CP=0．593，说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率Pmax为风吹过叶片扫掠面积S的风能的59．3％。贝茨理论说明理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3％。通常风轮机风轮叶片接受风能的效率达不到59．3％，一般根据叶片的数量、叶片的翼形、功率等情况取0.25-0.45。
4.1.2 风力发电机特性系数
贝茨理论提供了风能的基本理论，但在讨论风轮机的能量转换与控制时有几个特性系数具有特别重要的意义。
（1）风能利用系数CP
风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度可以用风能利用率系数CP表示
P (4-16) Cp?13?v1S2（2）叶尖速比?
为了表示风轮在不同的风速中的状态用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量称为叶尖速比?
2?RnwR? (4-17) vv??低速风轮?取较小值；高速风轮?取较大值。 （3）转矩系数CT和推力系数CF
为了便于把气流作用下的风轮机产生的转矩和推力进行比较常以?为变量作成转矩和推力的变化曲线，因此转矩和推力也要无因次化。 T2TCT??2 (4-18)
12?vSR?vSR2F2FCF??2 (4-19)
12?vS?vS2
在低风速时，桨叶节距角可以转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩，起动容易。当发电机组需要脱网时，可以先转动叶片使之减小功率。在机组与电网断开之前，使之输出功率减小到0，对电网的冲击最小。当有紧急情况需要停机时，通过变桨机构可以使桨叶迅速调节到顺桨位置，起到气动刹车的作用，使发电机组迅速停下来。风力发电机组起动时，调节桨叶由顺桨位置（90度）到0度，风机叶轮速度不断上升，当发电机转速达到700rpm时，主控制发出并网指令，由变频器输出一定频率和幅值的正序励磁电流，使得发电机定子输出电压与电网电压等幅值同相位，然后控制并网接触器并网。并网成功后，由变换器返回一个并网成功信号给主控制器。
并网成功后，在额定风速以下，由主控制器对发电机组的转速进行控制，桨距角保持0度不变。额定风速以上，调节桨距角限制风力机接受的风能的增大，限制发电机转速的增加，通过改变桨距角来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。
4.2变桨距控制电路设计
变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小，通过伺服驱动器控制伺服电机，伺服电机连接齿轮，从而完成调节调整桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，通过调节桨距角，增大叶片迎风面积；若输出功率大于额定功率，调节桨距角，减小叶片迎风面积。当发电机输出功率达到额定功率，则无相应的动作。通过变桨距的调节，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。
本设计根据发电机测速传感器的信号及风力大小传感器传递的信号，送至PLC进行分析，若发现发电机转速小于额定转速，即功率未达到额定功率，则控制桨距角在0度，当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化，使发电机的输出功率保持在额定功率。伺服驱动器与电机型号都与偏航控制电路所选类型相
同，因此电路图如图4-2所示。
L1 L2 L3 FU3QF3来自PLC输出接口
L1 L2 L3 OV PULS_ DIR_ U V W PULS_ DIR_ 24V FR3M3M~
图4-2 变桨距控制电路图
5偏航系统程序设计
5.1 偏航控制系统硬件设计及选型
风力机的偏航系统由偏航检测机构、偏航控制机构和偏航驱动机构三大部分组成，其中偏航检测机构包括：风传感器、机舱位置传感器；偏航控制机构包括：偏航控制器、变频器；机械驱动机构包括：偏航轴承、偏航润滑系统、偏航驱动装置、偏航制动器。
5.1.1偏航检测机构
风向信号作为偏航控制系统中最关键的输入信号，对其准确的测量将影响整个控制系统的性能。风作为矢量，既有大小，又有方向，其测量包括风向和风速两项。设计中测风感器采用的Thies Clima公司测风传感器，风向传感器型号：4.3519.00.141。风速传感器型号：4. 3129.60.141。
由于风力机总是选择最短距离最短时间内偏航对风，由于风向的变化随意性，风力机有可能长时间往一个方向偏航对风，这样就会造成电缆的缠绕，如果缠绕圈过多，超过了规定值，将造成电缆的损坏。为了防止这种现象的发生，通常安装有机舱位置编码器。设计中采用了绝对值编码器，选型为HEIDENHAIN公司ROQ425的绝对型多转编码器。
5.1.2 偏航控制机构
偏航控制平台拥有四层结构,包括网络层,主站层,从站层和现场层。网络层通过TCP/IP协议可以实现远程操作、资源共享及网络化;主站层由嵌入式PC、电源模块 、现场总线模块以及其他I/O模块等组成，完成对整个系统的控制；从站层是智能化I/O模块，带内置Profibus-DP接口的总线耦合器，完成现场数据采集、数据交换、控制信号输出等功能;现场层由变频器、偏航电机、风向传感器及电磁阀等组成，完成物理量的检测与变送、接收并执行控制量、实现对偏航电机的控制。偏航控制平台结构图如图1.1所示。控制器和通讯模块配置数量如表5.1所示。
表5.1 控制器和通讯模块置表 名称 控制器 PROFIBUS 现场总线主站接口 电源模块 数字量输入模块 数字量输出模块 总线耦合器 安全总线端子模块 SSI 编码器接口模块 模拟量输入模块 总线末端模块 型号 CX1020-0000 CX1500-M310 CX1100-0002 KL1408 KL2134 BK3150 KL1904 KL5001 KL3122 KL9010 数量 1 1 1 1 3 1 1 1 1 2 这些功能模块可以通过现场总线Profibus-DP与上位机进行通信及数据交换；接收控制量，并将控制量送给控制对象的执行机构；采集现场过程值送入上位机运算，
实现实时控制等功能。
中央监控计算机工业以太网现场总线主站接口控制器电源模块数字量输入模块CX1500-M310CX1020-0000CX1100-0002KL1408数字量输出模块KL2134总线末端模块KL9010手动控制Profibus DP 通信状态显示总线耦合器BK3150模拟量输入模块KL3122编码器接口模块KL5001数字量输出模块安全总线端子模块总线末端模块KL2134KL1904KL9010风向、风速传感器Profibus DP 通信位置编码器接触器故障检测装置变频器异步电机控制对象
图5.1 偏航控制平台结构图
为了使偏航系统达到很好的控制效果，为避免在不同的风速下风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振，设计中选用的变频器，实现了在不同风速下的变频控制，风速与频率对应的关系曲线如图5.2
图5.2 风速与频率对应的关系曲线
设计中选用了SINAMICS G120变频器，该变频器是一个由多种不同功能单元组成的模块化变频器。两种主要的单元是：控制单元（CU）、功率模块（PM）。在设计中选用CU240S DP-F型号的控制单元。功率模块选用了PM240功率模块具体型号为