基于PLC平臺(tái)的風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王菲

摘 要：本文首先介紹了變槳距控制系統(tǒng)的工作原理，其次在硬件選型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于PLC平臺(tái)的風(fēng)電機(jī)組變槳控制方案。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得知，設(shè)計(jì)的PLC變槳系統(tǒng)可以使機(jī)組安全可靠運(yùn)行，驗(yàn)證了軟硬件設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：變槳距；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；PLC

1 引言

與定槳距風(fēng)電機(jī)組相比，變槳距風(fēng)電機(jī)組表現(xiàn)出更多的優(yōu)越性：既能提高機(jī)組的可靠性，又能保證高的風(fēng)能利用系數(shù)、優(yōu)化輸出功率曲線。隨著風(fēng)電機(jī)組功率等級(jí)的增加，采用變槳距技術(shù)已是勢(shì)在必行。變槳距風(fēng)力機(jī)重量較輕，整機(jī)的受力狀況良好，并使風(fēng)電機(jī)組有可能在不同風(fēng)速下始終保持最佳風(fēng)能利用率。風(fēng)電機(jī)組能否實(shí)時(shí)獲取最大風(fēng)能，取決于變槳距控制系統(tǒng)。

風(fēng)電機(jī)組大多工作于惡劣的自然環(huán)境中，而且無(wú)人值守，這就要求其控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力和較強(qiáng)的工作可靠性。在運(yùn)行時(shí)，要求變槳距系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)啟停命令、實(shí)時(shí)優(yōu)化輸出功率曲線。通過(guò)分析變槳距控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求，選用PLC作為平臺(tái)設(shè)計(jì)控制器能夠滿足變槳距系統(tǒng)的控制要求。

2 變槳距風(fēng)力機(jī)及其控制方式

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，變槳距控制器是機(jī)組核心控制器之一，其性能直接關(guān)系到機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，影響機(jī)組的使用壽命。通過(guò)合理控制槳距角，可以使輸出功率更加平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩振蕩和機(jī)艙振蕩減小，而且可以有效地降低噪音、改善葉片和整機(jī)的受力狀況。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備更好的風(fēng)能捕獲效率，因此，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多都采用變槳距控制技術(shù)。

變槳距調(diào)速是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要調(diào)速方式之一。變槳距調(diào)速的原理是通過(guò)增大槳距角，從而減小由于風(fēng)速增大而引起的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速加快的趨勢(shì)。液壓變槳距系統(tǒng)將電動(dòng)液壓泵作為工作單元，將電磁閥作為主要控制單元，將液壓油作為傳遞介質(zhì)，以油缸活塞桿的徑向運(yùn)動(dòng)推動(dòng)葉片的圓周運(yùn)動(dòng)，從而改變?nèi)~片的槳距角。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，變槳距控制系統(tǒng)動(dòng)作，推動(dòng)葉片向槳距角增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)而使葉片捕獲的風(fēng)能減少，維持風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速附近。當(dāng)風(fēng)速減小時(shí)，實(shí)現(xiàn)相反動(dòng)作，保證風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能基本恒定。液壓變槳距系統(tǒng)具有體積小、輕巧、扭矩大、定位準(zhǔn)確、不需要變速結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，能夠更加快速、準(zhǔn)確地將葉片調(diào)節(jié)至設(shè)定槳距。因此，目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用液壓系統(tǒng)作為變槳距系統(tǒng)。

3 變槳距控制器的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

采用歐姆龍公司的CJ1M系統(tǒng)PLC作為平臺(tái)設(shè)計(jì)變槳控制器。發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)由功率傳感器以模擬量信號(hào)（0～10V對(duì)應(yīng)功率0～800KW）輸入到PLC，槳距角信號(hào)也以模擬量信號(hào)（0～10V對(duì)應(yīng)槳距角0～90°）輸入到PLC模擬量輸入單元，液壓傳感器信號(hào)同樣以模擬量形式輸入PLC。模擬量輸入單元選用CJ1W-AD041，模擬量輸出單元選用CJ1W-DA021，輸出信號(hào)范圍為-10V～+10V，信號(hào)輸出給比例閥用來(lái)控制變槳速度。選用高速計(jì)數(shù)單元CJ1W-CT021用來(lái)記錄發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的輸入功率，是機(jī)組不可或缺的組成部分。圖1為變槳距控制系統(tǒng)原理圖。機(jī)組在啟動(dòng)過(guò)程中，葉片預(yù)定位置是待機(jī)還是順槳，主要由風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。在機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電后，變槳距控制在風(fēng)速和發(fā)電機(jī)輸出功率變化時(shí)，啟動(dòng)功率調(diào)節(jié)器使輸出功率穩(wěn)定在其額定值附近，當(dāng)風(fēng)速高于設(shè)定的切出風(fēng)速時(shí)，控制器啟動(dòng)緊急全順槳。

歐姆龍PLC作為機(jī)組變槳距控制器實(shí)現(xiàn)了變槳系統(tǒng)的主要功能，采用其編程軟件實(shí)現(xiàn)了機(jī)組變槳距系統(tǒng)的所有控制算法。當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，變槳控制器動(dòng)作，減小槳距角到設(shè)定位置；當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，變槳控制器調(diào)節(jié)槳距角使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近；急停或者停機(jī)等故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，變槳控制器控制液壓系統(tǒng)動(dòng)作立即拖動(dòng)葉片實(shí)現(xiàn)全順槳。

圖2為風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)控制流程圖。當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向儀檢測(cè)到風(fēng)速大于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，變槳PLC控制葉片從90°槳距角以1°/s的速度減小至10°；同時(shí)若檢測(cè)到主軸轉(zhuǎn)速在8rad/s以上，則繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片至3°槳距角位置；此時(shí)再檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)速是否滿足并網(wǎng)條件，如果轉(zhuǎn)速大于10rad/s并維持10分鐘以上，則發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，否則調(diào)節(jié)葉片退至槳距角10°位置。風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，功率調(diào)節(jié)在機(jī)組變槳系統(tǒng)中至關(guān)重要，為改善控制效果，采用模糊PID算法作為該風(fēng)速段的變槳距控制器算法核心。模糊PID控制器根據(jù)實(shí)際測(cè)量功率與給定功率的偏差e及其變化率ec，調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)中比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd。加入模糊控制算法的PID自適應(yīng)控制器具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性，并在非線性系統(tǒng)中體現(xiàn)了較好的適應(yīng)性。

模擬PID控制器應(yīng)遵循的規(guī)則：給定功率與反饋功率的偏差較大時(shí)，控制器以快速消除偏差為主；偏差較小時(shí)，控制器應(yīng)以保持變槳控制系統(tǒng)穩(wěn)定、防止超調(diào)過(guò)大為主。模擬控制器在設(shè)計(jì)上采用Mamdani法，同時(shí)運(yùn)用最大隸屬法則解模糊系數(shù)，最后得到自適應(yīng)PID法模糊查詢表。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述提出的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)訓(xùn)室風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象進(jìn)行了模擬實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)試，此方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)的良好控制。采用這種PLC控制可以使風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行，在出現(xiàn)停機(jī)故障時(shí)可以迅速順槳停機(jī)；運(yùn)行時(shí)滿足功率最優(yōu)化的原則，在額定風(fēng)速以下時(shí)，槳距角保持在3°不變，在額定風(fēng)速以上時(shí)，能夠根據(jù)輸出功率與額定功率的差值調(diào)節(jié)槳距角的位置，使輸出功率維持在額定功率附近，波動(dòng)誤差不超過(guò)10%。本文基于PLC平臺(tái)設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組變槳距控制器，抗干擾能力強(qiáng)、性能可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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