基于PLC的風(fēng)力機(jī)變槳距控制系統(tǒng)研究

1、第 5期(總第 168期)機(jī) 械 工 程 與 自動(dòng)化No52011年 10月MECHANICAL ENGINEERING AUTOMA耵 ONOct文章編號(hào)：16726413(2011)10014703基于 PLC的風(fēng)力機(jī)變槳距控制系統(tǒng)研究張尚云，齊向東(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)摘要：設(shè)計(jì)了一種以西門子 s7300系列PLC為中心控制器的液壓變槳距控制系統(tǒng)，而且為了實(shí)現(xiàn)功率的平穩(wěn)調(diào)節(jié)引入了轉(zhuǎn)子電流控制器。通過軟、硬件的設(shè)計(jì)，較理想地實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)的液壓變槳距控制。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；西門子S-一300PLC；液壓變槳距；轉(zhuǎn)子電流控制器中圖分類號(hào)：TP273：TK8

2、3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AO 引言隨著世界經(jīng)濟(jì)的深人發(fā)展，各國對(duì)能源的需求日益加大，煤、石油等常規(guī)能源已經(jīng)面臨枯竭。目前風(fēng)能成為最具有大規(guī)模開發(fā)前景的可再生資源，可有效地解決環(huán)境污染，緩解全球氣候變化和能源短缺問題 。目前投入運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有兩類功率調(diào)節(jié)方式：一類是定槳距失速控制；另一類是變槳距控制。相對(duì)于定槳距失速控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)與制動(dòng)性能好，具有較高的風(fēng)能利用率，并且在額定功率以上變槳距可以調(diào)節(jié)槳距角的大小從而改變?nèi)~片氣動(dòng)特性，提高風(fēng)力機(jī)在高風(fēng)速時(shí)的輸出功率。由于風(fēng)力機(jī)變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受系統(tǒng)反應(yīng)速度的影響，使其不能跟隨快速變化的風(fēng)速，所以如果只通過變槳距控制器改

3、變節(jié)距來控制風(fēng)力機(jī)的輸出功率 ，其控制效果并不理想。因此，為了更好地優(yōu)化輸出功率曲線，使功率曲線達(dá)到理想狀態(tài)，本設(shè)計(jì)在液壓變槳距控制的基礎(chǔ)上引入了轉(zhuǎn)子電流控制器。1 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過程新型變槳距控制系統(tǒng)框圖見圖 2。其 工作過程為：在發(fā)電機(jī)并人電網(wǎng)之前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是根據(jù)速度給定信號(hào)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)由速度控制器 A來控制 ；發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)之后，速度控制器 A 不再起作用，改由功率控制器和速度控制器 B共 同起作用。其中功率控制器的作用是根據(jù)反饋回來的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速給出與其相對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)功率變化曲線，再由轉(zhuǎn)子電流控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并確定其中速度控制器

4、B的速度給定值。槳距角即節(jié)距給定的參考值由中心控制器根據(jù)風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)給出。風(fēng)電網(wǎng)功率傳感器圖 1 變槳距風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)圖變槳距系統(tǒng)的功能是采用風(fēng)力機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)和其控制技術(shù)，使安裝在輪轂上的葉片可以跟隨變槳缸的左右移動(dòng)而沿著縱軸的方向旋轉(zhuǎn)，改變槳葉的槳距角，達(dá)到改變風(fēng)力機(jī)組所獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩的目的，從而控制風(fēng)輪所吸收的能量，改善整個(gè)風(fēng)力機(jī)的能量吸收狀況，有效地解決風(fēng)力機(jī)因風(fēng)速過大受力加大影響風(fēng)力機(jī)使用壽命的問題 J。圖 1為變槳距風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)圖。圖 1中，W為風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)速，P為反饋風(fēng)力機(jī)功率，p 為風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率額定值，口為槳距角。收稿日期：20110331；修回日期：2011042511 啟動(dòng)

5、過程當(dāng)變槳距風(fēng)力機(jī)組在無風(fēng)狀態(tài)時(shí) (本 系統(tǒng)設(shè)定風(fēng)速低于 35ms時(shí) )，風(fēng)力機(jī)組不工作，葉片處于順槳，槳距角位于 90。位置 ，這樣氣流對(duì)槳葉不會(huì)產(chǎn)生作用；當(dāng)持續(xù)風(fēng)速高于 35ms，達(dá)到風(fēng)力機(jī) 的啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)將由停機(jī)狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)，中心控制器發(fā)出指令調(diào)節(jié)葉片使風(fēng)力機(jī)槳距角由 90。陜速地轉(zhuǎn)到待機(jī)角度 9。(系統(tǒng)設(shè)定)，風(fēng)速繼續(xù)增加，當(dāng)增加并達(dá)到發(fā)電機(jī)并人電網(wǎng)條件時(shí)，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)作者簡(jiǎn)介：張尚云(1985一)，男，山東煙臺(tái)人，在讀碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。148機(jī)械工程與 自動(dòng)化2011年第 5期進(jìn)入發(fā)電工作狀態(tài)，中心控制器發(fā)出指令繼續(xù)調(diào)節(jié)槳 機(jī)具有最佳風(fēng)能吸收系數(shù)，

6、滿足并網(wǎng)運(yùn)行條件，從而葉使槳距角由待機(jī)角度 9。繼續(xù)減小到 3。，此時(shí)風(fēng)力 并網(wǎng)運(yùn)行?？刂齐妷篈發(fā)電機(jī)B電網(wǎng)-1控制熹器Br 給度發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速最大功率給定功率電流給定控制器圖 2 新型變槳距控制系統(tǒng)框圖12 功率低于額定功率當(dāng)風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行以后，如果風(fēng)速繼續(xù)降低，且持續(xù)低于額定風(fēng)速，即長(zhǎng)時(shí)間處于低風(fēng)速階段，此時(shí)變槳距控制器并不動(dòng)作，槳距角不改變，風(fēng)力機(jī)槳距角始終保持在 3。，此時(shí)風(fēng)力 機(jī)輸出功率不受系統(tǒng)控制，而是根據(jù)葉片的氣動(dòng)性能隨風(fēng)速的變化而不斷變化，風(fēng)力機(jī)始終保持運(yùn)行在風(fēng)機(jī)最大風(fēng)能利用系數(shù) C 處。13 功率高于額定功率由于風(fēng)速不斷變化，如果風(fēng)速轉(zhuǎn)而持續(xù)升高到高于額定風(fēng)速，達(dá)到風(fēng)力機(jī)額定

7、功率運(yùn)行條件時(shí)，風(fēng)力機(jī)進(jìn)入額定功率工作狀態(tài)。如果風(fēng)速在高于額定風(fēng)速之后還繼續(xù)升高，則變槳距控制器根據(jù)功率反饋信號(hào)控制槳葉變化減小槳距角，從而減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩進(jìn)而減小風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率，控制風(fēng)力機(jī)輸出穩(wěn)定功率，同時(shí)也減少風(fēng)機(jī)葉片受力，使之滿足于風(fēng)力機(jī)的機(jī)械承受能力，增加風(fēng)機(jī)的使用壽命。然而隨著風(fēng)力機(jī)組容量的增加，大型風(fēng)力機(jī)組的單機(jī)重量已經(jīng)達(dá)到了數(shù)噸。對(duì)于控制如此巨大的風(fēng)機(jī)，其控制響應(yīng)速度要隨著風(fēng)速的變化而不斷變化是非常困難的，因此僅通過控制器控制槳距角的變化來控制發(fā)電機(jī)的輸出功率使其穩(wěn)定是不理想的。為了優(yōu)化功率曲線，盡量使發(fā)電機(jī)輸出功率曲線達(dá)到理想狀態(tài)，本設(shè)計(jì)在液壓變槳距控

8、制的基礎(chǔ)上引入了轉(zhuǎn)子電流控制器，即變槳距發(fā)電機(jī)組在采用普通液壓變槳距進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的反饋信號(hào)不再直接作為控制節(jié)距變化的因素，而由風(fēng)速低頻分量與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相結(jié)合來控制風(fēng)力機(jī)組變槳距系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)子電流控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率來減少由風(fēng)速高頻分量產(chǎn)生的機(jī)械能波動(dòng)，通過迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速，在調(diào)節(jié)槳距角的同時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，將增加的風(fēng)能以風(fēng)輪動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來；當(dāng)風(fēng)速降低 (低于額定風(fēng)速)時(shí)，再將高于額定風(fēng)速時(shí)所儲(chǔ)存的動(dòng)能釋放出來，從而調(diào)節(jié)功率曲線以達(dá)到更加理想的狀態(tài) 。2 變槳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)21 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本液壓變槳系統(tǒng)以 75

9、0 kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，目前市場(chǎng)上應(yīng)用的變槳距控制有電動(dòng)變槳距和電液伺服變槳距 (液壓變槳距 )兩種。相比較電動(dòng)變槳距，液壓變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、單位體積小、轉(zhuǎn)矩大、便于集中布置、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)在變槳距機(jī)構(gòu)中占主要地位。圖 3為液壓變槳距結(jié)構(gòu)原理圖。(1)通過以模擬量形式輸入的漿距角反饋信號(hào)和壓力傳感器 1、2的壓力信號(hào)等控制 PLC發(fā) 出指令給比例閥，通過比例閥的頻繁調(diào)節(jié)改變油缸推力和位移，從而改變槳葉角度，也就是槳葉變距主要依靠比例閥和溢流閥完成。(2)槳葉與輪轂之間通過一個(gè)四點(diǎn)的球軸承在整流罩內(nèi)連接，使槳葉能進(jìn)行軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓缸一端(圖 3中變槳缸的槳桿 )固

10、定在輪轂支架上，另一端的活塞桿連接在槳葉根部軸承的外切圓上，這樣活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)就能轉(zhuǎn)化為槳葉的圓周運(yùn)動(dòng)，此風(fēng)機(jī)的變槳角度為一5。9O。(3)當(dāng)遇到故障停機(jī)或有急停信號(hào)時(shí)，PLC控制電磁閥 JA和 JC打開 ，JB關(guān)閥，使葉片迅速變動(dòng)到順槳狀態(tài)，不吸收風(fēng)能。本系統(tǒng)中心控制器采用西門子公司的 S7300系列 PLC。由于發(fā)電機(jī)的功率信號(hào) 由高速功率變送器以模擬量的形式輸入到PLC，而槳距角反饋信號(hào)、液壓傳感器 1和2的信號(hào)都以模擬量形式輸入，故此處選用 CPU314IFM模塊 ，此模塊本身集成了4模擬量輸人 1模擬量輸 出，其輸入輸出范圍為一1O VlO V 或一20 mA 一20 mA，20個(gè)

11、數(shù)字量輸入端 口，16個(gè)數(shù)字量輸出端口，最大可擴(kuò)展 128點(diǎn)數(shù)字量和 32點(diǎn)2011年第5期張尚云，等：基于PLC的風(fēng)力機(jī)變槳距控制系統(tǒng)研究149模擬量，完全可以滿足系統(tǒng)要求。圖 3 液壓變槳距結(jié)構(gòu)原理圖22 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的主要功能全部由 s7300PLC來完 成。當(dāng)滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)條件時(shí)，PLC發(fā)出指令使葉片槳距角勻速減少；當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以后 PLC會(huì) 根據(jù)反饋功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果風(fēng)速在額定風(fēng)速以下，則保持較高的風(fēng)能吸收系數(shù)；如果在額定風(fēng)速以上，調(diào)整槳距角和利用轉(zhuǎn)子電流控制器控制輸出功率，使其穩(wěn)定在額定功率以上；當(dāng)遇故障停機(jī)或有急停信號(hào)時(shí)，PLC控制電磁閥 JA和 Jc打開，JB關(guān)閉，

12、使葉片迅速變動(dòng)到順槳狀態(tài)，不吸收風(fēng)能。風(fēng)力機(jī)變槳距控制程序流程圖如圖 4所示。當(dāng)風(fēng)速高于啟動(dòng)風(fēng)速，PLC發(fā)出指令控制槳距角從 90。減少到 15。；這時(shí)如果發(fā) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于 800 rs或持續(xù)大于 700rs，則槳葉繼續(xù)減少到 3。位置。當(dāng) PLC 檢測(cè)到轉(zhuǎn)速大于 1000 rs時(shí)并 網(wǎng)，若并網(wǎng)不成功，則槳葉退槳到 15。位置。由于高風(fēng)速段也 就是風(fēng)速高于額定風(fēng)速階段的變槳距功率調(diào)節(jié)尤為重要，本系統(tǒng)在高風(fēng)速段中心控制器的控制算法核心采用了模糊PID控制，模糊控制器控制過程是根據(jù)功率偏差信號(hào)E及變化率 來調(diào)節(jié)比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)的數(shù)值。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此基于模糊控制的參數(shù)自整定PID控制器能

13、非常好地適應(yīng)非線性系統(tǒng)，具有良好的魯棒性。3 結(jié)論距控制機(jī)構(gòu)的中心控制器，已在 750 kW 變槳距風(fēng)力機(jī)組上做了實(shí)驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)記錄可以看出，該系統(tǒng)完全可以使風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行，并且在出現(xiàn)故障停機(jī)或者按下急停按鈕時(shí)能迅速順槳停機(jī)；在運(yùn)行時(shí)能滿足功率最優(yōu)的原則。在高風(fēng)速時(shí)能根據(jù)輸出功率調(diào)整槳距角、調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使功率穩(wěn)定輸出在 750 kW 左右；在低風(fēng)速時(shí)槳距角維持在 3。位置，滿足設(shè)計(jì)要求。圖 4 變槳距控制流程圖參考文獻(xiàn)：1 周燕莉風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)在與發(fā)展趨勢(shì) J甘肅科技，2008，24(3)：9112 張雷PLC在大型風(fēng)力機(jī)變槳距系統(tǒng)中的應(yīng)用J電氣應(yīng)用，2007，26(9)：1201233

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