基于歐姆龍PLC 的風(fēng)電機組變槳距系統(tǒng)

1 概述

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)電機的優(yōu)越性顯得更加突出：既能提高風(fēng)力機運行的可靠性，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。采用變槳距機構(gòu)的風(fēng)力機可使葉輪重量減輕，使整機的受力狀況大為改善，使風(fēng)電機組有可能在不同風(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)電機組功率等級的增加，采用變槳距技術(shù)已是大勢所趨。目前變槳執(zhí)行機構(gòu)主要有兩種：

液壓變槳距和電動變槳距，按其控制方式可分為統(tǒng)一變槳和獨立變槳兩種。在統(tǒng)一變槳基礎(chǔ)上發(fā)展起來的獨立變槳距技術(shù)，每支葉片根據(jù)自己的控制規(guī)律獨立地變化槳距角，可以有效解決槳葉和塔架等部件的載荷不均勻問題，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、易于施加各種控制、可靠性高等優(yōu)勢，越來越受到國際風(fēng)電市場的歡迎。

兆瓦級變速恒頻變槳距風(fēng)電機組是目前國際上技術(shù)比較先進的風(fēng)力機型，從今后的發(fā)展趨勢看，必然取代定槳距風(fēng)力機而成為風(fēng)力發(fā)電機組的主力機型。其中變槳距技術(shù)在變速恒頻風(fēng)力機研究中占有重要地位，是變速恒頻技術(shù)實現(xiàn)的前提條件。研究這種技術(shù)，可以提高風(fēng)電機組的柔性，延長機組的壽命，是目前國外研究的熱點，但是國內(nèi)對此研究甚少。對這一前瞻性課題進行立項資助，掌握具備自主知識產(chǎn)權(quán)的獨立變槳控制技術(shù)，對于打破發(fā)達國家對先進的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的壟斷，促進我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的進一步發(fā)展都將具有重要意義。

為了獲得足夠的起動條件，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(PLC)作為變槳距系統(tǒng)的控制器，設(shè)計了PLC軟件程序，并在國外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機組上作了實驗。

2 變槳距風(fēng)力機及其控制方式

變槳距調(diào)速是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機主要的調(diào)速方式之一，變槳距風(fēng)力發(fā)電機的簡圖如圖1所示。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，變槳距液壓缸動作，推動葉片向槳距角增大的方向轉(zhuǎn)動使葉片吸收的風(fēng)能減少，維持風(fēng)輪運轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速減小時，實行相反操作，實現(xiàn)風(fēng)輪吸收的功率能基本保持恒定。液壓控制系統(tǒng)具有傳動力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、液壓執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點，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)和運行的大型風(fēng)力發(fā)電機的變距裝置大多采用液壓系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)。

變槳距控制器的原理框圖如圖2所示。在發(fā)動機并入電網(wǎng)之前由速度控制器根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速反饋信號進行變槳距控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速及風(fēng)速信號來確定槳葉處于待機或順槳位置;發(fā)動機并入電網(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 運算后得到槳距角位置。

當(dāng)風(fēng)力機在停機狀態(tài)時，槳距角處于90毅的位置，這時氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩;當(dāng)風(fēng)力機由停機狀態(tài)變?yōu)檫\行狀態(tài)時，槳距角由90毅以一定速度(約1毅/s)減小到待機角度(本系統(tǒng)中為15毅);若風(fēng)速達到并網(wǎng)風(fēng)速，槳距角繼續(xù)減小到3毅(槳距角在3毅左右時具有最佳風(fēng)能吸收系數(shù));發(fā)電機并入電網(wǎng)后，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，使槳距角保持在3毅不變;當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，根據(jù)功率反饋信號，控制器向比例閥輸出-10~+10 V 的電壓，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)故障或有停機命令時，控制器將輸出迅速順槳命令，使得風(fēng)力機能快速停機，順槳速度可達20毅/s。

3 變槳控制器的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本文采用國外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機組作為實驗對象，其額定功率為550 kW，采用液壓變槳系統(tǒng)，液壓變槳系統(tǒng)原理圖如圖猿所示。從圖猿中可以看出，通過改變液壓比例閥的電壓可以改變進槳或退槳速度，在風(fēng)力機出現(xiàn)故障或緊急停機時，可控制電磁閥J-B 閉合、J-A 和J-C 打開，使儲壓罐1 中的液壓油迅速進入變槳缸，推動槳葉達到順槳位置(90毅)。

本系統(tǒng)中采用OMRON 公司的CJ1M 系列PLC。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耀10 V 對應(yīng)功率0耀800 kW)輸入到PLC，槳距角反饋信號(0耀10 V對應(yīng)槳距角0耀90毅)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，輸出信號為-10耀+10 V，將信號輸出到比例閥來控制進槳或退槳速度;為了測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，選用高速計數(shù)單元CJW-CT021，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是通過檢測與發(fā)電機相連的光電碼盤，每轉(zhuǎn)輸出10 個脈沖，輸入給計數(shù)單元CJW-CT021。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的主要功能都是由PLC 來實現(xiàn)的，當(dāng)滿足風(fēng)力機起動條件時，PLC發(fā)出指令使葉片槳距角從90毅勻速減小;當(dāng)發(fā)電機并網(wǎng)后PLC 根據(jù)反饋的功率進行功率調(diào)節(jié)，在額定風(fēng)速下保持較高的風(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。在有故障停機或急停信號時，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毅的位置。

風(fēng)力機起動時變槳控制程序流程如圖4 所示。當(dāng)風(fēng)速高于起動風(fēng)速時PLC 通過模擬輸出單元向比例閥輸出1.8 V電壓，使葉片以0.9毅/s的速度變化到15毅。此時，若發(fā)電機的轉(zhuǎn)速躍800 r/min或者轉(zhuǎn)速持續(xù)1 min躍700 r/min，則槳葉繼續(xù)進槳到3毅位置。PLC 檢測到高速計數(shù)單元的轉(zhuǎn)速信號大于1 000 r/min 時發(fā)出并網(wǎng)指令。若槳距角在到達3毅后2 min未并網(wǎng)則由模擬輸出單元給比例閥輸出-4.1 V的電壓，使槳距角退到15毅位置。

發(fā)電機并上電網(wǎng)后通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出功率，功率調(diào)節(jié)程序流程圖如圖5 所示。

當(dāng)實際功率大于額定功率時，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-4.1 V(對應(yīng)變槳速度4.6毅/s)以內(nèi)。當(dāng)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1.8 V(對應(yīng)變槳速度0.9毅/s)。為了防止頻繁的往復(fù)變槳，當(dāng)功率偏差在依10 kW時不進行變槳。

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出現(xiàn)過功率或過電流現(xiàn)象，甚至?xí)龤Оl(fā)電機;若槳距調(diào)節(jié)速度過快，不但會出現(xiàn)過調(diào)節(jié)現(xiàn)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，這樣會影響發(fā)電機的輸出功率，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(fēng)時出現(xiàn)發(fā)電機功率過高現(xiàn)象。

圖6 為變槳距功率調(diào)節(jié)部分的梯形圖程序。

100.08 是啟動功率調(diào)節(jié)命令，當(dāng)滿足功率調(diào)節(jié)條件時，繼電器100.08 由0 變?yōu)?;D2100 存放的是發(fā)動機額定功率與實際功率的偏差，當(dāng)偏差駐P滿足-10 kW<駐P<10 kW 時將0 賦給D2100;60.07為1 時即功率偏差為負值，D2100 中的功率偏差按一定比例進行縮放，并通過LMT指令限位輸出到比例閥，輸出的最小值對應(yīng)-4.1 V電壓;若繼電器60.07 為0，即功率偏差為正值，將D2100 的值通過SCL3 指令按比例系數(shù)縮放，并通過LMT 指令輸出到比例閥，輸出的電壓最大值為1.8 V。

4 結(jié)語

采用OMRON 公司的CJ1M 系列PLC 作為大型風(fēng)力發(fā)電機變槳距系統(tǒng)的控制器，已經(jīng)在廣東南澳島的國外某知名風(fēng)電公司型變槳距風(fēng)力機上作了實驗。現(xiàn)場的實驗記錄表明，采用這種PLC 控制系統(tǒng)可以使風(fēng)力機安全運行，在出現(xiàn)停機故障時可以迅速順槳停機;運行時滿足功率最優(yōu)的原則，在額定風(fēng)速之下時槳距角保持在3毅不變，在高風(fēng)速時能夠根據(jù)輸出功率調(diào)整槳距角的位置，使輸出功率維持在550 kW左右，在高風(fēng)速陣風(fēng)時，功率波動不超過額定功率的10%，滿足了設(shè)計要求。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，性能可靠。