3變槳控制器的設計
3.1系統的硬件構成
本文實驗中采用的電動獨立變槳距系統由交流伺服系統、伺服電機、后備電源、輪轂主控構成。電動變槳距系統結構如圖5、6所示。系統參數與接口的設計依據為SSB1.5MW雙饋式風力發電機組變槳距系統。
圖5 電動獨立變槳距系統結構
圖6 電動獨立變槳距系統結構2
本文中的風電系統涉及風速、風向、振動加速、振動開關、偏航、剎車液壓系統、齒輪傳動系統、液壓、溫度等等信號。其中，輸入數字量約70-80路；模擬量約10路；溫度量約16路；輸出數字量約32路；此外，還需要用到發電機轉速測量高速計數信號。為了滿足需求，采用了羅克韋爾 SLC 500系列PLC。SLC 500有多款不同容量和內置通訊接口的處理器可選。提供最大容量最多可達64K字（128K字節）的數據/程序內存，SLC 500的模塊化I/O系統提供了包括開關量、模擬量和專用模塊在內的60多種I/O模塊。SLC500系列處理器的程序和數據是以文件的形式在內存中存儲的。處理器文件分為程序文件和數據文件，程序文件可高達256個 ，包括處理器信息、梯形圖主程序、中斷子程序及其他用戶根據需要編制的子程序文件;數據文件包括與外部 I/O及所有梯形圖程序使用的與指令相關的數據信息。它包含 輸出 /輸入、狀態、位、計時器、計數器、控制結構、整數、浮點數、字符串、ASCII碼文件 ，用戶可以根 據需要定義除輸出 /輸入和狀態文件以外的可達 256個數據文件。
此外，SLC500控制系統還提供 50多種不同的 I/O模塊滿足用戶的不同需求。本地模塊采用硬件尋址方式 ，程序邏輯可直接存取 I/O數據。 （1 ）開關量 I/O模塊。包括各種輸入 /輸出 方式和不同的 I/O點數 ，有 4、8、16和 32點開關 量 I/O模塊及 8、12和 16點 I/O混合模塊等 ，可 與不同電壓等級的交流、直流和 TTL電平連接。 其中有負載電流達 2 A和 2. 5 A的大電流繼電器模塊、固態輸出模塊和最大接通信號延遲時間只 有 0. 3 ms、最大關斷信號延遲時間只有 0. 5 ms的快速響應直流輸入模塊。為提高工業應用的可靠 性 ，這些模塊都提供了輸入濾波和光電隔離功能。 16點 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模 塊等。輸入模塊都采用差分輸入 ，每路通道可單 獨配置成不同等級的電流或電壓輸入方式 ，最高 輸入分辨率可達 16 bit精度。具有輸入濾波 ，對 電氣噪聲具有高度的防護能力。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。
系統中，發電機的功率信號由高速功率變送器以模擬量的形式（0～10V對應功率0～800KW）輸入到PLC，槳距角反饋信號（0～10V對應槳距角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，輸出信號為-10V～+10V，將信號輸出到執行機構來控制進槳或退槳速度；為了測量發電機的轉速，選用高速計數單元，發電機的轉速是通過檢測與發電機相連的光電碼盤，每轉輸出10個脈沖，輸入給計數單元。
3.2系統的軟件設計
本系統的主要功能都是由PLC來實現的，當滿足風力機起動條件時，PLC發出指令使葉片槳距角從90°勻速減小；當發電機并網后PLC根據反饋的功率進行功率調節，在額定風速之下保持較高的風能吸收系數，在額定風速之上，通過調整槳距角使輸出功率保持在額定功率上。在有故障停機或急停信號時，PLC控制執行電機，使得葉片迅速變到槳距角為90°的位置。
風力機起動時變槳控制程序流程如圖7所示。當風速高于起動風速時PLC通過模擬輸出單元輸出1.8V電壓，使葉片以0.9°/s的速度變化到15°。此時，若發電機的轉速大于800r/s或者轉速持續一分鐘大于700r/s，則槳葉繼續進槳到3°位置。PLC檢測到高速計數單元的轉速信號大于1000r/s時發出并網指令。若槳距角在到達3°后2分鐘未并網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 風力機起動變槳控制程序流圖
發電機并上電網后通過調節槳距角來調節發電機輸出功率，功率調節程序流程圖如圖5所示。當實際功率大于額定功率時，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，并采用LMT指令使輸出電壓限制在-4.1V（對應變槳速度4.6°/s）以內。當功率偏差小于零時需要進槳來增大功率，進槳時給比例閥輸出的最大電壓為1.8V（對應變槳速度0.9°/s）。為了防止頻繁的往復變槳，在功率偏差在±10KW時不進行變槳。
圖8 變槳調功程序流程圖
在變槳距控制系統中，高風速段的變槳距調節功率是非常重要的部分，若退槳速度過慢則會出現過功率或過電流現象，甚至會燒毀發電機；若槳距調節速度過快，不但會出現過調節現象，使輸出功率波動較大，而且會縮短變槳缸和變槳軸承的使用壽命。會影響發電機的輸出功率，使發電量降低。在本系統中在過功率退槳和欠功率進槳時采用不同的變槳速度。退槳速度較進槳速度大，這樣可以防止在大的陣風時出現發電機功率過高現象。
圖8為變槳距功率調節部分的梯形圖程序。100.08是啟動功率調節命令，當滿足功率調節條件時，繼電器100.08由0變為1；D2100存放的是發動機額度功率與實際功率的偏差，當偏差ΔP滿足-10KW《ΔP《10KW時將0賦給D2100；60.07為1時即功率偏差為負值，D2100中的功率偏差按一定比例進行縮放，并通過LMT指令限位輸出到比例閥，輸出的最小值對應-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SCL3指令按比例系數縮放。
4.結束語
在國內一些機構已經對變槳距控制進行了一定的研究，如沈陽工業大學、浙江大學、新疆大學等，其中浙江大學對獨立變槳距風力機控制做了初步的探討，但是變槳距控制在國內還沒有成功應用的例子，變槳距控制在國內還處于理論研究階段，較高風力機成本也限制了實驗的進展，在國內主要做了理論研究和仿真分析。雖然金風公司在今年生產安裝了1.2MW的變槳距直驅永磁同步風力發電機，但是其變槳控制系統還沒有實現國產化，還依靠國外的技術。東方汽輪機生產的1.5MW FD70風力機采用了LUST的獨立變槳控制器。#p#分頁標題#e#
采用了羅克韋爾 SLC 500系列PLC作為大型風力發電機變槳距系統的控制器，已經在廣東南澳島的國外某知名風電公司型變槳距風力機上作了實驗。在現場的實驗記錄表明，采用這種PLC控制系統可以使風力機安全運行，在出現停機故障時可以迅速順槳停機；運行時滿足功率最優的原則，在額定風速之下時槳距角保持在3°不變，在高風速時能夠根據輸出功率調整槳距角的位置，滿足設計要求。由于變槳距系統中采用了PLC作為控制器，使得該系統僅用簡單的軟件程序就完成了復雜的邏輯控制，而且抗干擾能力強，性能可靠。可以預見，羅克韋爾 SLC 500系列PLC在風力發電場合會有大的應用前景。
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