基于PLC的風(fēng)力機變槳距控制系統(tǒng)研究

1、第 5期(總第 168期)機 械 工 程 與 自動化No52011年 10月MECHANICAL ENGINEERING AUTOMA耵 ONOct文章編號：16726413(2011)10014703基于 PLC的風(fēng)力機變槳距控制系統(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，較理想地實現(xiàn)了風(fēng)力機的液壓變槳距控制。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：TP273：TK8

2、3 文獻標(biāo)識碼：AO 引言隨著世界經(jīng)濟的深人發(fā)展，各國對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 。目前投入運行的風(fēng)力發(fā)電機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。相對于定槳距失速控制的風(fēng)力發(fā)電機組，變槳距風(fēng)力發(fā)電機啟動與制動性能好，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)~片氣動特性，提高風(fēng)力機在高風(fēng)速時的輸出功率。由于風(fēng)力機變槳距系統(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，使功率曲線達到理想狀態(tài)，本設(shè)計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)電機組的運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)電機并人電網(wǎng)之前，風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是根據(jù)速度給定信號與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速反饋信號由速度控制器 A來控制 ；發(fā)電機并入電網(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)電機的轉(zhuǎn)速給出與其相對應(yīng)的風(fēng)力機功率變化曲線，再由轉(zhuǎn)子電流控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(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)力機組運行狀態(tài)給出。風(fēng)電網(wǎng)功率傳感器圖 1 變槳距風(fēng)力發(fā)電簡圖變槳距系統(tǒng)的功能是采用風(fēng)力機動力系統(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而沿著縱軸的方向旋轉(zhuǎn)，改變槳葉的槳距角，達到改變風(fēng)力機組所獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩的目的，從而控制風(fēng)輪所吸收的能量，改善整個風(fēng)力機的能量吸收狀況，有效地解決風(fēng)力機因風(fēng)速過大受力加大影響風(fēng)力機使用壽命的問題 J。圖 1為變槳距風(fēng)力發(fā)電簡圖。圖 1中，W為風(fēng)力機葉片轉(zhuǎn)速，P為反饋風(fēng)力機功率，p 為風(fēng)力機機械功率額定值，口為槳距角。收稿日期：20110331；修回日期：2011042511 啟動

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

6、滿足并網(wǎng)運行條件，從而葉使槳距角由待機角度 9。繼續(xù)減小到 3。，此時風(fēng)力 并網(wǎng)運行?？刂齐妷篈發(fā)電機B電網(wǎng)-1控制熹器Br 給度發(fā)電機轉(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)力機并網(wǎng)穩(wěn)定運行以后，如果風(fēng)速繼續(xù)降低，且持續(xù)低于額定風(fēng)速，即長時間處于低風(fēng)速階段，此時變槳距控制器并不動作，槳距角不改變，風(fēng)力機槳距角始終保持在 3。，此時風(fēng)力 機輸出功率不受系統(tǒng)控制，而是根據(jù)葉片的氣動性能隨風(fēng)速的變化而不斷變化，風(fēng)力機始終保持運行在風(fēng)機最大風(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，達到風(fēng)力機額定

7、功率運行條件時，風(fēng)力機進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)功率反饋信號控制槳葉變化減小槳距角，從而減少風(fēng)力發(fā)電機組所獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩進而減小風(fēng)力機的風(fēng)能利用效率，控制風(fēng)力機輸出穩(wěn)定功率，同時也減少風(fēng)機葉片受力，使之滿足于風(fēng)力機的機械承受能力，增加風(fēng)機的使用壽命。然而隨著風(fēng)力機組容量的增加，大型風(fēng)力機組的單機重量已經(jīng)達到了數(shù)噸。對于控制如此巨大的風(fēng)機，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)電機輸出功率曲線達到理想狀態(tài)，本設(shè)計在液壓變槳距控

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

9、0 kW 風(fēng)力發(fā)電機組作為實驗對象，目前市場上應(yīng)用的變槳距控制有電動變槳距和電液伺服變槳距 (液壓變槳距 )兩種。相比較電動變槳距，液壓變槳距執(zhí)行機構(gòu)由于具有動態(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)點在變槳距機構(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和壓力傳感器 1、2的壓力信號等控制 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四點的球軸承在整流罩內(nèi)連接，使槳葉能進行軸向轉(zhuǎn)動，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動就能轉(zhuǎn)化為槳葉的圓周運動，此風(fēng)機的變槳角度為一5。9O。(3)當(dāng)遇到故障停機或有急停信號時，PLC控制電磁閥 JA和 JC打開 ，JB關(guān)閥，使葉片迅速變動到順槳狀態(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)電機的功率信號 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、液壓傳感器 1和2的信號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

11、數(shù)字量輸入端 口，16個數(shù)字量輸出端口，最大可擴展 128點數(shù)字量和 32點2011年第5期張尚云，等：基于PLC的風(fēng)力機變槳距控制系統(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)電機的啟動條件時，PLC發(fā)出指令使葉片槳距角勻速減少；當(dāng)發(fā)電機并網(wǎng)以后 PLC會 根據(jù)反饋功率進行調(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)遇故障停機或有急停信號時，PLC控制電磁閥 JA和 Jc打開，JB關(guān)閉，

12、使葉片迅速變動到順槳狀態(tài)，不吸收風(fēng)能。風(fēng)力機變槳距控制程序流程圖如圖 4所示。當(dāng)風(fēng)速高于啟動風(fēng)速，PLC發(fā)出指令控制槳距角從 90。減少到 15。；這時如果發(fā) 電機的轉(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 檢測到轉(zhuǎn)速大于 1000 rs時并 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)實驗驗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)論距控制機構(gòu)的中心控制器，已在 750 kW 變槳距風(fēng)力機組上做了實驗。根據(jù)現(xiàn)場的實驗記錄可以看出，該系統(tǒng)完全可以使風(fēng)力機安全運行，并且在出現(xiàn)故障停機或者按下急停按鈕時能迅速順槳停機；在運行時能滿足功率最優(yōu)的原則。在高風(fēng)速時能根據(jù)輸出功率調(diào)整槳距角、調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速使功率穩(wěn)定輸出在 750 kW 左右；在低風(fēng)速時槳距角維持在 3。位置，滿足設(shè)計要求。圖 4 變槳距控制流程圖參考文獻：1 周燕莉風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)在與發(fā)展趨勢 J甘肅科技，2008，24(3)：9112 張雷PLC在大型風(fēng)力機變槳距系統(tǒng)中的應(yīng)用J電氣應(yīng)用，2007，26(9)：1201233

14、 梁磊變槳距與變速風(fēng)力發(fā)電機組的基本控制技術(shù)D大連：大連理工大學(xué)，2006：14194 常杰，孟彥京風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)設(shè)計 J電氣傳動，2010，40(5)：41-435 劉艷梅，任雙艷，李一波s7300可編程控制器(PLC)教程M北京 ：人民郵電出版社，20086 劉湘琪，邱敏秀，林勇剛液壓技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用J機床與液壓，2004(8)：114116系統(tǒng)采用西門子公司的 S7300PLC作為該變槳Research on W ind Turbine Pitch ControlSystem Based on PLCZHANG Shang-yun，QIXiangdong(SchoolofElectronicandInformationEngineering，TaiyuanUniversityofScienceTechnology，Taiyuan030024，China)Abstract：In thispaperahydraulic pitch controlsystem with a seriesofSiemenss7-300 PLC asthe centralcontrolerisdesignedIn or