【導讀】 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】 統的控制器，并設計了 PLC 軟件程序， 20 在國外某知名風電公司風力發(fā)電機組上作了實驗。 2 變槳距風電機組及其控制策略 變槳距調節(jié)是沿槳葉的縱軸旋轉葉片，控制風輪的能量吸收，保持一定的輸出功率。如圖 1 所示為變槳距風力發(fā)電機的原理圖。變槳距控制的優(yōu)點是機組起動性能好，輸出功率穩(wěn)定，停機安全等；其缺點是增加了變槳距裝置，控制復雜。 圖 1 變槳距風電機組原理圖 在風力機設計的初期，設計人員就考慮到了變槳距控制，但是由于對空氣動力學特性和風力機運行工況認識不足，控制技術還不成熟，風力機的變槳距機構可靠性不能滿足運行要求，經常出現飛車現象。直到 20 世紀 90年代變槳距風力機才得到廣泛的應用。目前大型風力發(fā)電機組普遍采用變槳距控制技術，例如， VESTAS 的 、 V802MW，ENERCON 的 、 E581MW， ENRON Wind 的 ， NORDEX 的S77/1500KW 等都采用變槳距結構。 定槳距控制，風力機的功率調節(jié)完全依靠葉片結構設計發(fā)生失速效應使高風速時功率不增大，但由于失速點的設計，很難保證風力機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]；而變槳距風力機可以根據風速的大小調節(jié)氣流對葉片的功角，當風速超過額定風速時，輸出功率可以穩(wěn)定在額定功率上。如圖 2所示為定槳距風力機和變槳距風力機的輸出功率比較曲線。在出現臺風的時，可以使葉片處于順槳，使整個風力機的受力情況大為改善，可以避 免大風損害風力機組。在緊急停機或有故障時，變槳距機構可以使葉片迅速順槳到 90176。，風輪速度降低，減小風力機負載的沖擊，延長風電機組的使用壽命。 21 圖 2 變槳距和定槳距風力機的功率曲線 變槳距控制技術關系到風力發(fā)電機組的安全可靠運行，影響風力機的使用壽命。隨著變槳距風力機的廣泛應用，許多學者和 研究人員投入了變槳距控制技術及變槳距風力機結構的研究。目前人們主要致力于通過控制槳距角使輸出功率平穩(wěn)、減小轉矩振蕩、減小機艙振蕩等技術的研究。 Vestas公司推出了 OpiTip（最佳槳距角）風力發(fā)電機組，不但優(yōu)化了輸出功率，而且有效的降低的噪音。 3． 3 液壓變槳機構與電動變槳機構原理 如圖 3 所示為液壓變槳距執(zhí)行機構原理圖，槳葉通過機械連桿機構與液壓缸相連接，節(jié)距角的變化同液壓缸位移成正比。當液壓缸活塞桿向左移動到最大位置時，節(jié)距角為 90176。，而活塞桿向右移動最大位置時，節(jié)距角一般為 5176。液壓缸的位移由電液 比例閥進行精確控制。在負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，為進行精確的液壓缸位置控制，必須引入液壓缸位置檢測與反饋控制。 22 PLC 圖 3 液壓變槳機構框圖 電機變槳距控制機構可對 每個槳葉采用一個伺服電機進行單獨調節(jié)，如圖 4 所示。伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪毅內齒圈相嚙合，直接對槳葉的節(jié)距角進行控制。位移傳感器采集槳葉節(jié)距角的變化與電機形成閉環(huán) PID負反饋控制。在系統出現故障，控制電源斷電時，槳葉控制電機由 UPS 供電，將槳葉調節(jié)為順槳位置。 圖 4 電動變槳距系統原理圖 隨著 風力發(fā)電機技術的不斷進步，風力機已經朝著大型化方向發(fā)展。兆瓦級風力機已經成為市場上的主流機型，在國外的海上風電場廣泛采用 25MW 風力發(fā)電機組。目前的變槳距風力機大多采用三個槳葉統一控制的方式，即三個槳葉變換是一致的。但由于現代大型風力機葉片比較大，一般幾十米甚至上百米，所以整個風輪掃過面上的風速并不均勻，由此會產生葉片的扭矩波動并影響到風力機傳動機構的機械應力及疲勞壽命；此外，由于葉片尺寸較大，每個葉片有十幾噸甚至幾十噸重，葉片在運行的不同位置受力狀況也是不一樣的，故葉片重力對風輪力矩的影響也是不能忽略的 。顯然對三個葉片進行獨立控制更加合理。通過獨立變槳控制，可以大大減小風力機葉片負載的波動及轉矩的波動，進而減小了傳動機構和齒 23 輪箱的疲勞度以及塔架的振動，而輸出功率能基本恒定在額定功率附近。 3． 4 電動變槳控制器的設計 一 . 系統的硬件構成 本文實驗中采用的電動獨立變槳距系統由交流伺服系統、伺服電機、后備電源、輪轂主控構成。電動變槳距系統結構如圖 6 所示。系統參數與接口的設計依據為 雙饋式風力發(fā)電機組變槳距系統。 PLC 圖 5 電動獨立變槳距系統結構 24 圖 6 電動獨立變槳距系統結構 2 本文中的風電系統涉及風速、風向、振動加速、振動開關、偏航、剎車液壓系統、齒輪傳動系統、液壓、溫度等等信號。其中，輸入數字量約 7080 路；模擬量約 10 路；溫度量約 16 路；輸出數字量約 32路；此外，還需要用到發(fā)電機轉速測量高速計數信號。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置通訊接口的處理器可選。提供最大容量最多可達 64K字（ 128K字節(jié)）的數據 /程序內存， SLC 500的模塊化I/O 系統提供了包括開關量、模擬量和專用模塊在內的 60 多種 I/O 模塊。 SLC500 系列處理器的程序和數據是以文件的形式在內存中存儲的。處理器文件分為程序文件和數據文件 ,程序文件可高達 256 個 ,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需要編制的子程序文件 。數據文件包括與外部 I/O及所有梯形圖程序使用的與指令相關的數據信息。它包含 輸出 /輸入、狀態(tài)、位、計時器、計數器、控制結構、整數、浮點數、字符串、 ASCII碼文件 ,用戶可以根 據需要定義除輸出 /輸入和狀態(tài)文件以外的可達 256 個數據文件。 此外，SLC500控制系統還提供 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數據。 （ 1 ）開關量 I/O 模塊。包括各種輸入 /輸出 方式和不同的 I/O點數 ,有 16 和 32 點開關 量 I/O模塊及 12 和 16點 I/O 混合模塊等 ,可 與不同電壓等級的交流、直流和 TTL 電平連接。 其中有負載電流達 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延遲時間只 有 0. 3 ms、最大關斷信號延遲時間只有 0. 5 ms 的快速響應直流輸入模塊。為提高工業(yè)應用的可靠 性 ,這些模塊都提供了 輸入濾波和光電隔離功能。 16 點 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模 塊等。輸入模塊都采用差分輸入 ,每路通道可單 獨配置成不同等級的電流或電壓輸入方式 ,最高 輸入分辨率可達 16 bit 精度。具有輸入濾波 ,對 電氣噪聲具有高度的防護能力。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。 系統中，發(fā)電機的功率信號由高速功率變送器以模擬量的形式（ 0～ 10V 對應功率 0～800KW）輸入到 PLC，槳距角反饋信號（ 0～ 10V對應槳距角 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 ,輸出信號為 10V～ +10V，將信號輸出到執(zhí)行機構來控制進槳或退槳速度；為了測量發(fā)電機的轉速，選用高速計數單元，發(fā)電機的轉速是通過檢 25 測與發(fā)電機相連的光電碼 盤，每轉輸出 10 個脈沖，輸入給計數單元。 二 . 系統的軟件設計 本系統的主要功能都是由 PLC 來實現的，當滿足風力機起動條件時， PLC 發(fā)出指令使葉片槳距角從 90176。勻速減小；當發(fā)電機并網后 PLC根據反饋的功率進行功率調節(jié)，在額定風速之下保持較高的風能吸收系數，在額定風速之上，通過調整槳距角使輸出功率保持在額定功率上。在有故障停機或急停信號時， PLC控制執(zhí)行電機，使得葉片迅速變到槳距角為 90176。的位置。 風力機起動時變槳控制程序流程如圖 7 所示。當風速高于起動風速時 PLC 通過模擬輸出單元輸出 ，使葉 片以 176。/s的速度變化到 15176。此時，若發(fā)電機的轉速大于 800r/s或者轉速持續(xù)一分鐘大于 700r/s，則槳葉繼續(xù)進槳到 3176。位置。 PLC 檢測到高速計數單元的轉速信號大于 1000r/s時發(fā)出并網指令。若槳距角在到達 3176。后 2 分鐘未并網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 風力機起動變槳控制程序流圖 發(fā)電機并上電網后通過調節(jié)槳距角來調節(jié)發(fā)電機輸出功率，功率調節(jié)程序流程圖如圖 5 所示。當實際功率大于額定功率時， PLC 的模擬輸出單元 CJ1WDA021 輸出與功率偏差成比例的電壓信號，并采用 LMT 指令使輸出電壓限制在 （對應變槳速度 176。/s）以內。當 26 功率偏差小于零時需要進槳來增大功率，進槳時給比例閥輸出的最大電壓為 （對應變槳速度 176。/s）。為了防止頻繁的往復變槳，在功率偏差在 177。10KW 時不進行變槳。 圖 8 變槳調功程序流程圖 在變槳距控制系統中，高風速段的變槳距調節(jié)功率是非常重要的部分，若退槳速度過慢則會出現過功率或過電流現象，甚至會燒毀發(fā)電機；若槳距調節(jié)速度過快，不但會出現過調節(jié)現象，使輸出功率波動較大，而且會縮短變槳缸和變槳軸承的使用壽命。會影響發(fā)電機的輸出功率，使發(fā)電量降低。在本系統中在過功率退槳和欠功率進槳時采用不同的變槳速度。退槳速度較進槳速度大，這樣可以防止在大的陣風時出現發(fā)電機功率過高現象。 圖 8為變槳距功率調節(jié)部分的梯形圖程序。 ，當滿足功率調節(jié)條件時，繼電器 由 0變?yōu)?1；