應(yīng)用背景
目前風(fēng)能是最具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)正在蓬勃發(fā)展。為了獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和更高的輸出功率，人們開始重視變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究[1][2]。變槳距是指安裝在輪轂上的葉片可以借助控制技術(shù)改變其槳距角的大小，從而改變?nèi)~片氣動(dòng)特性，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善，并且可以提高風(fēng)力機(jī)在高風(fēng)速時(shí)的輸出功率[3]。從風(fēng)力機(jī)的發(fā)展趨勢來看，變槳距風(fēng)力機(jī)將取代定槳距風(fēng)力機(jī)。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GE 智能平臺(tái)公司的90-30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Zond-40風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上作了實(shí)驗(yàn)。
解決方案
1 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)的簡圖。調(diào)速裝置通過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。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)。
發(fā)電機(jī)增速箱電網(wǎng)ωVI*β功率傳感器變槳控制器風(fēng)PP
圖2 變槳距風(fēng)力機(jī)控制框圖
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)速反饋信號進(jìn)行變槳距控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速及風(fēng)速信號來確定槳葉處于待機(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，功率誤差信號經(jīng)過PI運(yùn)算后得到槳距角位置。
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，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。
2.變槳控制器的設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
本文實(shí)驗(yàn)中采用Zond-40風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為實(shí)驗(yàn)對象，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，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°）。
儲(chǔ)壓罐 1儲(chǔ)壓罐 2J-1J-2J-3J-AJ-BJ-C液壓泵單向節(jié)流閥比例閥溢流閥變槳缸壓力傳感器 1壓力傳感器 2
本系統(tǒng)中采用GE 智能設(shè)備的90-30系列PLC[7-8]。該系列是先進(jìn)的可編程邏輯控制器，CPU為 364型，內(nèi)部帶有 TCP／TP以太 網(wǎng)通 訊 卡，支持以太 網(wǎng)的廣播通訊方式 (EGD方式)，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能?？梢酝瑫r(shí)和多臺(tái) PLC進(jìn)行通訊，而且作為服務(wù)器還可以與普通個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。上位機(jī)(IPC)與PLC之間 采用以太網(wǎng)通訊方式 ，利用Proficy HMI/SCADA – iFIX 作為 監(jiān) 控 軟 件 。 PLC 與 PLC、I／O 分 站 之 間采 用 GENIUS總線通訊方式 ，以 153．6 kbps傳輸。本文中發(fā)電機(jī)的功率信號由高速功率變送器以模擬量的形式（0～10V對應(yīng)功率0～800KW）輸入到PLC，槳距角反饋信號（0～10V對應(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。
2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
利用 VersaPro軟件用于組態(tài) PLC硬件，創(chuàng)建和編輯 PLC邏輯程序，并且監(jiān)視 PLC的邏輯程序的執(zhí)行 。VersaPro是 GE 智能設(shè)備基于 Windows基礎(chǔ)上的為90-30 PLC、Versamax PLC編程 的軟件。
本系統(tǒng)的主要功能都是由PLC來實(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??；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)或急停信號時(shí)，PLC控制電磁閥J-A和J-C打開，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/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3°位置。PLC檢測到高速計(jì)數(shù)單元的轉(zhuǎn)速信號大于1000r/s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。
發(fā)電機(jī)并上電網(wǎng)后通過調(diào)節(jié)槳距角來調(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，并采用LMT指令使輸出電壓限制在-4.1V（對應(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)槳來增大功率，進(jìn)槳時(shí)給比例閥輸出的最大電壓為1.8V（對應(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。
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，若退槳速度過慢則會(huì)出現(xiàn)過功率或過電流現(xiàn)象，甚至?xí)龤Оl(fā)電機(jī)；若槳距調(diào)節(jié)速度過快，不但會(huì)出現(xiàn)過調(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LMT指令限位輸出到比例閥，輸出的最小值對應(yīng)-4.1V電壓；<
