張博智+王國良+許耀劍

【摘 要】作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率，重則影響風(fēng)輪葉片的安全，無論何種情況都會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。而現(xiàn)實(shí)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于塔筒很高、肉眼誤差很大，工作人員很難及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)故障報(bào)警裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī)；偏航系統(tǒng)；故障報(bào)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(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域熱度與日俱增。我國風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電市場十分巨大。據(jù)BTM統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到199.5GW，年累計(jì)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(jī)18.9GW，累計(jì)裝機(jī)達(dá)44.73GW，超過美國躍居世界第一，到2010年底中國風(fēng)電發(fā)電量為50.1TWh [1-3]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，機(jī)械能帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終輸出交流電的電力設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般有風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)向器、塔架、限速安全機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)能裝置等構(gòu)件組成。風(fēng)電產(chǎn)生的最主要設(shè)備既是風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)中水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)主要部分就是偏航系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)有主動(dòng)偏航和被動(dòng)偏航，主動(dòng)偏航既是風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)有自己的液壓伺服機(jī)構(gòu)或者電動(dòng)機(jī)與齒輪構(gòu)成的電伺服機(jī)構(gòu)來使風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)，多見于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，被動(dòng)偏航則是由尾舵產(chǎn)生力矩來使風(fēng)力機(jī)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。無論是主動(dòng)偏航還是被動(dòng)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(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)發(fā)現(xiàn)故障而造成的損失，避免大的損失的一個(gè)方法既是及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，本文提出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)故障報(bào)警裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)是否出現(xiàn)了故障，并給出信號(hào)。

1.系統(tǒng)介紹

風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)故障報(bào)警裝置的核心是單片機(jī)，選擇使用8位的STC89C52單片機(jī)，8位單片機(jī)已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)故障檢測要求。STC89C52單片機(jī)增加了四個(gè)外圍裝置，分別是PCF8591AD轉(zhuǎn)換模塊、0～2伏模擬電壓輸出風(fēng)速傳感器、0～2伏模擬電壓輸出風(fēng)向傳感器、8位共陰極數(shù)碼管。此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)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(bào)警裝置以STC89C52單片機(jī)為核心，還有風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)采集單元、AD轉(zhuǎn)換單元、結(jié)果輸出單元、電源。各個(gè)模塊的連接如圖1所示。

風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器組成了信號(hào)采集單元，PCF8591作為A/D轉(zhuǎn)換模塊，STC89C52單片機(jī)是核心，單片機(jī)接收了風(fēng)速和風(fēng)向信息后經(jīng)過內(nèi)部的算法判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、為兩個(gè)傳感器供電的電源放在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙內(nèi)，A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)、單片機(jī)電源、單片機(jī)程序?qū)懭攵丝?、?shù)碼管放在風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)、所處的不同環(huán)境進(jìn)行改寫。

1.2信號(hào)采集與A/D轉(zhuǎn)換

信號(hào)采集單元由風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器組成，風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器均由5伏直流電供電，信號(hào)輸出都是0～2伏電壓信號(hào)。這兩種傳感器都安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙頂部，風(fēng)速傳感器安裝在機(jī)艙頂部測得風(fēng)速更接近流經(jīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)速，風(fēng)向傳感器安裝在機(jī)艙頂部更方便測得風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪朝向與風(fēng)向之間的夾角，因?yàn)轱L(fēng)向傳感器的風(fēng)舵是和風(fēng)向一致的，而風(fēng)向傳感器的底座又是和風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙固定在一起，所以風(fēng)向傳感器的底座朝向可以代替風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)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(gè)模擬輸入（AIN0、AIN1、AIN2、AIN3）、1 個(gè)模擬輸出（AOUT）和 1個(gè)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(fēng)速傳感器，模擬輸入口AIN1接風(fēng)向傳感器，PCF8591的GND和VCC口分別和單片機(jī)的GND和VCC口相接，PCF8591的SCL和SDA口分別和單片機(jī)的P2.0和P2.1口相接。

1.3單片機(jī)與數(shù)碼管

單片機(jī)采用的是STC89C52單片機(jī)，STC89C52有8KB的ROM，256字節(jié)的RAM，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷源，一個(gè)8位CPU，4個(gè)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(gè)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(gè)8位共陰極數(shù)碼管。

1.4電源

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

2.算法設(shè)計(jì)

算法流程如下圖2.

風(fēng)速傳感器首先會(huì)采集風(fēng)速信息，并將信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)判斷風(fēng)速是否在切出風(fēng)速以內(nèi)，風(fēng)向傳感器再采集風(fēng)輪與風(fēng)向之間夾角信息，單片機(jī)再根據(jù)風(fēng)速判斷風(fēng)輪與風(fēng)向之間的夾角是否合適，以上過程即判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)應(yīng)關(guān)系如下。

顯示0：沒有故障

顯示1：風(fēng)速在切出風(fēng)速以內(nèi)，偏航系統(tǒng)并沒有做出正確調(diào)整使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向endprint

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

這樣無論風(fēng)速是否在切出風(fēng)速以內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)只會(huì)在其中一種狀態(tài)，即數(shù)碼管上只會(huì)顯示一個(gè)類型碼。

完成一次檢測后算法會(huì)回到起始位置再次進(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)依然會(huì)被檢測出來，如果故障排除了在下一輪檢測時(shí)故障檢測裝置會(huì)恢復(fù)顯示0代表沒有故障。

3.硬件設(shè)計(jì)

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

3.1 單片機(jī)與PCF8591AD轉(zhuǎn)換器之間的通信

單片機(jī)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(hào)，單片機(jī)通過P2.1口接受信號(hào)。PCF8591上的SCL引腳為IIC時(shí)鐘接口，單片機(jī)通過P2.0口向PCF8591傳遞時(shí)鐘信號(hào)。

3.2單片機(jī)與程序?qū)懭胄酒珻H340G之間的通信

單片機(jī)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(jī)的RXD引腳相連，CH340G的RxD引腳與單片機(jī)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(jī)寫入程序。圖5中還展示了單片機(jī)的晶振電路、復(fù)位電路和P0口的上拉電阻。

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3。

A：風(fēng)向傳感器

B：傳感器供電電源

C：風(fēng)速傳感器

D：單片機(jī)供電電源

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

4.結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)故障報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)簡單，并且可以根據(jù)不同的風(fēng)力場和不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)隨時(shí)進(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)上一樣可以安裝使用，只需在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙頂部安裝風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器，單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)碼管安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒基部，方便查看檢測結(jié)果。其次由于傳感器采用單獨(dú)供電，所以只需兩根信號(hào)線從機(jī)艙延伸到塔筒基部，一定程度上節(jié)約了導(dǎo)線成本。最主要的是該裝置能夠有效地檢測出風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)損失，保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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