風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)故障報警裝置

張博智+王國良+許耀劍

【摘 要】作為風力發(fā)電機的重要組成部分——“偏航系統(tǒng)”的工作是否正常直接關(guān)乎到風力發(fā)電機的工作是否正常甚至安全。一旦偏航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕則影響風力發(fā)電機的工作效率，重則影響風輪葉片的安全，無論何種情況都會造成經(jīng)濟損失。而現(xiàn)實中風力發(fā)電機由于塔筒很高、肉眼誤差很大，工作人員很難及時準確地發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，本文設計了一種風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)故障報警裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)實時準確檢測偏航系統(tǒng)，在地面查看顯示裝置即可獲取檢測結(jié)果，幫助工作人員獲取風力發(fā)電機組關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】風力發(fā)電機；偏航系統(tǒng)；故障報警

引言

在全球能源供需愈來愈緊張，傳統(tǒng)能源即將枯竭的大環(huán)境下，國際風力發(fā)電領(lǐng)域熱度與日俱增。我國風能資源豐富，風電市場十分巨大。據(jù)BTM統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2010年全球風電累計裝機容量達到199.5GW，年累計增速為25%，中國、美國、德國、西班牙、印度依次位居全球前五名，到2010年底，中國新增裝機18.9GW，累計裝機達44.73GW，超過美國躍居世界第一，到2010年底中國風電發(fā)電量為50.1TWh [1-3]。風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換成機械能，機械能帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終輸出交流電的電力設備。風力發(fā)電機一般有風輪、發(fā)電機、調(diào)向器、塔架、限速安全機構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件組成。風電產(chǎn)生的最主要設備既是風力發(fā)電機，而風力發(fā)電機中水平軸的風力發(fā)電機應用最為廣泛，水平軸風力發(fā)電機的一個主要部分就是偏航系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)有主動偏航和被動偏航，主動偏航既是風力發(fā)電機會有自己的液壓伺服機構(gòu)或者電動機與齒輪構(gòu)成的電伺服機構(gòu)來使風力機對風，多見于大型風力發(fā)電系統(tǒng)，被動偏航則是由尾舵產(chǎn)生力矩來使風力機對準風向。無論是主動偏航還是被動偏航，一旦偏航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕則影響發(fā)電效率，重則會造成風力發(fā)電機的損壞。而有不少情況是偏航系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，但是并沒有及時發(fā)現(xiàn)故障而造成的損失，避免大的損失的一個方法既是及時發(fā)現(xiàn)故障，本文提出的風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)故障報警裝置能實時監(jiān)測風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)是否出現(xiàn)了故障，并給出信號。

1.系統(tǒng)介紹

風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)故障報警裝置的核心是單片機，選擇使用8位的STC89C52單片機，8位單片機已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)故障檢測要求。STC89C52單片機增加了四個外圍裝置，分別是PCF8591AD轉(zhuǎn)換模塊、0～2伏模擬電壓輸出風速傳感器、0～2伏模擬電壓輸出風向傳感器、8位共陰極數(shù)碼管。此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)實時檢測偏航系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

故障報警裝置以STC89C52單片機為核心，還有風速風向信號采集單元、AD轉(zhuǎn)換單元、結(jié)果輸出單元、電源。各個模塊的連接如圖1所示。

風速傳感器和風向傳感器組成了信號采集單元，PCF8591作為A/D轉(zhuǎn)換模塊，STC89C52單片機是核心，單片機接收了風速和風向信息后經(jīng)過內(nèi)部的算法判斷風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)是否有故障，并將判斷結(jié)果輸出到數(shù)碼管上，數(shù)碼管既是結(jié)果輸出單元。其中的風速傳感器、風向傳感器、為兩個傳感器供電的電源放在風力發(fā)電機的機艙內(nèi)，A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機、單片機電源、單片機程序?qū)懭攵丝凇?shù)碼管放在風力發(fā)電機塔筒的基部，方便修改程序和查看檢測結(jié)果。檢測程序可由工作人員根據(jù)不同的風力發(fā)電機、所處的不同環(huán)境進行改寫。

1.2信號采集與A/D轉(zhuǎn)換

信號采集單元由風速傳感器和風向傳感器組成，風速傳感器和風向傳感器均由5伏直流電供電，信號輸出都是0～2伏電壓信號。這兩種傳感器都安裝在風力發(fā)電機機艙頂部，風速傳感器安裝在機艙頂部測得風速更接近流經(jīng)風力發(fā)電機風輪旋轉(zhuǎn)面的風速，風向傳感器安裝在機艙頂部更方便測得風力發(fā)電機風輪朝向與風向之間的夾角，因為風向傳感器的風舵是和風向一致的，而風向傳感器的底座又是和風力發(fā)電機機艙固定在一起，所以風向傳感器的底座朝向可以代替風力發(fā)電機風輪朝向信息。A/D轉(zhuǎn)換采用的是PCF8591，由3.3～5伏直流電供電，PCF8591是8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器，PCF8591具有 4 個模擬輸入（AIN0、AIN1、AIN2、AIN3）、1 個模擬輸出（AOUT）和 1個串行I2C總線接口，其中電壓輸入范圍為0～5伏。模擬輸入口AIN0接風速傳感器，模擬輸入口AIN1接風向傳感器，PCF8591的GND和VCC口分別和單片機的GND和VCC口相接，PCF8591的SCL和SDA口分別和單片機的P2.0和P2.1口相接。

1.3單片機與數(shù)碼管

單片機采用的是STC89C52單片機，STC89C52有8KB的ROM，256字節(jié)的RAM，3個定時/計數(shù)器，6個中斷源，一個8位CPU，4個8位并行I/O端口[4]。I/O端口只用到了P0口、P2.0、P2.1和P1.0，其中P0的8個端口經(jīng)上拉電阻與數(shù)碼管的ABCDEFGdp口接，P1.0口與數(shù)碼管的共陰端口接，P2.1口與PCF8591的SDA口接，P2.0口與PCF8591的SCL口接。數(shù)碼管選用的是一個8位共陰極數(shù)碼管。

1.4電源

風速傳感器、風向傳感器、PCF8591AD轉(zhuǎn)換器和單片機均由5伏直流電供電。其中風速傳感器和風向傳感器共用一個5伏電源，PCF8591AD轉(zhuǎn)換器由單片機上5伏VCC引腳供電，單片機由5伏電源供電。其中單片機供電和程序?qū)懭牍灿猛粭l線路。

2.算法設計

算法流程如下圖2.

風速傳感器首先會采集風速信息，并將信息傳給單片機，單片機判斷風速是否在切出風速以內(nèi)，風向傳感器再采集風輪與風向之間夾角信息，單片機再根據(jù)風速判斷風輪與風向之間的夾角是否合適，以上過程即判斷風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)是否有故障，并將判斷結(jié)果以類型碼的形式顯示在數(shù)碼管上。判斷結(jié)果與類型碼對應關(guān)系如下。

顯示0：沒有故障

顯示1：風速在切出風速以內(nèi)，偏航系統(tǒng)并沒有做出正確調(diào)整使風輪對準風向endprint

顯示2：風速超過切出風速，偏航系統(tǒng)并沒有做出正確動作使風輪與風向之間夾角合適

這樣無論風速是否在切出風速以內(nèi)風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)只會在其中一種狀態(tài)，即數(shù)碼管上只會顯示一個類型碼。

完成一次檢測后算法會回到起始位置再次進行新一輪的檢測，這樣就保證了故障檢測裝置一直在監(jiān)視風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，如果故障沒有排除在下一輪檢測時依然會被檢測出來，如果故障排除了在下一輪檢測時故障檢測裝置會恢復顯示0代表沒有故障。

3.硬件設計

該裝置主要存在單片機與PCF8591AD轉(zhuǎn)換器之間、單片機與程序?qū)懭胄酒珻H340G之間的通信。

3.1 單片機與PCF8591AD轉(zhuǎn)換器之間的通信

單片機與PCF8591AD轉(zhuǎn)換器之間采用串行通信，PCF8591通過I2C 總線（SDA引腳）串行輸出信號，單片機通過P2.1口接受信號。PCF8591上的SCL引腳為IIC時鐘接口，單片機通過P2.0口向PCF8591傳遞時鐘信號。

3.2單片機與程序?qū)懭胄酒珻H340G之間的通信

單片機與程序?qū)懭胄酒珻H340G之間同樣采用串行通信，CH340G的TxD引腳與單片機的RXD引腳相連，CH340G的RxD引腳與單片機的TXD引腳相連，CH340G的D+引腳與D-引腳即是與USB接口連接，USB接口即與電腦連接，這樣即可由電腦通過USB接口，再經(jīng)過CH340G向單片機寫入程序。圖5中還展示了單片機的晶振電路、復位電路和P0口的上拉電阻。

系統(tǒng)實物圖如圖3。

A：風向傳感器

B：傳感器供電電源

C：風速傳感器

D：單片機供電電源

E：單片機、數(shù)碼管、CH340G、PCF8591AD轉(zhuǎn)換器

4.結(jié)論

風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)故障報警裝置結(jié)構(gòu)簡單，并且可以根據(jù)不同的風力場和不同的風力發(fā)電機隨時進行程序參數(shù)的更改。該裝置安裝簡單，并且在已經(jīng)安裝好的風力發(fā)電機上一樣可以安裝使用，只需在風力發(fā)電機機艙頂部安裝風速傳感器和風向傳感器，單片機、A/D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)碼管安裝在風力發(fā)電機塔筒基部，方便查看檢測結(jié)果。其次由于傳感器采用單獨供電，所以只需兩根信號線從機艙延伸到塔筒基部，一定程度上節(jié)約了導線成本。最主要的是該裝置能夠有效地檢測出風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)是否出現(xiàn)了故障，方便維修，避免了更大故障的出現(xiàn)，減少了一定的經(jīng)濟損失，保證了風力發(fā)電機的安全運行。

參考文獻：

[1]程明，張建忠，王念春.可再生能源發(fā)電技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.2.

[2]崔民選.能源藍皮書—中國能源發(fā)展報告2009[M].北京：中國社會科學文獻出版社，2009.

[3]李俊峰，蔡豐波，等.風光無限-中國風電發(fā)展報告2011[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2011.

[4]張穎，羅曉.單片微機應用技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2013.2.endprint