關(guān)鍵詞： 編碼器 組態(tài)王 電機
摘要：本文針對國外某知名風(fēng)電公司液壓變槳距風(fēng)力機，采用可編程控制器(PLC)作為風(fēng)力發(fā)電機的變槳距控制器風(fēng)電機組 這種變槳控制器具有控制方式靈活，編程簡(jiǎn)單，抗干擾能力強等特點(diǎn)變槳距 介紹了液壓變槳距系統的工作原理，設計了變槳控制器的軟件系統變槳距 最后在國外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機組上做了實(shí)驗，驗證了將該變槳距控制器可以在變槳距風(fēng)力機上安全、穩定運行的變槳距
　
摘要：在風(fēng)力發(fā)電系統中，變槳距控制技術(shù)關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機組的安全可靠運行，影響風(fēng)力機的使用壽命，通過(guò)控制槳距角使輸出功率平穩、減小轉矩振蕩、減小機艙振蕩，不但優(yōu)化了輸出功率，而且有效的降低的噪音，穩定發(fā)電機的輸出功率，改善槳葉和整機的受力狀況。變槳距風(fēng)力發(fā)電機比定槳距風(fēng)力發(fā)電機具有更好的風(fēng)能捕捉特性，現代的大型風(fēng)力發(fā)電機大多采用變槳距控制。本文針對國外某知名風(fēng)電公司液壓變槳距風(fēng)力機，采用可編程控制器(PLC)作為風(fēng)力發(fā)電機的變槳距控制器。這種變槳控制器具有控制方式靈活，編程簡(jiǎn)單，抗干擾能力強等特點(diǎn)。本文介紹了液壓變槳距系統的工作原理，設計了變槳控制器的軟件系統。最后在國外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機組上做了實(shí)驗，驗證了將該變槳距控制器可以在變槳距風(fēng)力機上安全、穩定運行的。
1、引言
　　隨著(zhù)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)能利用系數和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線(xiàn)。采用變槳距機構的風(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換效率，使輸出功率最大，從而提高系統性能。隨著(zhù)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。目前變槳執行機構主要有兩種：液壓變槳距和電動(dòng)變槳距，按其控制方式可分為統一變槳和獨立變槳兩種。在統一變槳基礎上發(fā)展起來(lái)的獨立變槳距技術(shù)，每支葉片根據自己的控制規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(wèn)題，具有結構緊湊簡(jiǎn)單、易于施加各種控制、可靠性高等優(yōu)勢，越來(lái)越受到國際風(fēng)電市場(chǎng)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(jìn)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(shí)現的前提條件。研究這種技術(shù)，提高風(fēng)電機組的柔性，延長(cháng)機組的壽命，是目前國外研究的熱點(diǎn)，但是國內對此研究甚少，對這一前瞻性課題進(jìn)行立項資助，掌握具備自主知識產(chǎn)權的獨立變槳控制技術(shù)，對于打破發(fā)達國家對先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的壟斷，促進(jìn)我國風(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的控制器，并設計了PLC軟件程序，在國外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機組上作了實(shí)驗。
2、變槳距風(fēng)力機及其控制方式
　　變槳距調速是現代風(fēng)力發(fā)電機主要的調速方式之一，如圖1所示為變槳距風(fēng)力發(fā)電機的簡(jiǎn)圖。調速裝置通過(guò)增大槳距角的方式減小由于風(fēng)速增大使葉輪轉速加快的趨勢。當風(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動(dòng)使葉片吸收的風(fēng)能減少，維持風(fēng)輪運轉在額定轉速范圍內。當風(fēng)速減小時(shí)，實(shí)行相反操作，實(shí)現風(fēng)輪吸收的功率能基本保持恒定。液壓控制系統具有傳動(dòng)力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、液壓執行機構動(dòng)態(tài)響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證更加快速、準確地把葉片調節至預定節距[4][5]。目前國內生產(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作為動(dòng)力系統。

　　如圖2所示為變槳距控制器的原理框圖。在發(fā)動(dòng)機并入電網(wǎng)之前由速度控制器根據發(fā)動(dòng)機的轉速反饋信號進(jìn)行變槳距控制，根據轉速及風(fēng)速信號來(lái)確定槳葉處于待機或順槳位置；發(fā)動(dòng)機并入電網(wǎng)之后，功率控制器起作用，功率調節器通常采用PI（或PID）控制，功率誤差信號經(jīng)過(guò)PI運算后得到槳距角位置。

　　當風(fēng)力機在停機狀態(tài)時(shí)，槳距角處于90�的位置，這時(shí)氣流對槳葉不產(chǎn)生轉矩；當風(fēng)力機由停機狀態(tài)變?yōu)檫\行狀態(tài)時(shí)，槳距角由90�以一定速度（約1�/s）減小到待機角度（本系統中為15�）；若風(fēng)速達到并網(wǎng)風(fēng)速，槳距角繼續減小到3�（槳距角在3�左右時(shí)具有最佳風(fēng)能吸收系數）；發(fā)電機并上電網(wǎng)后，當風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，使槳距角保持在3�不變；當風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，根據功率反饋信號，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(lái)操縱葉片的槳距角，使輸出功率維持在額定功率附近。若出現故障或有停機命令時(shí)，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�/s。
3、變槳控制器的設計
3.1系統的硬件構成
　　本文實(shí)驗中采用國外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機組作為實(shí)驗對象，其額定功率550KW，采用液壓變槳系統，液壓變槳系統原理圖如圖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)力機出現故障或緊急停機時(shí)，可控制電磁閥J-B閉合、J-A和J-C打開(kāi)，使儲壓罐1中的液壓油迅速進(jìn)入變槳缸，推動(dòng)槳葉達到順槳位置（90�）。

　　本系統中采用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（0～10V對應功率0～800KW）輸入到PLC，槳距角反饋信號（0～10V對應槳距角0～90�）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,輸出信號為-10V～ 10V，將信號輸出到比例閥來(lái)控制進(jìn)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CJW-CT021，發(fā)電機的轉速是通過(guò)檢測與發(fā)電機相連的光電碼盤(pán)，每轉輸出10個(gè)脈沖，輸入給計數單元CJW-CT021。
3.2 系統的軟件設計
　　本系統的主要功能都是由PLC來(lái)實(shí)現的，當滿(mǎn)足風(fēng)力機起動(dòng)條件時(shí)，PLC發(fā)出指令使葉片槳距角從90�勻速減??；當發(fā)電機并網(wǎng)后PLC根據反饋的功率進(jìn)行功率調節，在額定風(fēng)速之下保持較高的風(fēng)能吸收系數，在額定風(fēng)速之上，通過(guò)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(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)力機起動(dòng)時(shí)變槳控制程序流程如圖4所示。當風(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)電機的轉速大于800r/min或者轉速持續一分鐘大于700r/min，則槳葉繼續進(jìn)槳到3�位置。PLC檢測到高速計數單元的轉速信號大于1000r/min時(shí)發(fā)出并網(wǎng)指令。若槳距角在到達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)電機并上電網(wǎng)后通過(guò)調節槳距角來(lái)調節發(fā)電機輸出功率，功率調節程序流程圖如圖5所示。當實(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（對應變槳速度4.6�/s）以?xún)?。當功率偏差小于零時(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（對應變槳速度0.9�/s）。為了防止頻繁的往復變槳，在功率偏差在�10kW時(shí)不進(jìn)行變槳。

　　在變槳距控制系統中，高風(fēng)速段的變槳距調節功率是非常重要的部分，若退槳速度過(guò)慢則會(huì )出現過(guò)功率或過(guò)電流現象，甚至會(huì )燒毀發(fā)電機；若槳距調節速度過(guò)快，不但會(huì )出現過(guò)調節現象，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)電機的輸出功率，使發(fā)電量降低。在本系統中在過(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)出現發(fā)電機功率過(guò)高現象。
　　圖6為變槳距功率調節部分的梯形圖程序。100.08是啟動(dòng)功率調節命令，當滿(mǎn)足功率調節條件時(shí)，繼電器100.08由0變?yōu)?；D2100存放的是發(fā)動(dòng)機額度功率與實(shí)際功率的偏差，當偏差ΔP滿(mǎn)足-10kW<δp<10kw時(shí)將0賦給d2100；60.07為1時(shí)即功率偏差為負值，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，輸出的最小值對應-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。< font="">
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審核編輯(王靜)