基于PLC的风力机变桨距控制系统研究.pdf

第 5期 总第 1 6 8期 2 0 1 1 年 1 0月 机 械 工 程 与 自 动 化 MEC HANI C AL E NGI NE ER I NG ＆ AUT OMA耵 ON No ． 5 Oc t ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 1 1 0 0 1 4 7 0 3 基于 P L C的风力机变桨距控制系统研究 张尚云 ，齐向 东 太原科技大学 电子信息工程学院，山西太原0 3 0 0 2 4 摘要设计了一种以西门子 s 7 3 0 0系列P L C为中心控制器的液压变桨距控制系统，而且为了实现功率的平 稳调节引入了转子电流控制器。通过软、硬件的设计，较理想地实现了风力机的液压变桨距控制。 关键词风力发电；西门子S - ／ 一3 0 0 P L C ；液压变桨距；转子电流控制器 中图分类号T P 2 7 3 T K 8 3 文献标识码A O引言 随着世界经济的深人发展 ，各国对能源的需求 日 益加大 ，煤 、石油等常规能源已经面临枯竭。目前风 能成为最具有大规模开发前景的可再生资源 ，可有效 地解决环境污染 ，缓解全球气 候变化 和能源短 缺问 题 ⋯ 。 目前投入运行 的风力发电机组主要有两类功率调 节方式 一类是定桨距失速控制；另一类是变桨距控 制。相对于定桨距失速控制 的风力发电机组 ，变桨距 风力发 电机启动与制动性能好 ，具有较高 的风能利用 率 ，并且在额定功率以上变桨距可以调节桨距角的大 小从而改变叶片气动特性，提高风力机在高风速时的 输出功率。 由于风力机变桨距系统 的响应速度受系统反应速 度的影响，使其不能跟随快速变化的风速 ，所以如果 只通过变桨距控制器改变节距来控制风力机的输 出功 率 ，其控制效果并不理想。因此 ，为了更好地优化输 出功率曲线 ，使功率曲线达到理想状态 ，本设计在液 压变桨距控制的基础上引入 了转子电流控制器。 1 变桨距 风 力发 电机 组的运 行 过程 变桨距系统的功能是采用风力机动力系统和其控 制技术 ，使安装在轮毂上的叶片可以跟随变桨缸的左 右移动而沿着纵轴的方向旋转 ，改变桨叶的桨距角 ， 达到改变风力机组所获得的空气动力转矩的目的，从而 控制风轮所吸收的能量，改善整个风力机的能量吸收状 况 ，有效地解决风力机因风速过大受力加大影响风力机 使用寿命的问题 J 。图 1 为变桨距风力发电简图。 图 1中， W为风力机叶片转速 ， P为反馈风力机功 率， p 为风力机机械功率额定值 ， 口为桨距角。 新型变桨距 控制 系统 框 图见 图 2 。其 工作过程 为 在发 电机并人电网之前 ，风力发电机的转速是根 据速度给定信号与发电机的转速反馈信号由速度控制 器 A来控制 ；发 电机并入 电网之后，速度控制器 A 不再起作用 ，改 由功率控制器 和速度 控制器 B共 同 起作用。其中功率控制器的作用是根据反馈 回来的风 力发电机的转速给出与其相对应的风力机功率变化曲 线 ，再由转子电流控制器调节发电机转差率 ，调节发 电机转速，并确定其 中速度控制器 B的速度给定值。 桨距角即节距给定的参考值 由中心控制器根据风力机 组运行状态给出。 风 电网 功率 传感器 图 1 变桨距风力发电简图 1 ． 1 启动过 程 当变桨距风力机组在无 风状 态时 本 系统设 定 风速低于 3 ． 5 m ／ s 时 ，风力机 组不工作 ，叶片处于 顺桨 ，桨距角位于 9 0 。 位置 ，这样气流对桨叶不会产 生作用 ；当持续风速高于 3 ． 5 m／ s ，达到风力机 的启 动风速时，风力机将由停机状态变为运行状态 ，中心 控制器发 出指令调节叶片使 风力机桨距角 由 9 0 。 ．陕速 地转到待机角度 9 。 系统设定 ，风速继续增加，当 增加并达到发电机并人 电网条件时 ，要求风力发电机 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 3 1 ；修 回 日期 2 0 1 1 0 4 2 5 作者简介张尚云 1 9 8 5 一 ， 男， 山东烟台人 ， 在读硕士研究生， 研究方向 电力电子与电力传动。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 1 年 第 5期 进入发 电工作状态 ，中心控制器发 出指令继续调节桨 机具有最佳风能吸收系数 ，满足并网运行条件 ，从而 叶使桨距角由待机角度 9 。 继续减小到 3 。 ，此时风力 并网运行 。 控制电压 熹 给 度 _-1 控 制 器 B r 发电机转速 最大功率给定 功率 控制器 电流给定 发电机 图 2 新型变桨距控制系统框图 1 ． 2 功 率低 于额 定功 率 当风力机并 网稳定 运行 以后 ，如果 风速继续降 低 ，且持续低 于额定风 速 ，即长时 间处 于低风速 阶 段 ，此时变桨距控制器并不动作 ，桨距角不改变 ，风 力机桨距角始终保持在 3 。 ，此时风力 机输 出功率不 受系统控制 ，而是根据叶片的气动性能随风速的变化 而不断变化 ，风力机始终保持运行在风机最大风能利 用系数 C 处。 1 ． 3 功率高于额定功率 由于风速不断变化 ，如果风速转而持续升高到高 于额定风速 ，达到风力机额定功率运行条件时 ，风力 机进入额定功率工作状态。如果风速在高于额定风速 之后还继续升高 ，则变桨距控制器根据功率反馈信号 控制桨叶变化减小桨距角 ，从而减少风力发电机组所 获得的空气 动力转矩进 而减小风力机的风能利用效 率 ，控制风力机输 出稳定功率 ，同时也减少风机叶片 受力 ，使之满足于风力机的机械承受能力 ，增加风机 的使用寿命。 然而随着风力机组容量 的增加 ，大型风力机组的 单机重量 已经达到 了数吨。对 于控制 如此 巨大 的风 机 ，其控制响应速度要随着风速的变化而不断变化是 非常困难的，因此仅通过控制器控制桨距角的变化来 控制发 电机 的输出功率使其稳定是不理想的。 为了优化功率曲线 ，尽量使发电机输出功率曲线 达到理想状态 ，本设计在液压变桨距控制的基础上引 入了转子电流控制器 ，即变桨距发电机组在采用普通 液压变桨距进行功率调节的过程中 ，风力发电机功率 的反馈信号不再直接作为控制节距变化的因素 ，而 由 风速低频分量与发电机转速相结合来控制风力机组变 桨距系统，由转子电流控制器调节发电机的转差率来 减少由风速高频分量产生的机械能波动 ，通过迅速改 变发电机的转速来进行平衡调节。当风速高于额定风 速，在调节桨距角的同时调节发 电机转速 ，使发电机 转速升高 ，将增加 的风 能以风轮动能的形式存储起 A B 电网 来；当风速降低 低于额定风速时，再将高于额 定风速时所储存的动能释放出来 ，从而调节功率曲线 以达到更加理想的状态 。 2 变桨控制系统设计 2 ． 1 系统硬 件设 计 本液压变桨系统以 7 5 0 k W 风力发 电机组作为实 验对象 ，目前市场上应用的变桨距控制有 电动变桨距 和电液伺服变桨距 液压变桨距 两种。相 比较 电 动变桨距 ，液压变桨距执行机构 由于具有动态响应速 度快、单位体积小、转矩大、便于集 中布置、技术成 熟等优点在变桨距机构 中占主要地位 。图 3为液压变 桨距结构原理图。 1 通过 以模拟量形式输入 的浆距角反馈信 号 和压力传感器 1 、2的压力信号等控制 P L C发 出指令 给比例 阀，通过 比例阀的频繁调节改变油缸推力和位 移 ，从而改变桨叶角度 ，也就是桨叶变距主要依靠 比 例 阀和溢流阀完成。 2 桨叶与轮毂之 间通过一个 四点 的球轴 承在 整流罩 内连接，使桨叶能进行轴 向转动 ，液压缸一端 图 3中变桨缸的桨杆 固定在轮毂支架上 ，另一端 的活塞杆连接在桨叶根部轴承的外切 圆上 ，这样活塞 杆 的直线运动就能转化为桨叶的圆周运动，此风机的 变桨角度为 一 5 。 ～ 9 O 。 。 3 当遇到故障停机或有急停信号时，P L C控 制电磁阀 JA和 JC打开 ，J B关 阀，使叶片迅 速变动到顺桨状态 ，不吸收风能。 本系统 中心控制器采用西门子公司的 S 7 3 0 0系 列 P L C 。由于发电机的功率信号 由高速功率变送器 以 模拟量的形式输入到P L C ，而桨距角反馈信号、液压 传感器 1 和2的信号都以模拟量形式输入，故此处选 用 C P U 3 1 4 I F M模块 ，此模块本身集成了4模拟量输 人 1 模拟量输 出，其输入输 出范围为 一1 O V～l O V 或 一 2 0 mA 一 2 0 m A，2 0个数字量输入端 口，1 6个 数字量输出端 口，最大可扩展 1 2 8点数字量和 3 2点 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第5期 张尚云， 等 基于P L C的风力机变桨距控制系统研究 1 4 9 模拟量 ，完全可 以满足系统要求。 图 3 液压变桨距结构 原理 图 2 ． 2 系统软件 设计 本系统的主要 功能全部 由 s 73 0 0 P L C来完 成。 当满足风力发 电机 的启动条件时 ，P L C发出指令使叶 片桨距角匀速减少 ；当发 电机并 网以后 P L C会 根据 反馈功率进行调节；如果风速在额定风速以下，则保 持较高的风能吸收系数 ；如果在额定风速以上 ，调整 桨距角和利用转子 电流控制器控制输出功率 ，使其稳 定在额定功率以上 ；当遇故 障停机或有急停信号时， P L C控制电磁阀 JA和 Jc打开，JB关 闭，使 叶片迅速变动到顺桨状态 ，不吸收风能。 风力机变桨距控制程序流程图如图 4所示。当风 速高于启动风速 ，P L C发出指令控制桨距角从 9 0 。 减 少到 1 5 。 ；这时如果发 电机 的转 速大于 8 0 0 r ／ s 或持 续大于 7 0 0 r ／ s ，则桨叶继续减少到 3 。 位置 。当 P L C 检测到转速大于 1 0 0 0 r ／ s时并 网，若并 网不成功 ， 则桨叶退桨到 1 5 。 位置。由于高风速段也 就是风速高 于额定风速阶段的变桨距功率调节尤为重要 ，本系统 在高风速段 中心控制 器的控制算法核心采用 了模糊 P I D控制 ，模糊控制器控制过程是根据功率偏差信号 E及变化率 来调节比例系数、积分系数 、微分系数 的数值。经实验验证此基于模糊控 制的参数 自整定 P I D控制器能非常好地适应非线性系统 ，具有 良好 的 鲁棒性。 3结论 系统采用西门子公司的 S 73 0 0 P L C作为该变桨 距控制机构的中心控制器 ，已在 7 5 0 k W 变桨距风力 机组上做 了实验。根据现场的实验记录可以看 出，该 系统完全可以使风力机安全运行 ，并且在出现故障停 机或者按下急停按钮时能迅速顺桨停机；在运行时能 满足功率最优的原则。在高风速时能根据输出功率调 整桨距 角、调整发 电机转 速使功 率稳定输 出在 7 5 0 k W 左右 ；在低风速时桨距角维持在 3 。 位置 ，满足设 计要求。 图 4 变桨距控制流程 图 参 考文献 [ 1 ] 周燕莉 ．风力发电的现在与发展趋势 [ J ] ． 甘肃科技 ， 2 0 0 8 ， 2 4 3 9 1 1 ． [ 2 ] 张雷 ． P L C在大型风力机变桨距系统中的应用[ J ] ． 电气 应用 ， 2 0 0 7 ， 2 6 9 1 2 0 ． 1 2 3 ． [ 3 ] 梁磊 ．变桨距与变速风力发电机组的基本控制技术 [ D] ． 大连 大连理工大学， 2 0 0 6 1 4 1 9 ． [ 4 ] 常杰， 孟彦京 ．风力发电变桨控制系统设计 [ J ] ． 电气传 动， 2 0 1 0 ， 4 0 5 4 1 - 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