3變槳控制器的設(shè)計(jì)

　　3.1系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　本文實(shí)驗(yàn)中采用的電動(dòng)獨(dú)立變槳距系統(tǒng)由交流伺服系統(tǒng)、伺服電機(jī)、后備電源、輪轂主控構(gòu)成。電動(dòng)變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5、6所示。系統(tǒng)參數(shù)與接口的設(shè)計(jì)依據(jù)為SSB1.5MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)。

　　圖5 電動(dòng)獨(dú)立變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖6 電動(dòng)獨(dú)立變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2

　　本文中的風(fēng)電系統(tǒng)涉及風(fēng)速、風(fēng)向、振動(dòng)加速、振動(dòng)開(kāi)關(guān)、偏航、剎車(chē)液壓系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓、溫度等等信號(hào)。其中，輸入數(shù)字量約70-80路；模擬量約10路；溫度量約16路；輸出數(shù)字量約32路；此外，還需要用到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量高速計(jì)數(shù)信號(hào)。為了滿(mǎn)足需求，采用了羅克韋爾 SLC 500系列PLC。SLC 500有多款不同容量和內(nèi)置通訊接口的處理器可選。提供最大容量最多可達(dá)64K字（128K字節(jié)）的數(shù)據(jù)/程序內(nèi)存，SLC 500的模塊化I/O系統(tǒng)提供了包括開(kāi)關(guān)量、模擬量和專(zhuān)用模塊在內(nèi)的60多種I/O模塊。SLC500系列處理器的程序和數(shù)據(jù)是以文件的形式在內(nèi)存中存儲(chǔ)的。處理器文件分為程序文件和數(shù)據(jù)文件，程序文件可高達(dá)256個(gè) ，包括處理器信息、梯形圖主程序、中斷子程序及其他用戶(hù)根據(jù)需要編制的子程序文件;數(shù)據(jù)文件包括與外部 I/O及所有梯形圖程序使用的與指令相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。它包含 輸出 /輸入、狀態(tài)、位、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、控制結(jié)構(gòu)、整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符串、ASCII碼文件 ，用戶(hù)可以根 據(jù)需要定義除輸出 /輸入和狀態(tài)文件以外的可達(dá) 256個(gè)數(shù)據(jù)文件。

　　此外，SLC500控制系統(tǒng)還提供 50多種不同的 I/O模塊滿(mǎn)足用戶(hù)的不同需求。本地模塊采用硬件尋址方式 ，程序邏輯可直接存取 I/O數(shù)據(jù)。 （1 ）開(kāi)關(guān)量 I/O模塊。包括各種輸入 /輸出 方式和不同的 I/O點(diǎn)數(shù) ，有 4、8、16和 32點(diǎn)開(kāi)關(guān) 量 I/O模塊及 8、12和 16點(diǎn) I/O混合模塊等 ，可 與不同電壓等級(jí)的交流、直流和 TTL電平連接。 其中有負(fù)載電流達(dá) 2 A和 2. 5 A的大電流繼電器模塊、固態(tài)輸出模塊和最大接通信號(hào)延遲時(shí)間只 有 0. 3 ms、最大關(guān)斷信號(hào)延遲時(shí)間只有 0. 5 ms的快速響應(yīng)直流輸入模塊。為提高工業(yè)應(yīng)用的可靠 性 ，這些模塊都提供了輸入濾波和光電隔離功能。 16點(diǎn) I/O模塊上還有可拆卸的接線端子排 ，使接 線和更換模塊更容易。 （ 2）模擬量 I/O模塊。SLC500系列模擬量 （ 模塊有 4路 I/O、4路混合 I/O 2路輸入 /2路輸 ） 出 模塊和高密度的 8路輸入模塊及快速響應(yīng)模 塊等。輸入模塊都采用差分輸入 ，每路通道可單 獨(dú)配置成不同等級(jí)的電流或電壓輸入方式 ，最高 輸入分辨率可達(dá) 16 bit精度。具有輸入濾波 ，對(duì) 電氣噪聲具有高度的防護(hù)能力。輸出通道的精度都是 14 bit，提供精確的控制能力。SLC500系列 模擬量 I/O模塊可以選擇由框架的背板供電 ，不需外部電源。

　　系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)由高速功率變送器以模擬量的形式（0～10V對(duì)應(yīng)功率0～800KW）輸入到PLC，槳距角反饋信號(hào)（0～10V對(duì)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；4路模擬量輸出單元，輸出信號(hào)為-10V～+10V，將信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制進(jìn)槳或退槳速度；為了測(cè)量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，選用高速計(jì)數(shù)單元，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過(guò)檢測(cè)與發(fā)電機(jī)相連的光電碼盤(pán)，每轉(zhuǎn)輸出10個(gè)脈沖，輸入給計(jì)數(shù)單元。

　　3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的主要功能都是由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)滿(mǎn)足風(fēng)力機(jī)起動(dòng)條件時(shí)，PLC發(fā)出指令使葉片槳距角從90°勻速減??；當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后PLC根據(jù)反饋的功率進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，在額定風(fēng)速之下保持較高的風(fēng)能吸收系數(shù)，在額定風(fēng)速之上，通過(guò)調(diào)整槳距角使輸出功率保持在額定功率上。在有故障停機(jī)或急停信號(hào)時(shí)，PLC控制執(zhí)行電機(jī)，使得葉片迅速變到槳距角為90°的位置。

　　風(fēng)力機(jī)起動(dòng)時(shí)變槳控制程序流程如圖7所示。當(dāng)風(fēng)速高于起動(dòng)風(fēng)速時(shí)PLC通過(guò)模擬輸出單元輸出1.8V電壓，使葉片以0.9°/s的速度變化到15°。此時(shí)，若發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于800r/s或者轉(zhuǎn)速持續(xù)一分鐘大于700r/s，則槳葉繼續(xù)進(jìn)槳到3°位置。PLC檢測(cè)到高速計(jì)數(shù)單元的轉(zhuǎn)速信號(hào)大于1000r/s時(shí)發(fā)出并網(wǎng)指令。若槳距角在到達(dá)3°后2分鐘未并網(wǎng)則由模擬輸出單元給比例閥輸出-4.1V電壓，使槳距角退到15°位置。

　　圖7 風(fēng)力機(jī)起動(dòng)變槳控制程序流圖

發(fā)電機(jī)并上電網(wǎng)后通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率，功率調(diào)節(jié)程序流程圖如圖5所示。當(dāng)實(shí)際功率大于額定功率時(shí)，PLC的模擬輸出單元CJ1W-DA021輸出與功率偏差成比例的電壓信號(hào)，并采用LMT指令使輸出電壓限制在-4.1V（對(duì)應(yīng)變槳速度4.6°/s）以?xún)?nèi)。當(dāng)功率偏差小于零時(shí)需要進(jìn)槳來(lái)增大功率，進(jìn)槳時(shí)給比例閥輸出的最大電壓為1.8V（對(duì)應(yīng)變槳速度0.9°/s）。為了防止頻繁的往復(fù)變槳，在功率偏差在±10KW時(shí)不進(jìn)行變槳。

　　圖8 變槳調(diào)功程序流程圖

　　在變槳距控制系統(tǒng)中，高風(fēng)速段的變槳距調(diào)節(jié)功率是非常重要的部分，若退槳速度過(guò)慢則會(huì)出現(xiàn)過(guò)功率或過(guò)電流現(xiàn)象，甚至?xí)龤Оl(fā)電機(jī)；若槳距調(diào)節(jié)速度過(guò)快，不但會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)節(jié)現(xiàn)象，使輸出功率波動(dòng)較大，而且會(huì)縮短變槳缸和變槳軸承的使用壽命。會(huì)影響發(fā)電機(jī)的輸出功率，使發(fā)電量降低。在本系統(tǒng)中在過(guò)功率退槳和欠功率進(jìn)槳時(shí)采用不同的變槳速度。退槳速度較進(jìn)槳速度大，這樣可以防止在大的陣風(fēng)時(shí)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)功率過(guò)高現(xiàn)象。

　　圖8為變槳距功率調(diào)節(jié)部分的梯形圖程序。100.08是啟動(dòng)功率調(diào)節(jié)命令，當(dāng)滿(mǎn)足功率調(diào)節(jié)條件時(shí)，繼電器100.08由0變?yōu)?；D2100存放的是發(fā)動(dòng)機(jī)額度功率與實(shí)際功率的偏差，當(dāng)偏差ΔP滿(mǎn)足-10KW《ΔP《10KW時(shí)將0賦給D2100；60.07為1時(shí)即功率偏差為負(fù)值，D2100中的功率偏差按一定比例進(jìn)行縮放，并通過(guò)LMT指令限位輸出到比例閥，輸出的最小值對(duì)應(yīng)-4.1V電壓；若繼電器60.07為0，即功率偏差為正值，將D2100的值通過(guò)SCL3指令按比例系數(shù)縮放。

4.結(jié)束語(yǔ)　　

　　在國(guó)內(nèi)一些機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)變槳距控制進(jìn)行了一定的研究，如沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、新疆大學(xué)等，其中浙江大學(xué)對(duì)獨(dú)立變槳距風(fēng)力機(jī)控制做了初步的探討，但是變槳距控制在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成功應(yīng)用的例子，變槳距控制在國(guó)內(nèi)還處于理論研究階段，較高風(fēng)力機(jī)成本也限制了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，在國(guó)內(nèi)主要做了理論研究和仿真分析。雖然金風(fēng)公司在今年生產(chǎn)安裝了1.2MW的變槳距直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但是其變槳控制系統(tǒng)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，還依靠國(guó)外的技術(shù)。東方汽輪機(jī)生產(chǎn)的1.5MW FD70風(fēng)力機(jī)采用了LUST的獨(dú)立變槳控制器。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　采用了羅克韋爾 SLC 500系列PLC作為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距系統(tǒng)的控制器，已經(jīng)在廣東南澳島的國(guó)外某知名風(fēng)電公司型變槳距風(fēng)力機(jī)上作了實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)記錄表明，采用這種PLC控制系統(tǒng)可以使風(fēng)力機(jī)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(mǎn)足功率最優(yōu)的原則，在額定風(fēng)速之下時(shí)槳距角保持在3°不變，在高風(fēng)速時(shí)能夠根據(jù)輸出功率調(diào)整槳距角的位置，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由于變槳距系統(tǒng)中采用了PLC作為控制器，使得該系統(tǒng)僅用簡(jiǎn)單的軟件程序就完成了復(fù)雜的邏輯控制，而且抗干擾能力強(qiáng)，性能可靠?？梢灶A(yù)見(jiàn)，羅克韋爾 SLC 500系列PLC在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)合會(huì)有大的應(yīng)用前景。