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基于歐姆龍PLC的風電機組變槳距系統(tǒng)
摘要：在風力發(fā)電系統(tǒng)中，變槳距控制技術(shù)關(guān)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，通過控制槳距角使輸出功率平穩(wěn)、減小轉(zhuǎn)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(wěn)定發(fā)電機的輸出功率，改善槳葉和整機的受力狀況。變槳距風力發(fā)電機比定槳距風力發(fā)電機具有更好的風能捕捉特性，現(xiàn)代的大型風力發(fā)電機大多采用變槳距控制。本文針對國外某風電公司液壓變槳距風力機，采用可編程控制器（PLC）作為風力發(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，編程簡單，抗干擾能力強等特點。本文介紹了液壓變槳距系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了變槳控制器的軟件系統(tǒng)。zui后在國外某風電公司風力發(fā)電機組上做了實驗，驗證了將該變槳距控制器可以在變槳距風力機上安全、穩(wěn)定運行的。
關(guān)鍵詞：變槳距；風力發(fā)電機；可編程控制器
1引言
隨著風電技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，變槳距風力發(fā)電機的*性顯得更加突出：既能提高風力機運行的可靠性，又能保證高的風能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線。采用變槳距機構(gòu)的風力機可使葉輪重量減輕，使整機的受力狀況大為改善，使風電機組有可能在不同風速下始終保持*轉(zhuǎn)換效率，使輸出功率zui大，從而提高系統(tǒng)性能。隨著風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，越來越受到風電市場的歡迎。
兆瓦級變速恒頻變槳距風電機組是目前上技術(shù)比較*的風力機型，從今后的發(fā)展趨勢看，必然取代定槳距風力機而成為風力發(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)，提高風電機組的柔性，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*的風力發(fā)電技術(shù)的壟斷，促進我國風力發(fā)電事業(yè)的進一步發(fā)展具有重要意義。
為了獲得足夠的起在變槳距系統(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系列可編程控制器作為變槳距系統(tǒng)的控制器，并設(shè)計了PLC軟件程序，在國外某風電公司風力發(fā)電機組上作了實驗。
2變槳距風力機及其控制方式
變槳距調(diào)速是現(xiàn)代風力發(fā)電機主要的調(diào)速方式之一，如圖1所示為變槳距風力發(fā)電機的簡圖。調(diào)速裝置通過增大槳距角的方式減小由于風速增大使葉輪轉(zhuǎn)速加快的趨勢。當風速增大時，變槳距液壓缸動作，推動葉片向槳距角增大的方向轉(zhuǎn)動使葉片吸收的風能減少，維持風輪運轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。當風速減小時，實行相反操作，實現(xiàn)風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、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)。
圖1變槳距風力發(fā)電機簡圖
如圖2所示為變槳距控制器的原理框圖。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。
圖2變槳距風力機控制框圖
當風力機在停機狀態(tài)時，槳距角處于90°的位置，這時氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；當風力機由停機狀態(tài)變?yōu)檫\行狀態(tài)時，槳距角由90°以一定速度（約1°/s）減小到待機角度（本系統(tǒng)中為15°）；若風速達到并網(wǎng)風速，槳距角繼續(xù)減小到3°（槳距角在3°左右時具有*風能吸收系數(shù)）；發(fā)電機并上電網(wǎng)后，當風速小于額定風速時，使槳距角保持在3°不變；當風速高于額定風速時，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)故障或有停機命令時，控制器將輸出迅速順槳命令，使得風力機能快速停機，順槳速度可達20°/s。
3變槳控制器的設(shè)計
3.1系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
本文實驗中采用國外某風電公司風力發(fā)電機組作為實驗對象，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槳或退槳速度，在風力機出現(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°）。
圖３.液壓變槳距控制系統(tǒng)原理圖
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（0～10V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。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，當滿足風力機起動條件時，PLC發(fā)出指令使葉片槳距角從90°勻速減小；當發(fā)電機并網(wǎng)后PLC根據(jù)反饋的功率進行功率調(diào)節(jié)，在額定風速之下保持較高的風能吸收系數(shù)，在額定風速之上，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°的位置。
風力機起動時變槳控制程序流程如圖4所示。當風速高于起動風速時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，若發(fā)電機的轉(zhuǎn)速大于800r/min或者轉(zhuǎn)速持續(xù)一分鐘大于700r/min，則槳葉繼續(xù)進槳到3°位置。PLC檢測到高速計數(shù)單元的轉(zhuǎn)速信號大于1000r/min時發(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。
圖4風力機起動變槳控制程序流圖
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-4.1V（對應(yīng)變槳速度4.6°/s）以內(nèi)。當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zui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變槳，在功率偏差在±10kW時不進行變槳。
圖5變槳調(diào)功程序流程圖
在變槳距控制系統(tǒng)中，高風速段的變槳距調(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，甚至會燒毀發(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。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)動機額度功率與實際功率的偏差，當偏差ΔP滿足-10kW<ΔP<10kW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zui小值對應(yīng)-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zui大值為1.8V。
圖6變槳距功率調(diào)節(jié)程序
4結(jié)束語
采用OMRON公司的CJ1M系列PLC作為大型風力發(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風電公司型變槳距風力機上作了實驗。在現(xiàn)場的實驗記錄表明，采用這種PLC控制系統(tǒng)可以使風力機安全運行，在出現(xiàn)停機故障時可以迅速順槳停機；運行時滿足功率*的原則，在額定風速之下時槳距角保持在3°不變，在高風速時能夠根據(jù)輸出功率調(diào)整槳距角的位置，使輸出功率維持在550kW左右，在高風速陣風時，功率波動不超過額定功率的10%，滿足設(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雜的邏輯控制，而且抗干擾能力強，性能可靠。
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