【導(dǎo)讀】 1 袁莁蒄蚈膀蒀薆袃肆蒀蠆蚆葿莈袂袈蒈薁蚅芆蕆蚃羀膂蒆螅螃肈蒅蒅羈羄肂薇螁袀肁蠆羇腿膀荿蝿肅腿蒁羅羈膈蚄螈羇膈螆蟻芆膇蒆袆膂膆薈蠆肈膅蝕襖羄膄莀蚇衿芃蒂袃膈節(jié)薅蚅肄節(jié)螇袁肀芁蒆螄羆芀蕿罿袂艿蟻螂膁羋莁羇肇芇蒃螀羃莆薅羆衿莆蚈蝿膇蒞莇薁膃莄薀袇聿莃螞蝕羅莂莂裊袁莁蒄蚈膀蒀薆袃肆蒀蠆蚆葿莈袂袈蒈薁蚅芆蕆蚃羀膂蒆螅螃肈蒅蒅羈羄肂薇螁袀肁蠆羇腿膀荿蝿肅腿蒁羅羈膈蚄螈羇膈螆蟻芆膇蒆袆膂膆薈蠆肈膅蝕襖羄膄莀蚇衿芃蒂袃膈節(jié)薅蚅肄節(jié)螇袁肀芁蒆螄羆芀蕿罿袂艿蟻螂膁羋莁羇肇芇蒃螀羃莆薅羆衿莆蚈蝿膇蒞莇薁膃莄薀袇聿莃螞蝕羅莂莂裊袁莁蒄蚈膀蒀薆袃肆蒀蠆蚆葿莈袂袈蒈薁蚅芆蕆蚃羀膂蒆螅螃肈蒅蒅羈羄肂薇螁袀肁蠆羇腿膀荿蝿肅腿蒁羅羈膈蚄螈羇膈螆蟻芆膇蒆袆膂膆薈蠆肈膅蝕襖羄膄莀蚇衿芃蒂袃膈節(jié)薅蚅肄節(jié)螇袁肀芁蒆螄羆芀蕿罿袂艿蟻螂膁羋莁羇肇芇蒃螀羃莆薅羆衿莆蚈蝿膇蒞莇薁膃莄薀袇聿莃螞蝕羅莂莂裊袁莁蒄蚈膀蒀薆袃肆蒀蠆蚆葿莈

　　

【正文】 統(tǒng)的控制器，并設(shè)計(jì)了 PLC 軟件程序， 20 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)電機(jī)組及其控制策略 變槳距調(diào)節(jié)是沿槳葉的縱軸旋轉(zhuǎn)葉片，控制風(fēng)輪的能量吸收，保持一定的輸出功率。如圖 1 所示為變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理圖。變槳距控制的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)組起動(dòng)性能好，輸出功率穩(wěn)定，停機(jī)安全等；其缺點(diǎn)是增加了變槳距裝置，控制復(fù)雜。 圖 1 變槳距風(fēng)電機(jī)組原理圖 在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的初期，設(shè)計(jì)人員就考慮到了變槳距控制，但是由于對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)特性和風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況認(rèn)識(shí)不足，控制技術(shù)還不成熟，風(fēng)力機(jī)的變槳距機(jī)構(gòu)可靠性不能滿足運(yùn)行要求，經(jīng)常出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。直到 20 世紀(jì) 90年代變槳距風(fēng)力機(jī)才得到廣泛的應(yīng)用。目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用變槳距控制技術(shù)，例如， VESTAS 的 、 V802MW，ENERCON 的 、 E581MW， ENRON Wind 的 ， NORDEX 的S77/1500KW 等都采用變槳距結(jié)構(gòu)。 定槳距控制，風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生失速效應(yīng)使高風(fēng)速時(shí)功率不增大，但由于失速點(diǎn)的設(shè)計(jì)，很難保證風(fēng)力機(jī)在失速后能維持輸出額定功率，所以一般失速后功率小于額定功率 [1][4]；而變槳距風(fēng)力機(jī)可以根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)節(jié)氣流對(duì)葉片的功角，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，輸出功率可以穩(wěn)定在額定功率上。如圖 2所示為定槳距風(fēng)力機(jī)和變槳距風(fēng)力機(jī)的輸出功率比較曲線。在出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)的時(shí)，可以使葉片處于順槳，使整個(gè)風(fēng)力機(jī)的受力情況大為改善，可以避 免大風(fēng)損害風(fēng)力機(jī)組。在緊急停機(jī)或有故障時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)可以使葉片迅速順槳到 90176。，風(fēng)輪速度降低，減小風(fēng)力機(jī)負(fù)載的沖擊，延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。 21 圖 2 變槳距和定槳距風(fēng)力機(jī)的功率曲線 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。隨著變槳距風(fēng)力機(jī)的廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者和 研究人員投入了變槳距控制技術(shù)及變槳距風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的研究。目前人們主要致力于通過(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)艙振蕩等技術(shù)的研究。 Vestas公司推出了 OpiTip（最佳槳距角）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，不但優(yōu)化了輸出功率，而且有效的降低的噪音。 3． 3 液壓變槳機(jī)構(gòu)與電動(dòng)變槳機(jī)構(gòu)原理 如圖 3 所示為液壓變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理圖，槳葉通過(guò)機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)與液壓缸相連接，節(jié)距角的變化同液壓缸位移成正比。當(dāng)液壓缸活塞桿向左移動(dòng)到最大位置時(shí)，節(jié)距角為 90176。，而活塞桿向右移動(dòng)最大位置時(shí)，節(jié)距角一般為 5176。液壓缸的位移由電液 比例閥進(jìn)行精確控制。在負(fù)載變化不大的情況下，電液比例方向閥的輸入電壓與液壓缸的速度成正比，為進(jìn)行精確的液壓缸位置控制，必須引入液壓缸位置檢測(cè)與反饋控制。 22 PLC 圖 3 液壓變槳機(jī)構(gòu)框圖 電機(jī)變槳距控制機(jī)構(gòu)可對(duì) 每個(gè)槳葉采用一個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，如圖 4 所示。伺服電機(jī)通過(guò)主動(dòng)齒輪與槳葉輪毅內(nèi)齒圈相嚙合，直接對(duì)槳葉的節(jié)距角進(jìn)行控制。位移傳感器采集槳葉節(jié)距角的變化與電機(jī)形成閉環(huán) PID負(fù)反饋控制。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制電源斷電時(shí)，槳葉控制電機(jī)由 UPS 供電，將槳葉調(diào)節(jié)為順槳位置。 圖 4 電動(dòng)變槳距系統(tǒng)原理圖 隨著 風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力機(jī)已經(jīng)朝著大型化方向發(fā)展。兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)已經(jīng)成為市場(chǎng)上的主流機(jī)型，在國(guó)外的海上風(fēng)電場(chǎng)廣泛采用 25MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前的變槳距風(fēng)力機(jī)大多采用三個(gè)槳葉統(tǒng)一控制的方式，即三個(gè)槳葉變換是一致的。但由于現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)葉片比較大，一般幾十米甚至上百米，所以整個(gè)風(fēng)輪掃過(guò)面上的風(fēng)速并不均勻，由此會(huì)產(chǎn)生葉片的扭矩波動(dòng)并影響到風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械應(yīng)力及疲勞壽命；此外，由于葉片尺寸較大，每個(gè)葉片有十幾噸甚至幾十噸重，葉片在運(yùn)行的不同位置受力狀況也是不一樣的，故葉片重力對(duì)風(fēng)輪力矩的影響也是不能忽略的 。顯然對(duì)三個(gè)葉片進(jìn)行獨(dú)立控制更加合理。通過(guò)獨(dú)立變槳控制，可以大大減小風(fēng)力機(jī)葉片負(fù)載的波動(dòng)及轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，進(jìn)而減小了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和齒 23 輪箱的疲勞度以及塔架的振動(dòng)，而輸出功率能基本恒定在額定功率附近。 3． 4 電動(dòng)變槳控制器的設(shè)計(jì) 一 . 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 本文實(shí)驗(yàn)中采用的電動(dòng)獨(dú)立變槳距系統(tǒng)由交流伺服系統(tǒng)、伺服電機(jī)、后備電源、輪轂主控構(gòu)成。電動(dòng)變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。系統(tǒng)參數(shù)與接口的設(shè)計(jì)依據(jù)為 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)。 PLC 圖 5 電動(dòng)獨(dú)立變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 24 圖 6 電動(dòng)獨(dú)立變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2 本文中的風(fēng)電系統(tǒng)涉及風(fēng)速、風(fēng)向、振動(dòng)加速、振動(dòng)開關(guān)、偏航、剎車液壓系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓、溫度等等信號(hào)。其中，輸入數(shù)字量約 7080 路；模擬量約 10 路；溫度量約 16 路；輸出數(shù)字量約 32路；此外，還需要用到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量高速計(jì)數(shù)信號(hào)。為了滿足需求，采用了羅克韋爾 SLC 500 系列 PLC。 SLC 500 有多款不同容量和內(nèi)置通訊接口的處理器可選。提供最大容量最多可達(dá) 64K字（ 128K字節(jié)）的數(shù)據(jù) /程序內(nèi)存， SLC 500的模塊化I/O 系統(tǒng)提供了包括開關(guān)量、模擬量和專用模塊在內(nèi)的 60 多種 I/O 模塊。 SLC500 系列處理器的程序和數(shù)據(jù)是以文件的形式在內(nèi)存中存儲(chǔ)的。處理器文件分為程序文件和數(shù)據(jù)文件 ,程序文件可高達(dá) 256 個(gè) ,包括處理器信息、梯形圖主程序、中斷子程序及其他用戶根據(jù)需要編制的子程序文件 。數(shù)據(jù)文件包括與外部 I/O及所有梯形圖程序使用的與指令相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。它包含 輸出 /輸入、狀態(tài)、位、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、控制結(jié)構(gòu)、整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符串、 ASCII碼文件 ,用戶可以根 據(jù)需要定義除輸出 /輸入和狀態(tài)文件以外的可達(dá) 256 個(gè)數(shù)據(jù)文件。 此外，SLC500控制系統(tǒng)還提供 50 多種不同的 I/O模塊滿足用戶的不同需 求。本地模塊采用硬件尋址方式 ,程序邏輯可直接存取 I/O數(shù)據(jù)。 （ 1 ）開關(guān)量 I/O 模塊。包括各種輸入 /輸出 方式和不同的 I/O點(diǎn)數(shù) ,有 16 和 32 點(diǎn)開關(guān) 量 I/O模塊及 12 和 16點(diǎn) I/O 混合模塊等 ,可 與不同電壓等級(jí)的交流、直流和 TTL 電平連接。 其中有負(fù)載電流達(dá) 2 A 和 2. 5 A 的大電流繼電器模塊、固態(tài)輸出模塊和最大接通信號(hào)延遲時(shí)間只 有 0. 3 ms、最大關(guān)斷信號(hào)延遲時(shí)間只有 0. 5 ms 的快速響應(yīng)直流輸入模塊。為提高工業(yè)應(yīng)用的可靠 性 ,這些模塊都提供了 輸入濾波和光電隔離功能。 16 點(diǎn) I/O 模塊上還有可拆卸的接線端子排 ,使接 線和更換模塊更容易。 （ 2）模擬量 I/O模塊。 SLC500系列模擬量 （ 模塊有 4路 I/O、 4路混合 I/O 2 路輸入 /2路輸 ） 出 模塊和高密度的 8 路輸入模塊及快速響應(yīng)模 塊等。輸入模塊都采用差分輸入 ,每路通道可單 獨(dú)配置成不同等級(jí)的電流或電壓輸入方式 ,最高 輸入分辨率可達(dá) 16 bit 精度。具有輸入濾波 ,對(duì) 電氣噪聲具有高度的防護(hù)能力。輸出通道的精度都是 14 bit,提供精確的控制能力。 SLC500 系列 模擬量 I/O 模塊可以選擇由框架的背板供電 ,不需外部電源。 系統(tǒng)中，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～ 90176。）以模擬量的形式輸入到 PLC 的模擬輸入單元；液壓傳感器 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； 4 路模擬量輸出單元 ,輸出信號(hào)為 10V～ +10V，將信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)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，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過(guò)檢 25 測(cè)與發(fā)電機(jī)相連的光電碼 盤，每轉(zhuǎn)輸出 10 個(gè)脈沖，輸入給計(jì)數(shù)單元。 二 . 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 90176。勻速減小；當(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控制執(zhí)行電機(jī)，使得葉片迅速變到槳距角為 90176。的位置。 風(fēng)力機(jī)起動(dòng)時(shí)變槳控制程序流程如圖 7 所示。當(dāng)風(fēng)速高于起動(dòng)風(fēng)速時(shí) PLC 通過(guò)模擬輸出單元輸出 ，使葉 片以 176。/s的速度變化到 15176。此時(shí)，若發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于 800r/s或者轉(zhuǎn)速持續(xù)一分鐘大于 700r/s，則槳葉繼續(xù)進(jìn)槳到 3176。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/s時(shí)發(fā)出并網(wǎng)指令。若槳距角在到達(dá) 3176。后 2 分鐘未并網(wǎng)則由模擬輸出單元給比例閥輸出 ，使槳距角退到 15176。位置。 圖 7 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 CJ1WDA021 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 （對(duì)應(yīng)變槳速度 176。/s）以內(nèi)。當(dāng) 26 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 （對(duì)應(yīng)變槳速度 176。/s）。為了防止頻繁的往復(fù)變槳，在功率偏差在 177。10KW 時(shí)不進(jìn)行變槳。 圖 8 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 8為變槳距功率調(diào)節(jié)部分的梯形圖程序。 ，當(dāng)滿足功率調(diào)節(jié)條件時(shí)，繼電器 由 0變?yōu)?1；