基于plc風電機組變槳距系統(tǒng)

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1、基于PLC的風電機組變槳距系統(tǒng)在風力發(fā)電系統(tǒng)中，變槳距控制技術(shù)關(guān)系到風力發(fā)電機組的安全可靠運行，影響風力機的使用壽命，通過控制槳距角使輸出功率平穩(wěn)、減小轉(zhuǎn)矩振蕩、減小機艙振蕩，不但優(yōu)化了輸出功率，而且有效的降低的噪音，穩(wěn)定發(fā)電機的輸出功率，改善槳葉和整機的受力狀況。變槳距風力發(fā)電機比定槳距風力發(fā)電機具有更好的風能捕捉特性，現(xiàn)代的大型風力發(fā)電機大多采用變槳距控制。本文針對國外某知名風電公司液壓變槳距風力機，采用可編程控制器(PLC)作為風力發(fā)電機的變槳距控制器。這種變槳控制器具有控制方式靈活，編程簡單，抗干擾能力強等特點。本文介紹了液壓變槳距系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了變槳控制器的軟件系統(tǒng)。最后在國

2、外某知名風電公司風力發(fā)電機組上做了實驗，驗證了將該變槳距控制器可以在變槳距風力機上安全、穩(wěn)定運行的。隨著風電技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，變槳距風力發(fā)電機的優(yōu)越性顯得更加突出：既能提高風力機運行的可靠性，又能保證高的風能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線。采用變槳距機構(gòu)的風力機可使葉輪重量減輕，使整機的受力狀況大為改善，使風電機組有可能在不同風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。隨著風電機組功率等級的增加，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)一變槳和獨立變槳兩種。在統(tǒng)一變槳基礎(chǔ)上發(fā)展起來的獨立變槳距技術(shù)，每支葉片根

3、據(jù)自己的控制規(guī)律獨立地變化槳距角，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，越來越受到國際風電市場的歡迎。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)計了PLC軟件程序，在國外某知名風電公司風力發(fā)電機組上作了實驗。變槳距風力機及其控制方式變槳距調(diào)速是現(xiàn)代風力發(fā)電機主要的調(diào)速方式之一，如圖1所示為變槳距風力發(fā)電機的簡圖。調(diào)速裝置通過增大槳距角的方式減小由于風速增大使葉輪轉(zhuǎn)速加快的趨勢。當風速增大時，變槳距液壓缸動作，推動葉片向槳距角增大的方向轉(zhuǎn)動使葉片吸收的風能減

4、少，維持風輪運轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。當風速減小時，實行相反操作，實現(xiàn)風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)行機構(gòu)動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能夠保證更加快速、準確地把葉片調(diào)節(jié)至預(yù)定節(jié)距。目前國內(nèi)生產(chǎn)和運行的大型風力發(fā)電機的變距裝置大多采用液壓系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)。圖1變槳距風力發(fā)電機簡圖如圖2所示為變槳距控制器的原理框圖。在發(fā)動機并入電網(wǎng)之前由速度控制器根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速反饋信號進行變槳距控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速及風速信號來確定槳葉處于待機或順槳位置；發(fā)動機并入電網(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運算后得到槳距角

5、位置。圖2變槳距風力機控制框圖當風力機在停機狀態(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；當風力機由停機狀態(tài)變?yōu)檫\行狀態(tài)時，槳距角由90°以一定速度（約1°/s）減小到待機角度（本系統(tǒng)中為15°）；若風速達到并網(wǎng)風速，槳距角繼續(xù)減小到3°（槳距角在3°左右時具有最佳風能吸收系數(shù)）；發(fā)電機并上電網(wǎng)后，當風速小于額定風速時，使槳距角保持在3°不變；當風速高于額定風速時，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)故障或有停機命令時，控制器將輸出迅

6、速順槳命令，使得風力機能快速停機，順槳速度可達20°/s。變槳控制器的設(shè)計◆系統(tǒng)的硬件構(gòu)成本文實驗中采用國外某知名風電公司風力發(fā)電機組作為實驗對象，其額定功率550KW，采用液壓變槳系統(tǒng)，液壓變槳系統(tǒng)原理圖如圖３所示。從圖３中可以看出，通過改變液壓比例閥的電壓可以改變進槳或退槳速度，在風力機出現(xiàn)故障或緊急停機時，可控制電磁閥J-B閉合、J-A和J-C打開，使儲壓罐1中的液壓油迅速進入變槳缸，推動槳葉達到順槳位置（90°）。圖３液壓變槳距控制系統(tǒng)原理圖本系統(tǒng)中采用OMRON公司的CJ1M系列PLC。發(fā)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(yīng)功率0～800KW）輸入到PLC，

7、槳距角反饋信號（0～10V對應(yīng)槳距角0～90°）以模擬量的形式輸入到PLC的模擬輸入單元；液壓傳感器1、2也要以模擬量的形式輸入。在這里選用了4路模擬量的輸入單元CJ1W-AD041；模擬量輸出單元選用CJ1W-DA021,輸出信號為-10V～+10V，將信號輸出到比例閥來控制進槳或退槳速度；為了測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，選用高速計數(shù)單元CJW-CT021，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是通過檢測與發(fā)電機相連的光電碼盤，每轉(zhuǎn)輸出10個