基于PLC風(fēng)力發(fā)電機變槳控制系統(tǒng)設(shè)計

談 鵬

（國網(wǎng)慶陽供電公司，甘肅 慶陽 745000）

隨著科技進(jìn)步，人類與能源的關(guān)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(huán)境污染問題，開發(fā)風(fēng)力發(fā)電成為必由之路，風(fēng)力發(fā)電目前具有較好的發(fā)展前景，而變槳控制技術(shù)是發(fā)展風(fēng)電最主要的核心技術(shù)。在風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)上投入一流的變槳控制技術(shù)，可以大幅度提高電能質(zhì)量并減少能量損耗，使得清潔能源在發(fā)電行業(yè)能夠和傳統(tǒng)能源平價上網(wǎng)。另外，中國的地理環(huán)境非常適合于建設(shè)風(fēng)場，發(fā)展風(fēng)電。PLC（Programmable Logic Controller）即可編程邏輯控制器，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下自動化控制而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它由內(nèi)部CPU，指令及數(shù)據(jù)存儲器、輸入輸出單元、電源模塊、數(shù)字模擬等單元所模塊化組合成，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程[1]。

1 風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 風(fēng)力發(fā)電機變槳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在變槳系統(tǒng)中，槳葉驅(qū)動部分由驅(qū)動器、伺服電機以及齒輪機構(gòu)組成；變槳控制部分由保護(hù)開關(guān)、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(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 風(fēng)力發(fā)電機變槳系統(tǒng)的運行原理

本設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪模型建為：

式中，P為機械能；ρ為空氣密度；CP為風(fēng)能利用系數(shù)；A為迎風(fēng)面面積；v為迎風(fēng)面風(fēng)速。

一般情況下，能夠被風(fēng)輪捕獲并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿粫^60%。其機械能用另一種方法表示為：

P=Tω

式中，T為轉(zhuǎn)矩；ω為角頻率。由于負(fù)載的變化可以改變轉(zhuǎn)矩T，故可得：

倘若風(fēng)速v不變，對于一定的負(fù)載，ρ、A、T為常量，則轉(zhuǎn)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(fēng)輪半徑；β為風(fēng)力發(fā)電機槳距角。通過改變風(fēng)機的槳距角就可改變槳距，進(jìn)而改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。其中槳距角β和迎風(fēng)面風(fēng)速v成反比，則可通過對槳距角的調(diào)節(jié)來改變迎風(fēng)面風(fēng)速[2]。

風(fēng)力發(fā)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(fēng)能利用系數(shù)最大值；二是對于任意的尖速比，槳距角為0°時風(fēng)能利用系數(shù)相對最大，隨著槳距角β增大，風(fēng)能利用系數(shù)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(chǔ)：在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，槳距角為0°，通過變速恒頻裝置，根據(jù)風(fēng)速變化改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使風(fēng)能利用系數(shù)恒定在最大值，捕獲最大風(fēng)能，并保證輸出電能頻率不變；在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，調(diào)節(jié)槳距角以改變發(fā)電機輸出功率，使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。

2 變槳系統(tǒng)的總體設(shè)計

本設(shè)計的變槳控制流程如下：首先需要將槳距角調(diào)節(jié)到50°左右（具體按照實際情況而改變），當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到5 rad/min時，立即通過控制裝置將槳距角調(diào)至0°，使得槳葉能夠達(dá)到當(dāng)時風(fēng)速下的最高轉(zhuǎn)速。風(fēng)機運行過程中如果風(fēng)速達(dá)不到額定功率要求的速度，則不需要服從控制系統(tǒng)的命令；如果風(fēng)速超過了風(fēng)機的運行極限，則必須利用控制系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)槳距角，使得槳葉達(dá)到額定功率要求的轉(zhuǎn)速。

為了滿足運行要求，本設(shè)計采用變槳距的控制方式對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，其中變槳控制系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。

圖2 變槳控制系統(tǒng)總體控制框圖

3 變槳系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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

3.1 伺服電機的選擇

在設(shè)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(zhuǎn)速下運行，并要求伺服電機能夠滿足以下條件。

額定轉(zhuǎn)速：為了保證槳葉不被損壞，在安全范圍內(nèi)運行，電機必須能夠快速提高槳葉的轉(zhuǎn)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(dá)到最大轉(zhuǎn)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(shè)備啟停要求[3]。

根據(jù)以上要求,本設(shè)計選用星辰伺服電機190J5K02-24YZ11。這種電機應(yīng)用于多家知名風(fēng)電企業(yè)，并且發(fā)生故障的概率比較低。以下是該伺服電機的額定參數(shù)：

3.2 限位開關(guān)的選擇

由于風(fēng)力總是隨機變化，不可人為干預(yù)，使得需要對槳葉進(jìn)行不斷調(diào)節(jié)，以此來保證槳葉的轉(zhuǎn)速能夠保持恒定。此過程中需要限位開關(guān)和回轉(zhuǎn)軸承觸點的配合來確保變槳控制系統(tǒng)安全收槳，進(jìn)而保證發(fā)電過程的穩(wěn)定性。

為了能夠讓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全運行，需要對限位傳感器做余度設(shè)計，加入兩個限位開關(guān)。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(shè)計中采用兩個德國MNY限位開關(guān)，裝在設(shè)備槳葉的軸承上面，位置靠后的作為余度來保證限位開關(guān)的可靠性，分別在92°和95°的位置各裝設(shè)一個。

3.3 風(fēng)速傳感器的選擇

由于風(fēng)能具有很高的不確定性，想要穩(wěn)定控制風(fēng)機發(fā)電，并跟隨風(fēng)力的變化獲得最大發(fā)電功率，就必須準(zhǔn)確及時測出風(fēng)向和風(fēng)速，并對風(fēng)機實現(xiàn)相應(yīng)的控制。因此，風(fēng)速傳感器的應(yīng)用是實現(xiàn)變槳控制的必要條件。

本設(shè)計選擇FC-2A風(fēng)速傳感器，該傳感器屬于高精度測量風(fēng)速傳感器。與傳統(tǒng)風(fēng)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(wěn)定可靠等優(yōu)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(fēng)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(shù)見表1。

表1 FC-2A1風(fēng)速傳感器主要參數(shù)

3.4 PLC控制單元的選擇

本設(shè)計選擇規(guī)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(dá)到毫秒級，并且采用一體化的設(shè)計，方便裝設(shè)在各種復(fù)雜環(huán)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(jīng)濟實用[5]。

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國對于S7-200PLC的應(yīng)用已相當(dāng)成熟。該PLC除了CPU-200的規(guī)格以外，其余規(guī)格均增加了I/O口數(shù)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(yuǎn)程控制功能，可以遠(yuǎn)距離對控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、程序編輯、程序監(jiān)視等。其主要參數(shù)見表2、表3。

表2 CPU-226主要參數(shù)

表3 I/O接口表

4 變槳系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計采用西門子S7-200編譯軟件編寫控制系統(tǒng)程序，該程序的主要功能是監(jiān)控運行設(shè)備各部位的溫度和電源電壓，以及利用整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)來控制電機的轉(zhuǎn)速和槳距角的大小，以此來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。此程序包含了變槳控制系統(tǒng)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(yuǎn)高于子程序，主要是用來完成系統(tǒng)的整體運行，并且起到監(jiān)視、控制以及維護(hù)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(jù)個人需求而編寫。

控制系統(tǒng)的運行程序具有以下功能：首先根據(jù)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(shè)定好的β值進(jìn)行比較，如果一致，則程序就此結(jié)束；如果不一致，則計算出葉片槳距角調(diào)整值，并且向驅(qū)動裝置發(fā)出指令，使得葉片按照指令要求轉(zhuǎn)動。如此循環(huán)，始終保證葉片位于給定的槳距角位置。整個變槳系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示。

圖3 變槳系統(tǒng)工作流程圖

5 系統(tǒng)運行調(diào)試

本設(shè)計具體運行流程如下:

（1）在實際1.25 WM風(fēng)力發(fā)電機組額定運行狀態(tài)下達(dá)到轉(zhuǎn)速（即恒轉(zhuǎn)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(shù)字量開關(guān)I0.0和I0.1，分別為啟動和停止程序。

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

（4）數(shù)字量開關(guān)I0.4和I0.5，分別為控制系統(tǒng)進(jìn)入“恒轉(zhuǎn)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(shù)字輸出量為Q1.0（即伺服電機系統(tǒng)數(shù)字量輸出端口），發(fā)出信號后由動力系統(tǒng)自動根據(jù)實時數(shù)據(jù)控制葉槳轉(zhuǎn)動。

（6）模擬量檢測（以風(fēng)速檢測為例）

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

圖4 變槳系統(tǒng)主程序流程圖

加入變槳控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機組和之前相比，將明顯提高輸出的電能質(zhì)量，使系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)，以此證明變槳控制系統(tǒng)的應(yīng)用是一種能夠強力推動新能源發(fā)展的創(chuàng)新。

6 成果與啟示

本次設(shè)計成果主要體現(xiàn)在以下兩方面，一方面是通過了解風(fēng)機變槳系統(tǒng)的工作流程和對大量參考文獻(xiàn)的整理，深入剖析了風(fēng)機變槳系統(tǒng)的工作原理，通過自己的領(lǐng)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(tǒng)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(tǒng)會如何進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的功率。