基于PLC風力發電機變槳控制系統設計

談 鵬

（國網慶陽供電公司，甘肅 慶陽 745000）

隨著科技進步，人類與能源的關系更加密切。地球上的不可再生能源正趨于枯竭。為解決能源危機和環境污染問題，開發風力發電成為必由之路，風力發電目前具有較好的發展前景，而變槳控制技術是發展風電最主要的核心技術。在風力發電產業上投入一流的變槳控制技術，可以大幅度提高電能質量并減少能量損耗，使得清潔能源在發電行業能夠和傳統能源平價上網。另外，中國的地理環境非常適合于建設風場，發展風電。PLC（Programmable Logic Controller）即可編程邏輯控制器，是一種專門為在工業環境下自動化控制而設計的數字運算操作電子系統。它由內部CPU，指令及數據存儲器、輸入輸出單元、電源模塊、數字模擬等單元所模塊化組合成，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程[1]。

1 風力發電變槳系統的結構和原理

1.1 風力發電機變槳系統的結構

在變槳系統中，槳葉驅動部分由驅動器、伺服電機以及齒輪機構組成；變槳控制部分由保護開關、可編程的邏輯控制裝置以及位置傳感器組成。整個變槳系統的結構如圖1所示：

圖1 變槳系統結構圖

1.2 風力發電機變槳系統的運行原理

本設計風力發電機的風輪模型建為：

式中，P為機械能；ρ為空氣密度；CP為風能利用系數；A為迎風面面積；v為迎風面風速。

一般情況下，能夠被風輪捕獲并且最終轉變為電能不會超過60%。其機械能用另一種方法表示為：

P=Tω

式中，T為轉矩；ω為角頻率。由于負載的變化可以改變轉矩T，故可得：

倘若風速v不變，對于一定的負載，ρ、A、T為常量，則轉速取決于CP的大小，故ω與CP成正比。

定義槳距為：

H=2πrtgβ

式中，r為風輪半徑；β為風力發電機槳距角。通過改變風機的槳距角就可改變槳距，進而改變風機的轉速。其中槳距角β和迎風面風速v成反比，則可通過對槳距角的調節來改變迎風面風速[2]。

風力發電機變槳有以下兩個特點：一是對于某一固定槳距角β，存在唯一的風能利用系數最大值；二是對于任意的尖速比，槳距角為0°時風能利用系數相對最大，隨著槳距角β增大，風能利用系數明顯減小。以上兩點為變速恒頻變槳距控制提供了理論基礎：在風速低于額定風速時，槳距角為0°，通過變速恒頻裝置，根據風速變化改變發電機轉子轉速，使風能利用系數恒定在最大值，捕獲最大風能，并保證輸出電能頻率不變；在風速高于額定風速時，調節槳距角以改變發電機輸出功率，使輸出功率穩定在額定功率附近。

2 變槳系統的總體設計

本設計的變槳控制流程如下：首先需要將槳距角調節到50°左右（具體按照實際情況而改變），當槳葉旋轉速度達到5 rad/min時，立即通過控制裝置將槳距角調至0°，使得槳葉能夠達到當時風速下的最高轉速。風機運行過程中如果風速達不到額定功率要求的速度，則不需要服從控制系統的命令；如果風速超過了風機的運行極限，則必須利用控制系統實時調節槳距角，使得槳葉達到額定功率要求的轉速。

為了滿足運行要求，本設計采用變槳距的控制方式對風力發電系統進行控制，其中變槳控制系統的控制流程如圖2所示。

圖2 變槳控制系統總體控制框圖

3 變槳系統的硬件設計

變槳距控制系統的硬件包括變槳距伺服電機、電機驅動器、PLC 控制器、限位開關、電源模塊、減速箱等。文章就主要硬件的選擇作詳細介紹。

3.1 伺服電機的選擇

在設計中伺服電機的主要作用是給槳葉提供動力，使其能夠在安全的轉速下運行，并要求伺服電機能夠滿足以下條件。

額定轉速：為了保證槳葉不被損壞，在安全范圍內運行，電機必須能夠快速提高槳葉的轉速并可以安全完成順槳工作。

扭矩：考慮到所有減小扭矩的因素并且留有裕度，依舊可以帶動槳葉達到最大轉速。

慣量：考慮到所有增加慣量的因素并且留有裕度，依舊可以滿足設備啟停要求[3]。

根據以上要求,本設計選用星辰伺服電機190J5K02-24YZ11。這種電機應用于多家知名風電企業，并且發生故障的概率比較低。以下是該伺服電機的額定參數：

3.2 限位開關的選擇

由于風力總是隨機變化，不可人為干預，使得需要對槳葉進行不斷調節，以此來保證槳葉的轉速能夠保持恒定。此過程中需要限位開關和回轉軸承觸點的配合來確保變槳控制系統安全收槳，進而保證發電過程的穩定性。

為了能夠讓風力發電系統安全運行，需要對限位傳感器做余度設計，加入兩個限位開關。選擇時需要考慮其尺寸和型號，以此來保證安裝時能夠匹配。本設計中采用兩個德國MNY限位開關，裝在設備槳葉的軸承上面，位置靠后的作為余度來保證限位開關的可靠性，分別在92°和95°的位置各裝設一個。

3.3 風速傳感器的選擇

由于風能具有很高的不確定性，想要穩定控制風機發電，并跟隨風力的變化獲得最大發電功率，就必須準確及時測出風向和風速，并對風機實現相應的控制。因此，風速傳感器的應用是實現變槳控制的必要條件。

本設計選擇FC-2A風速傳感器，該傳感器屬于高精度測量風速傳感器。與傳統風速傳感器相比，其具有測量精度高、量程寬、輸入線電阻高、功耗低、觀測方便、穩定可靠等優點，并且在市面上較為常見[4]。選取的具體型號為TC-2A1，此型號的風速傳感器輸出信號為電流信號，可以有效地被PLC控制單元識別。其主要參數見表1。

表1 FC-2A1風速傳感器主要參數

3.4 PLC控制單元的選擇

本設計選擇規格為CPU-226 的西門子S7-200PLC作為控制單元。該控制單元計算速度能達到毫秒級，并且采用一體化的設計，方便裝設在各種復雜環境中。除此之外，它還包含了控制需要的所有元器件，主要功能較為齊全，價格也相對較低，經濟實用[5]。

經過多年的發展，我國對于S7-200PLC的應用已相當成熟。該PLC除了CPU-200的規格以外，其余規格均增加了I/O口數量和二十多種不同的模塊，其中包括測速、定位以及測溫等功能。除此之外，它還增加了遠程控制功能，可以遠距離對控制單元進行數據存儲、程序編輯、程序監視等。其主要參數見表2、表3。

表2 CPU-226主要參數

表3 I/O接口表

4 變槳系統的軟件設計

本設計采用西門子S7-200編譯軟件編寫控制系統程序，該程序的主要功能是監控運行設備各部位的溫度和電源電壓，以及利用整個系統的工作狀態來控制電機的轉速和槳距角的大小，以此來保證系統的穩定運行。此程序包含了變槳控制系統的主程序和子程序。其中主程序的編寫是固定的，運行等級遠高于子程序，主要是用來完成系統的整體運行，并且起到監視、控制以及維護的作用；而子程序的編寫不是固定不變的，主要用來完成某些部件自動控制，根據個人需求而編寫。

控制系統的運行程序具有以下功能：首先根據位置傳感器確定葉片位置，同時計算出槳距角β，再和早已設定好的β值進行比較，如果一致，則程序就此結束；如果不一致，則計算出葉片槳距角調整值，并且向驅動裝置發出指令，使得葉片按照指令要求轉動。如此循環，始終保證葉片位于給定的槳距角位置。整個變槳系統的工作流程圖如圖3所示。

圖3 變槳系統工作流程圖

5 系統運行調試

本設計具體運行流程如下:

（1）在實際1.25 WM風力發電機組額定運行狀態下達到轉速（即恒轉速）700 rpm或功率（即恒功率）1.25 WM時，PLC S7-200的輸入/輸出電流為15 mA。

（2）數字量開關I0.0和I0.1，分別為啟動和停止程序。

（3）數字量開關I0.2和I0.3，分別為控制葉槳上升和下降到45°和90°。

（4）數字量開關I0.4和I0.5，分別為控制系統進入“恒轉速模式”和“恒功率模式”，并且有互鎖功能（防止兩種模式同時運行）。

（5）數字輸出量為Q1.0（即伺服電機系統數字量輸出端口），發出信號后由動力系統自動根據實時數據控制葉槳轉動。

（6）模擬量檢測（以風速檢測為例）

首先風速傳感器測量實時風速（風速在3～25 m/s為正常運行范圍，其他風速時系統自動停止），并將風速模擬量IW2賦值給風速存儲單元MD0，再乘以1 105（根據計算風速每提升或下降1m/s時，PLC S7-200的電流模擬值為十進制數1105）[6]，并且將所得的十進制數存儲于MD1單元，即MD1的數據為當時風速模擬量對應于PLC S7-200中的十進制數，最后手動調節葉槳（0°～45°）。（發電機轉速反饋輸入和發電機功率反饋輸入同理）。變槳系統主程序流程圖如圖4所示。

圖4 變槳系統主程序流程圖

加入變槳控制系統的風力發電機組和之前相比，將明顯提高輸出的電能質量，使系統運行更加平穩，以此證明變槳控制系統的應用是一種能夠強力推動新能源發展的創新。

6 成果與啟示

本次設計成果主要體現在以下兩方面，一方面是通過了解風機變槳系統的工作流程和對大量參考文獻的整理，深入剖析了風機變槳系統的工作原理，通過自己的領悟，對今后此類問題具有比較實用的參考價值；另一方面，文章針對變槳系統的組成以及各個模塊的配合作了描述，分析了在各種工況下變槳控制系統會如何進行自我調節，輸出穩定的功率。