实际航向偏离设定航向大于设定的误差值之后进行报警。实时接收罗经输出的NMEA0183数据,进行解析、计算,超出误差设定范围进行声、光报警。

2 电路设计

偏航报警仪系统设计电路如图2所示。

2.1 输入单元

输入单元主要包括双通道光耦和键盘输入两部分。

2.1.1 数据接口

数字罗经输出的信号形式为RS-485差分信号。数据输入通道中采用光耦的目的一方面是为了输入隔离,另一方面是为电平转换,将输入的RS-485信号转换为TTL信号。

采用双路信号的输入完成主/备输入通道选择。通常第1通道/主通道(COURSE1+,COURSE1-)接主罗经输入,第2通道/辅通道(COUESR2+,COURSE2-)接辅罗经输入。当主通道出现故障,则可切换为接收辅通道数据输入。

光耦采用SHARP公司的PC817,其支持的最大输入数据速率约25 kbit/s,满足系统4 800 bit/s的要求。光耦相当于把LED(发光二极管)和光敏(三极)管封装在一起,LED把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出,由于没有直接的电气连接,这样既耦合传输了信号,又起到了隔离作用,同时也完成了RS-485到TTL电平的转换。

2.1.2 键盘设计

根据偏航报警仪的功能要求,键盘由7个键组成。键盘面板示意图如图3所示。

各键功能如下:Reset为系统复位,并用于系统的自检功能;Cancel为取消设置;Menu/OK为确认本次设置,进入下一功能;Up为当前设置值增1;Down为当前设置值减1;Left为向左移动设置位;Right为向右移动设置位。

一旦有按键输入则通过INT0产生中断,然后由单片机从CPLD(复杂可编程逻辑控制器)内键盘寄存器读入键盘值。

2.2 控制单元

控制单元是偏航报警仪的核心单元,主要由CPLD和单片机组成。其中:CPLD完成接口和时序逻辑控制;单片机对罗经输出的NMEA0183数据进行解析,并进行 LCD(液晶显示器)显示和报警控制。

2.2.1 CPLD的应用

采用Lattice公司的CPLD芯片ispMACH 4A5,它包括128个宏单元和64个I/O口,100PQFP封装,+5V电源。其主要作用为产生系统所需的时序、地址译码和逻辑控制等功能。其功能框图如图2所示。

图2中,右边虚框内为CPLD与单片机的接口,左边虚框内为CPLD与其他电路的接口。单片机P0和P2口构成数据总线。读写控制信号参与图中所有的地址译码器的译码(未标出)。

2.2.2 单片机的应用

选用 MSC-51系列AT89C52单片机作为控制器。其完成的主要功能包括:

a) 通过串口中断方式接收基于NMEA0183标准的串行航向数据(RS-485)。

b) 程序对接收到的数据进行解析,并与设定值相减后与设定的误差范围相比,其中包含对数据的运算处理和逻辑处理。

c) 控制LCD设定航向值、报警门限、当前航向值、偏航误差值和误差图形条。

AT89C52具有以下标准功能:8 kB Flash存储器,256 B RAM, 32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,3个16位定时器/计数器,1个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89C52可降至0 Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。

图2中,P1口及P3口的其他引脚也连接到了CPLD,实际应用中未使用。

2.2.3 单片机复位电路

采用MAXIM公司MAX706芯片构成硬件看门狗电路实现复位,包括上电复位、死机复位和掉电复位。

a) 上电复位:当电压超过4.4 V后,MAX706定时200 ms后输出一个复位负脉冲。

b) 死机复位:MAX706内部有一个定时器,当定时时间到,在MAX706的RESET端输出一个脉冲给CPLD,CPLD使整个系统复位。系统正常工作时每隔一段时间就向看门狗电路输出一个脉冲,使外部看门狗复位,看门狗从0开始重新记时,不会向CPLD输出复位脉冲。当系统由于干扰不能正常工作,从而不能正常向看门狗电路输出复位脉冲时,外部看门狗电路将输出复位脉冲使系统复位。因此,在看门狗定时器溢出之前,需要在WDI端输入一个定时器复位脉冲。

c) 掉电复位:当电压低于4.4 V后,MAX706一直输出低电平,直至电压恢复正常后,定时200 ms后输出一个复位负脉冲,然后保持高电平。

由于MAX706T输出的复位脉冲为逻辑低电平,因此,在CPLD中需要对该信号取反后与单片机的复位引脚相连。

2.3 输出单元

2.3.1 LCD显示器

使用点阵式LCDSYT240160A,其核心部分是日本SEIKO EPSON公司出品的LCD控制器SED1335。SED1335具有较强功能的I/O缓冲器、指令系统、4位数据并行发送、最大能驱动640256点阵等特点。

SYT240160A的接口定义如表1所示。

根据LCD接口的定义,LCD接口如电路图2所示。图中,通过调节阻值为20 kΩ的电位器来改变LCD显示对比度,常温下典型电压值21 V左右。

背光控制采用三极管9012。当基极为低电平时,三极管截止,背光灯被关闭;当基极为高电平时,三极管饱和道通,背光灯被打开。在本报警仪设计中,通过调整控制端输入脉冲信号的占空比来调节LCD亮度。串入二极管使背光电压控制在4.3 V左右。

在对SED1335的编程设计中,单片机访问SED1335不需判别“忙”,SED1335随时准备接收单片机的访问并在内部时序下及时地把单片机发出来的指令、数据传输就位。

2.3.2 数据接口

偏航报警仪的输出数据实际上就是主通道或辅通道输入数据的复制。其作用是为了设备的级联或扩展。

Course3是来自于控制单元的航向数据,为TTL电平。通过MAX485后,转换为RS-485差分输出。MAX485工作在发送方式。

RS-485的特点是:采用差分信号进行传输;最大传输距离可以达到1.2 km;最大可连接32个驱动器和收发器;接收器最小灵敏度可达±200 mV;最大传输速率可达2.5 Mbit/s。

MAX485是MAXIM公司的一种RS-485芯片,可将TTL电平转换为RS-485电平输出。它采用单一电源+5 V工作,额定电流为300 μA,采用半双工通信方式。图4为MAX485芯片的结构和引脚定义。

MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。从图中可以看出,RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端,与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可;/RE和DE端分别为接收和发送的使能端,当/RE为逻辑0时,器件处于接收状态;当DE为逻辑1时,器件处于发送状态,因为MAX485工作在半双工状态,所以只需用单片机的一个引脚控制这两个引脚即可;A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时,代表发送的数据为1;当A的电平低于B端时,代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单,只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻,一般可选100 Ω的电阻。

2.3.3 报警输出

如图2所示,报警输出包括声音和灯光,两者均用三极管驱动。报警控制信号(逻辑高电平)与时钟信号(周期约1 s)相“与”后输入三极管基极,实现声音和灯光的断续和闪烁。

3 软件设计

系统软件设计包括CPLD软件和单片机软件两部分。前者主要完成时续和逻辑控制,后者是实现系统功能的核心。

3.1 数据接收

偏航报警仪接收的是罗经输出数据,为NMEA0183格式。

接收数据语句格式如下:

a) $--HDM , x.x , M*hh:其中: x.x表示航向,M 表示磁北(相对于磁场北)。

b) $--HDT, x.x, T*hh:其中: x.x表示航向,M 表示真北(相对于地理北)。

3.2 误差处理算法

在偏航报警仪工作时程序需要对接收到的数据与设定的航向值相减,判断左偏还是右偏,以及偏航的角度大小,再与设定的报警门限值相比,表示出偏航误差以及误差图形条。

3.2.1 程序流程

在偏航报警仪工作时,当改变设定值或接收到新的航向值后,就需要进行一次误差处理。误差处理主要包含以下步骤:判断左偏还是右偏;计算并显示偏航误差的大小;确定是否超出报警门限,是否需要报警;计算并显示误差图形条。

由上面的分析可知,由于整个系统的实时性不是很高,运算量也不是很复杂,因此,单片机是完全可以处理的。

单片机的误差处理算法程序流程如图5所示。其中变量的含义如表2所示。

3.2.2 误差图形条的计算

误差图形条如图6所示。

由此可见,左右的刻度都为8格,则误差图形条的格数n应为:

undefined

为提高计算精度,先做乘法,即error8,然后做除法,这样比先做除法要精确一些。流程见图7。

由于error的范围在0～179之间(超出180则改变偏航的方向),可以用1字节表示,而error8之后,就有可能超出255,而需要用2字节表示;另外,alarm_level的范围在0～99之间,只需1字节表示,因此,只需编写出2字节除以1字节数据的除法子程序便可。

除法子程序的流程如图8所示。

这样,计算出误差图形条的格数n后交由单片机控制LCD。

3.3 报警控制

当船舶一旦偏离航向超过预定的允许值时进行报警(LED和蜂鸣器)。另外,为了响应用户的应答,报警方式如图9所示(假设从正常状态开始)。

从图9中可以看出,在正常状态(没有偏航)下不进行报警,即LED灭,蜂鸣器不响;而一旦进入偏航状态后,LED闪烁,蜂鸣器鸣叫,提醒用户已经偏航。如果用户没有应答,则这个状态一直保持下去,除非进入正常航道;如果用户应答了,LED长亮,蜂鸣器停止鸣叫。在应答状态时,如果按下复位键,退出应答状态。

在报警控制中,同样由单片机发出控制指令(LED和蜂鸣器的状态),而CPLD的作用在于地址译码,为单片机发出控制指令提供正确的地址。

4 结束语

风力发电偏航轴承发展综述 第8篇

水平轴风力发电机组具有风能转换效率高的特点, 因而成为了世界风电的主流机型。偏航系统是水平轴风力发电机组必不可少的组成系统之一。作为偏航系统的主要组成部分, 偏航轴承除了起到对风作用以外, 还承受风力发电机重量, 并提供必要的锁紧力矩, 以保证风力发电机的正常运转。

1.1 分类

偏航系统一般由齿圈 (带齿的轴承环) 、偏航齿轮和驱动电机及摩擦制动器或偏航刹车 (摩擦制动器或偏航刹车一般仅存在齿轮驱动式偏航系统中) 组成。偏航系统的偏航轴承可以分为滚动型 (图1) 和滑动型 (图2) 。

滚动轴承由外圈、内圈及轴承内、外圈之间的滚动体组成。轴承外圈固定于塔架上, 轴承内圈通过高强度螺栓装配在主机架上。通过固定在主机架上电机带动外圈, 从而带动主机架转动, 实现对风。滑动式轴承的润滑是垫片干摩擦下的自润滑, 相对运动件之间的摩擦力矩由垫片的粗糙度来决定, 因而滑动衬片上的固体摩擦材料经过摩擦需保证自润滑, 具有合适的摩擦力矩, 同时还要控制磨粒材料磨损速度不能过快而造成滑动衬片寿命减少, 所以对偏航齿圈表面粗糙度有更高的技术要求[3]。

1.2 工作条件

偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔体用螺栓连接。轮齿可采用内齿或外齿形式。外齿形式是轮齿位于偏航轴承的外圈上, 加工相对来说比较简单;内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上, 啮合受力效果较好, 结构紧凑。由于风力机组常年在野外作业, 工况条件非常恶劣, 会遭受风雨、沙尘暴、海水等各种气候的影响;并且偏航轴承需要及时跟随风向和风速变化, 还要承受巨大的倾覆力矩和冲击载荷。

2 偏航轴承结构分析

可以看出在2005年以前, 针对偏航轴承的发明量较少, 说明世界对偏航轴承的研发力度以及关注度都不高, 通过对比国内外的专利申请可知, 美国通用电气、德国西门子、丹麦维斯塔斯等国外公司依旧掌握着较为先进的技术, 其专利转换成产品的比率较高, 而国内目前主要有洛阳轴承集团和瓦房店轴承集团等少数公司拥有较多申请量。

3 偏航轴承发展趋势

能源短缺问题日益严重, 风能形式的清洁可再生能源因而愈发受重视。为提高风力发电装机容量和机组功率, 风力发电机正朝着大型化方向发展, 通过对目前偏航轴承各方向的专利分布分析可知, 偏航轴承的专利总数仍然较低, 偏航轴承各方面技术都还有待挖掘, 结合自身对偏航轴承领域的认识, 笔者认为偏航轴承还存在以下几个方面的发展趋势:

(1) 大型风力发电机依旧以滑动轴承为主, 其滑动垫片的材料性能、粗糙度等方面的研究将逐渐加深;

(2) 滚动轴承利用润滑油进行润滑, 而润滑油的溢出将会影响风力发电机其他部件或污染环境, 且润滑油通路很大程度决定了轴承的润滑效果, 涉及滚动轴承的润滑油回收技术、润滑油内部通道的技术会日将增多;

(3) 众所周知, 目前的偏航系统多数仅存在单个轴承, 单个轴承承载同时承受较大的径向和轴向载荷, 改变单个轴承载荷的新型的偏航轴承支撑结构还有待进一步研究;

(4) 风力发电设备越来越多, 风力发电各组成部分的废旧部件的重复利用问题还有待研究。

参考文献

[1]杨晓蔚.风电产业、风电设备及风电轴承[J].轴承, 2009 (12) :54-59.