應用背景
目前風能是最具有大規模開發利用前景的可再生能源，風力發電事業正在蓬勃發展。為了獲得足夠的起動轉矩和更高的輸出功率，人們開始重視變槳距風力發電機組的研究[1][2]。變槳距是指安裝在輪轂上的葉片可以借助控制技術改變其槳距角的大小，從而改變葉片氣動特性，使槳葉和整機的受力狀況大為改善，并且可以提高風力機在高風速時的輸出功率[3]。從風力機的發展趨勢來看，變槳距風力機將取代定槳距風力機。在變槳距系統中需要具有高可靠性的控制器，本文中采用了GE 智能平臺公司的90-30系列可編程控制器作為變槳距系統的控制器，并設計了PLC軟件程序，在Zond-40風力發電機組上作了實驗。
解決方案
1 變槳距風力機及其控制方式
變槳距調速是現代風力發電機主要的調速方式之一，如圖1所示為變槳距風力發電機的簡圖。調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動使葉片吸收的風能減少，維持風輪運轉在額定轉速范圍內。當風速減小時，實行相反操作，實現風輪吸收的功率能基本保持恒定。液壓控制系統具有傳動力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、液壓執行機構動態響應速度快等優點，能夠保證更加快速、準確地把葉片調節至預定節距[4][5]。目前國內生產和運行的大型風力發電機的變距裝置大多采用液壓系統作為動力系統。
發電機增速箱電網ωVI*β功率傳感器變槳控制器風PP
圖2 變槳距風力機控制框圖
如圖2所示為變槳距控制器的原理框圖。在發動機并入電網之前由速度控制器根據發動機的轉速反饋信號進行變槳距控制，根據轉速及風速信號來確定槳葉處于待機或順槳位置；發動機并入電網之后，功率控制器起作用，功率調節器通常采用PI（或PID）控制，功率誤差信號經過PI運算后得到槳距角位置。
當風力機在停機狀態時，槳距角處于90°的位置，這時氣流對槳葉不產生轉矩；當風力機由停機狀態變為運行狀態時，槳距角由90°以一定速度（約1°/s）減小到待機角度（本系統中為15°）；若風速達到并網風速，槳距角繼續減小到3°（槳距角在3°左右時具有最佳風能吸收系數）；發電機并上電網后，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。若出現故障或有停機命令時，控制器將輸出迅速順槳命令，使得風力機能快速停機，順槳速度可達20°/s。
2.變槳控制器的設計
2.1系統的硬件構成
本文實驗中采用Zond-40風力發電機組作為實驗對象，其額定功率550KW，采用液壓變槳系統，液壓變槳系統原理圖如圖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°）。
儲壓罐 1儲壓罐 2J-1J-2J-3J-AJ-BJ-C液壓泵單向節流閥比例閥溢流閥變槳缸壓力傳感器 1壓力傳感器 2
本系統中采用GE 智能設備的90-30系列PLC[7-8]。該系列是先進的可編程邏輯控制器，CPU為 364型，內部帶有 TCP／TP以太 網通 訊 卡，支持以太 網的廣播通訊方式 (EGD方式)，具有較強的網絡通信功能。可以同時和多臺 PLC進行通訊，而且作為服務器還可以與普通個人計算機進行通訊。上位機(IPC)與PLC之間 采用以太網通訊方式 ，利用Proficy HMI/SCADA – iFIX 作為 監 控 軟 件 。 PLC 與 PLC、I／O 分 站 之 間采 用 GENIUS總線通訊方式 ，以 153．6 kbps傳輸。本文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。
2.2 系統的軟件設計
利用 VersaPro軟件用于組態 PLC硬件，創建和編輯 PLC邏輯程序，并且監視 PLC的邏輯程序的執行 。VersaPro是 GE 智能設備基于 Windows基礎上的為90-30 PLC、Versamax PLC編程 的軟件。
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控制電磁閥J-A和J-C打開，J-B關閉，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4所示。當風速高于起動風速時PLC通過模擬輸出單元向比例閥輸出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。
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。
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6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；<
