基于歐姆龍PLC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)

1引言

　　隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性顯得更加突出既能提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的可靠性，又能保證高的風(fēng)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(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)可使葉輪重量減輕，使整機(jī)的受力狀況大為改善，使風(fēng)電機(jī)組有可能在不同風(fēng)速下始終保持最佳轉(zhuǎn)換效率，使輸出功率最大，從而提高系統(tǒng)性能。隨著風(fēng)電機(jī)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(jī)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(dú)立變槳兩種。在統(tǒng)一變槳基礎(chǔ)上發(fā)展起來的獨(dú)立變槳距技術(shù)，每支葉片根據(jù)自己的控制規(guī)律獨(dú)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，越來越受到國際風(fēng)電市場的歡迎。

　　兆瓦級變速恒頻變槳距風(fēng)電機(jī)組是目前國際上技術(shù)比較先進(jìn)的風(fēng)力機(jī)型，從今后的發(fā)展趨勢看，必然取代定槳距風(fēng)力機(jī)而成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力機(jī)型。其中變槳距技術(shù)在變速恒頻風(fēng)力機(jī)研究中占有重要地位，是變速恒頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提條件。研究這種技術(shù)，提高風(fēng)電機(jī)組的柔性，延長機(jī)組的壽命，是目前國外研究的熱點(diǎn)，但是國內(nèi)對此研究甚少，對這一前瞻性課題進(jìn)行立項(xiàng)資助，掌握具備自主知識產(chǎn)權(quán)的獨(dú)立變槳控制技術(shù)，對于打破發(fā)達(dá)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(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(jì)了PLC軟件程序，在國外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上作了實(shí)驗(yàn)。

2變槳距風(fēng)力機(jī)及其控制方式

　　變槳距調(diào)速是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的調(diào)速方式之一，如圖1所示為變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的簡圖。調(diào)速裝置通過增大槳距角的方式減小由于風(fēng)速增大使葉輪轉(zhuǎn)速加快的趨勢。當(dāng)風(fēng)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(fēng)能減少，維持風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速減小時，實(shí)行相反操作，實(shí)現(xiàn)風(fēng)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、定位精確、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證更加快速、準(zhǔn)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(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)簡圖

　　如圖2所示為變槳距控制器的原理框圖。在發(fā)動機(jī)并入電網(wǎng)之前由速度控制器根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號進(jìn)行變槳距控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速及風(fēng)速信號來確定槳葉處于待機(jī)或順槳位置；發(fā)動機(jī)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(yùn)算后得到槳距角位置。

　　圖2變槳距風(fēng)力機(jī)控制框圖

　　當(dāng)風(fēng)力機(jī)在停機(jī)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(dāng)風(fēng)力機(jī)由停機(jī)狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)時，槳距角由90°以一定速度（約1°/s）減小到待機(jī)角度（本系統(tǒng)中為15°）；若風(fēng)速達(dá)到并網(wǎng)風(fēng)速，槳距角繼續(xù)減小到3°（槳距角在3°左右時具有最佳風(fēng)能吸收系數(shù)）；發(fā)電機(jī)并上電網(wǎng)后，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，使槳距角保持在3°不變；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)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(jī)命令時，控制器將輸出迅速順槳命令，使得風(fēng)力機(jī)能快速停機(jī)，順槳速度可達(dá)20°/s。