基于歐姆龍PLC的風(fēng)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)

　　作者：中國(guó)科學(xué)院電工研究所 李建林 張雷 鄂春良

　　摘要：在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變槳距控制技術(shù)關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，影響風(fēng)力機(jī)的使用壽命，通過(guò)控制槳距角使輸出功率平穩(wěn)、減小轉(zhuǎn)矩振蕩、減小機(jī)艙振蕩，不但優(yōu)化了輸出功率，而且有效的降低的噪音，穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出功率，改善槳葉和整機(jī)的受力狀況。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)比定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有更好的風(fēng)能捕捉特性，現(xiàn)代的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多采用變槳距控制。本文針對(duì)國(guó)外某知名風(fēng)電公司液壓變槳距風(fēng)力機(jī)，采用可編程控制器(PLC)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳距控制器。這種變槳控制器具有控制方式靈活，編程簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本文介紹了液壓變槳距系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)了變槳控制器的軟件系統(tǒng)。最后在國(guó)外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上做了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了將該變槳距控制器可以在變槳距風(fēng)力機(jī)上安全、穩(wěn)定運(yùn)行的。

　　關(guān)鍵詞：變槳距；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；可編程控制器

　　1引言

　　隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性顯得更加突出：既能提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的可靠性，又能保證高的風(fēng)能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線。采用變槳距機(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)可使葉輪重量減輕，使整機(jī)的受力狀況大為改善，使風(fēng)電機(jī)組有可能在不同風(fēng)速下始終保持最佳轉(zhuǎn)換效率，使輸出功率最大，從而提高系統(tǒng)性能。隨著風(fēng)電機(jī)組功率等級(jí)的增加，采用變槳距技術(shù)已是大勢(shì)所趨。目前變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有兩種：液壓變槳距和電動(dòng)變槳距，按其控制方式可分為統(tǒng)一變槳和獨(dú)立變槳兩種。在統(tǒng)一變槳基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的獨(dú)立變槳距技術(shù)，每支葉片根據(jù)自己的控制規(guī)律獨(dú)立地變化槳距角，可以有效解決槳葉和塔架等部件的載荷不均勻問(wèn)題，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、易于施加各種控制、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)的歡迎。

　　兆瓦級(jí)變速恒頻變槳距風(fēng)電機(jī)組是目前國(guó)際上技術(shù)比較先進(jìn)的風(fēng)力機(jī)型，從今后的發(fā)展趨勢(shì)看，必然取代定槳距風(fēng)力機(jī)而成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力機(jī)型。其中變槳距技術(shù)在變速恒頻風(fēng)力機(jī)研究中占有重要地位，是變速恒頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提條件。研究這種技術(shù)，提高風(fēng)電機(jī)組的柔性，延長(zhǎng)機(jī)組的壽命，是目前國(guó)外研究的熱點(diǎn)，但是國(guó)內(nèi)對(duì)此研究甚少，對(duì)這一前瞻性課題進(jìn)行立項(xiàng)資助，掌握具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的獨(dú)立變槳控制技術(shù)，對(duì)于打破發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的壟斷，促進(jìn)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

　　為了獲得足夠的起在變槳距系統(tǒng)中需要具有高可靠性的控制器，本文中采用了OMRON公司的CJ1M系列可編程控制器作為變槳距系統(tǒng)的控制器，并設(shè)計(jì)了PLC軟件程序，在國(guó)外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上作了實(shí)驗(yàn)。

　　2變槳距風(fēng)力機(jī)及其控制方式

　　變槳距調(diào)速是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的調(diào)速方式之一，如圖1所示為變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)圖。調(diào)速裝置通過(guò)增大槳距角的方式減小由于風(fēng)速增大使葉輪轉(zhuǎn)速加快的趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，變槳距液壓缸動(dòng)作，推動(dòng)葉片向槳距角增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)使葉片吸收的風(fēng)能減少，維持風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速減小時(shí)，實(shí)行相反操作，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪吸收的功率能基本保持恒定。液壓控制系統(tǒng)具有傳動(dòng)力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證更加快速、準(zhǔn)確地把葉片調(diào)節(jié)至預(yù)定節(jié)距[4][5]。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和運(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變距裝置大多采用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力系統(tǒng)。

圖1變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)圖

　　如圖2所示為變槳距控制器的原理框圖。在發(fā)動(dòng)機(jī)并入電網(wǎng)之前由速度控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)進(jìn)行變槳距控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速及風(fēng)速信號(hào)來(lái)確定槳葉處于待機(jī)或順槳位置；發(fā)動(dòng)機(jī)并入電網(wǎng)之后，功率控制器起作用，功率調(diào)節(jié)器通常采用PI（或PID）控制，功率誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算后得到槳距角位置。

圖2變槳距風(fēng)力機(jī)控制框圖

　　當(dāng)風(fēng)力機(jī)在停機(jī)狀態(tài)時(shí)，槳距角處于90°的位置，這時(shí)氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；當(dāng)風(fēng)力機(jī)由停機(jī)狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)時(shí)，槳距角由90°以一定速度（約1°/s）減小到待機(jī)角度（本系統(tǒng)中為15°）；若風(fēng)速達(dá)到并網(wǎng)風(fēng)速，槳距角繼續(xù)減小到3°（槳距角在3°左右時(shí)具有最佳風(fēng)能吸收系數(shù)）；發(fā)電機(jī)并上電網(wǎng)后，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，使槳距角保持在3°不變；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，根據(jù)功率反饋信號(hào)，控制器向比例閥輸出-10V－+10V電壓，控制比例閥輸出流量的方向和大小。變槳距液壓缸按比例閥輸出的流量和方向來(lái)操縱葉片的槳距角，使輸出功率維持在額定功率附近。若出現(xiàn)故障或有停機(jī)命令時(shí)，控制器將輸出迅速順槳命令，使得風(fēng)力機(jī)能快速停機(jī)，順槳速度可達(dá)20°/s。

　　3變槳控制器的設(shè)計(jì)

　　3.1系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　本文實(shí)驗(yàn)中采用國(guó)外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其額定功率550KW，采用液壓變槳系統(tǒng)，液壓變槳系統(tǒng)原理圖如圖３所示。從圖３中可以看出，通過(guò)改變液壓比例閥的電壓可以改變進(jìn)槳或退槳速度，在風(fēng)力機(jī)出現(xiàn)故障或緊急停機(jī)時(shí)，可控制電磁閥J-B閉合、J-A和J-C打開(kāi)，使儲(chǔ)壓罐1中的液壓油迅速進(jìn)入變槳缸，推動(dòng)槳葉達(dá)到順槳位置（90°）。

圖３.液壓變槳距控制系統(tǒng)原理圖

　　本系統(tǒng)中采用OMRON公司的CJ1M系列PLC。發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)由高速功率變送器以模擬量的形式（0～10V對(duì)應(yīng)功率0～800KW）輸入到PLC，槳距角反饋信號(hào)（0～10V對(duì)應(yīng)槳距角0～90°）以模擬量的形式輸入到PLC的模擬輸入單元；液壓傳感器1、2也要以模擬量的形式輸入。在這里選用了4路模擬量的輸入單元CJ1W-AD041；模擬量輸出單元選用CJ1W-DA021,輸出信號(hào)為-10V～+10V，將信號(hào)輸出到比例閥來(lái)控制進(jìn)槳或退槳速度；為了測(cè)量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，選用高速計(jì)數(shù)單元CJW-CT021，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過(guò)檢測(cè)與發(fā)電機(jī)相連的光電碼盤(pán)，每轉(zhuǎn)輸出10個(gè)脈沖，輸入給計(jì)數(shù)單元CJW-CT021。

　　3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的主要功能都是由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)滿足風(fēng)力機(jī)起動(dòng)條件時(shí)，PLC發(fā)出指令使葉片槳距角從90°勻速減?。划?dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后PLC根據(jù)反饋的功率進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，在額定風(fēng)速之下保持較高的風(fēng)能吸收系數(shù)，在額定風(fēng)速之上，通過(guò)調(diào)整槳距角使輸出功率保持在額定功率上。在有故障停機(jī)或急停信號(hào)時(shí)，PLC控制電磁閥J-A和J-C打開(kāi)，J-B關(guān)閉，使得葉片迅速變到槳距角為90°的位置。

　　風(fēng)力機(jī)起動(dòng)時(shí)變槳控制程序流程如圖4所示。當(dāng)風(fēng)速高于起動(dòng)風(fēng)速時(shí)PLC通過(guò)模擬輸出單元向比例閥輸出1.8V電壓，使葉片以0.9°/s的速度變化到15°。此時(shí)，若發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于800r/min或者轉(zhuǎn)速持續(xù)一分鐘大于700r/min，則槳葉繼續(xù)進(jìn)槳到3°位置。PLC檢測(cè)到高速計(jì)數(shù)單元的轉(zhuǎn)速信號(hào)大于1000r/min時(shí)發(fā)出并網(wǎng)指令。若槳距角在到達(dá)3°后2分鐘未并網(wǎng)則由模擬輸出單元給比例閥輸出-4.1V電壓，使槳距角退到15°位置。

圖4風(fēng)力機(jī)起動(dòng)變槳控制程序流圖

　　發(fā)電機(jī)并上電網(wǎng)后通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率，功率調(diào)節(jié)程序流程圖如圖5所示。當(dāng)實(shí)際功率大于額定功率時(shí)，PLC的模擬輸出單元CJ1W-DA021輸出與功率偏差成比例的電壓信號(hào)，并采用LMT指令使輸出電壓限制在-4.1V（對(duì)應(yīng)變槳速度4.6°/s）以內(nèi)。當(dāng)功率偏差小于零時(shí)需要進(jìn)槳來(lái)增大功率，進(jìn)槳時(shí)給比例閥輸出的最大電壓為1.8V（對(duì)應(yīng)變槳速度0.9°/s）。為了防止頻繁的往復(fù)變槳，在功率偏差在±10kW時(shí)不進(jìn)行變槳。

圖5變槳調(diào)功程序流程圖

　　在變槳距控制系統(tǒng)中，高風(fēng)速段的變槳距調(diào)節(jié)功率是非常重要的部分，若退槳速度過(guò)慢則會(huì)出現(xiàn)過(guò)功率或過(guò)電流現(xiàn)象，甚至?xí)龤Оl(fā)電機(jī)；若槳距調(diào)節(jié)速度過(guò)快，不但會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)節(jié)現(xiàn)象，使輸出功率波動(dòng)較大，而且會(huì)縮短變槳缸和變槳軸承的使用壽命。會(huì)影響發(fā)電機(jī)的輸出功率，使發(fā)電量降低。在本系統(tǒng)中在過(guò)功率退槳和欠功率進(jìn)槳時(shí)采用不同的變槳速度。退槳速度較進(jìn)槳速度大，這樣可以防止在大的陣風(fēng)時(shí)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)功率過(guò)高現(xiàn)象。

　　圖6為變槳距功率調(diào)節(jié)部分的梯形圖程序。100.08是啟動(dòng)功率調(diào)節(jié)命令，當(dāng)滿足功率調(diào)節(jié)條件時(shí)，繼電器100.08由0變?yōu)?；D2100存放的是發(fā)動(dòng)機(jī)額度功率與實(shí)際功率的偏差，當(dāng)偏差ΔP滿足-10kW<ΔP<10kW時(shí)將0賦給D2100；60.07為1時(shí)即功率偏差為負(fù)值，D2100中的功率偏差按一定比例進(jìn)行縮放，并通過(guò)LMT指令限位輸出到比例閥，輸出的最小值對(duì)應(yīng)-4.1V電壓；若繼電器60.07為0，即功率偏差為正值，將D2100的值通過(guò)SCL3指令按比例系數(shù)縮放，并通過(guò)LMT指令輸出到比例閥，輸出的電壓最大值為1.8V。

圖6變槳距功率調(diào)節(jié)程序

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　采用OMRON公司的CJ1M系列PLC作為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距系統(tǒng)的控制器，已經(jīng)在廣東南澳島的國(guó)外某知名風(fēng)電公司型變槳距風(fēng)力機(jī)上作了實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)記錄表明，采用這種PLC控制系統(tǒng)可以使風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行，在出現(xiàn)停機(jī)故障時(shí)可以迅速順槳停機(jī)；運(yùn)行時(shí)滿足功率最優(yōu)的原則，在額定風(fēng)速之下時(shí)槳距角保持在3°不變，在高風(fēng)速時(shí)能夠根據(jù)輸出功率調(diào)整槳距角的位置，使輸出功率維持在550kW左右，在高風(fēng)速陣風(fēng)時(shí)，功率波動(dòng)不超過(guò)額定功率的10%，滿足設(shè)計(jì)要求。由于變槳距系統(tǒng)中采用了PLC作為控制器，使得該系統(tǒng)僅用簡(jiǎn)單的軟件程序就完成了復(fù)雜的邏輯控制，而且抗干擾能力強(qiáng)，性能可靠。

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