3變槳控製器的設計

　　3.1係統的硬件構成

　　本文實驗中采用的電動獨立變槳距係統由交流伺服係統、伺服電機、後備電源、輪轂主控構成。電動變槳距係統結構如圖5、6所示。係統參數與(yu) 接口的設計依據為(wei) SSB1.5MW雙饋式風力發電機組變槳距係統。

　　圖5 電動獨立變槳距係統結構

　　圖6 電動獨立變槳距係統結構2

　　本文中的風電係統涉及風速、風向、振動加速、振動開關(guan) 、偏航、刹車液壓係統、齒輪傳(chuan) 動係統、液壓、溫度等等信號。其中，輸入數字量約70-80路；模擬量約10路；溫度量約16路；輸出數字量約32路；此外，還需要用到發電機轉速測量高速計數信號。為(wei) 了滿足需求，采用了羅克韋爾 SLC 500係列PLC。SLC 500有多款不同容量和內(nei) 置通訊接口的處理器可選。提供最大容量最多可達64K字（128K字節）的數據/程序內(nei) 存，SLC 500的模塊化I/O係統提供了包括開關(guan) 量、模擬量和專(zhuan) 用模塊在內(nei) 的60多種I/O模塊。SLC500係列處理器的程序和數據是以文件的形式在內(nei) 存中存儲(chu) 的。處理器文件分為(wei) 程序文件和數據文件，程序文件可高達256個(ge) ，包括處理器信息、梯形圖主程序、中斷子程序及其他用戶根據需要編製的子程序文件;數據文件包括與(yu) 外部 I/O及所有梯形圖程序使用的與(yu) 指令相關(guan) 的數據信息。它包含 輸出 /輸入、狀態、位、計時器、計數器、控製結構、整數、浮點數、字符串、ASCII碼文件 ，用戶可以根 據需要定義(yi) 除輸出 /輸入和狀態文件以外的可達 256個(ge) 數據文件。

　　此外，SLC500控製係統還提供 50多種不同的 I/O模塊滿足用戶的不同需求。本地模塊采用硬件尋址方式 ，程序邏輯可直接存取 I/O數據。 （1 ）開關(guan) 量 I/O模塊。包括各種輸入 /輸出 方式和不同的 I/O點數 ，有 4、8、16和 32點開關(guan) 量 I/O模塊及 8、12和 16點 I/O混合模塊等 ，可 與(yu) 不同電壓等級的交流、直流和 TTL電平連接。 其中有負載電流達 2 A和 2. 5 A的大電流繼電器模塊、固態輸出模塊和最大接通信號延遲時間隻 有 0. 3 ms、最大關(guan) 斷信號延遲時間隻有 0. 5 ms的快速響應直流輸入模塊。為(wei) 提高工業(ye) 應用的可靠 性 ，這些模塊都提供了輸入濾波和光電隔離功能。 16點 I/O模塊上還有可拆卸的接線端子排 ，使接 線和更換模塊更容易。 （ 2）模擬量 I/O模塊。SLC500係列模擬量 （ 模塊有 4路 I/O、4路混合 I/O 2路輸入 /2路輸 ） 出 模塊和高密度的 8路輸入模塊及快速響應模 塊等。輸入模塊都采用差分輸入 ，每路通道可單 獨配置成不同等級的電流或電壓輸入方式 ，最高 輸入分辨率可達 16 bit精度。具有輸入濾波 ，對 電氣噪聲具有高度的防護能力。輸出通道的精度都是 14 bit，提供精確的控製能力。SLC500係列 模擬量 I/O模塊可以選擇由框架的背板供電 ，不需外部電源。

　　係統中，發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(chuan) 感器1、2也要以模擬量的形式輸入。在這裏選用了4路模擬量的輸入單元；4路模擬量輸出單元，輸出信號為(wei) -10V～+10V，將信號輸出到執行機構來控製進槳或退槳速度；為(wei) 了測量發電機的轉速，選用高速計數單元，發電機的轉速是通過檢測與(yu) 發電機相連的光電碼盤，每轉輸出10個(ge) 脈衝(chong) ，輸入給計數單元。

　　3.2係統的軟件設計

　　本係統的主要功能都是由PLC來實現的，當滿足風力機起動條件時，PLC發出指令使葉片槳距角從(cong) 90°勻速減小；當發電機並網後PLC根據反饋的功率進行功率調節，在額定風速之下保持較高的風能吸收係數，在額定風速之上，通過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，PLC控製執行電機，使得葉片迅速變到槳距角為(wei) 90°的位置。

　　風力機起動時變槳控製程序流程如圖7所示。當風速高於(yu) 起動風速時PLC通過模擬輸出單元輸出1.8V電壓，使葉片以0.9°/s的速度變化到15°。此時，若發電機的轉速大於(yu) 800r/s或者轉速持續一分鍾大於(yu) 700r/s，則槳葉繼續進槳到3°位置。PLC檢測到高速計數單元的轉速信號大於(yu) 1000r/s時發出並網指令。若槳距角在到達3°後2分鍾未並網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7 風力機起動變槳控製程序流圖

發電機並上電網後通過調節槳距角來調節發電機輸出功率，功率調節程序流程圖如圖5所示。當實際功率大於(yu) 額定功率時，PLC的模擬輸出單元CJ1W-DA021輸出與(yu) 功率偏差成比例的電壓信號，並采用LMT指令使輸出電壓限製在-4.1V（對應變槳速度4.6°/s）以內(nei) 。當功率偏差小於(yu) 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(wei) 1.8V（對應變槳速度0.9°/s）。為(wei) 了防止頻繁的往複變槳，在功率偏差在±10KW時不進行變槳。

　　圖8 變槳調功程序流程圖

　　在變槳距控製係統中，高風速段的變槳距調節功率是非常重要的部分，若退槳速度過慢則會(hui) 出現過功率或過電流現象，甚至會(hui) 燒毀發電機；若槳距調節速度過快，不但會(hui) 出現過調節現象，使輸出功率波動較大，而且會(hui) 縮短變槳缸和變槳軸承的使用壽命。會(hui) 影響發電機的輸出功率，使發電量降低。在本係統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發電機功率過高現象。

　　圖8為(wei) 變槳距功率調節部分的梯形圖程序。100.08是啟動功率調節命令，當滿足功率調節條件時，繼電器100.08由0變為(wei) 1；D2100存放的是發動機額度功率與(yu) 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(wei) 1時即功率偏差為(wei) 負值，D2100中的功率偏差按一定比例進行縮放，並通過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(wei) 0，即功率偏差為(wei) 正值，將D2100的值通過SCL3指令按比例係數縮放。

4.結束語　　

　　在國內(nei) 一些機構已經對變槳距控製進行了一定的研究，如沈陽工業(ye) 大學、浙江大學、新疆大學等，其中浙江大學對獨立變槳距風力機控製做了初步的探討，但是變槳距控製在國內(nei) 還沒有成功應用的例子，變槳距控製在國內(nei) 還處於(yu) 理論研究階段，較高風力機成本也限製了實驗的進展，在國內(nei) 主要做了理論研究和仿真分析。雖然金風公司在今年生產(chan) 安裝了1.2MW的變槳距直驅永磁同步風力發電機，但是其變槳控製係統還沒有實現國產(chan) 化，還依靠國外的技術。東(dong) 方汽輪機生產(chan) 的1.5MW FD70風力機采用了LUST的獨立變槳控製器。#p#分頁標題#e#

　　采用了羅克韋爾 SLC 500係列PLC作為(wei) 大型風力發電機變槳距係統的控製器，已經在廣東(dong) 南澳島的國外某知名風電公司型變槳距風力機上作了實驗。在現場的實驗記錄表明，采用這種PLC控製係統可以使風力機安全運行，在出現停機故障時可以迅速順槳停機；運行時滿足功率最優(you) 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輸出功率調整槳距角的位置，滿足設計要求。由於(yu) 變槳距係統中采用了PLC作為(wei) 控製器，使得該係統僅(jin) 用簡單的軟件程序就完成了複雜的邏輯控製，而且抗幹擾能力強，性能可靠。可以預見，羅克韋爾 SLC 500係列PLC在風力發電場合會(hui) 有大的應用前景。