基于倍福PLC的風(fēng)電機(jī)組變槳控制設(shè)計(jì)與研究

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（河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

定槳距失速控制和變槳距控制是目前世界上風(fēng)電機(jī)組投入生產(chǎn)運(yùn)行的兩種功率調(diào)節(jié)方式，與風(fēng)電機(jī)組定槳距控制相比，變槳距控制的風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)性方面優(yōu)勢(shì)明顯，在提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上，確保了風(fēng)能的高利用系數(shù)以及功率輸出曲線的優(yōu)化。

液壓變槳系統(tǒng)和電動(dòng)變槳系統(tǒng)是當(dāng)今世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)的兩種適用類型［1］。電動(dòng)變槳系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便和防滑耐用的特點(diǎn)，目前已為大部分風(fēng)機(jī)制造商所廣泛采用。這種以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)槳葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變槳系統(tǒng)，已發(fā)展為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用電動(dòng)變槳距控制系統(tǒng)。

1 變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在變槳雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)上搭建的，其額定功率1.5 MW，系統(tǒng)的控制方式為減速齒輪拖動(dòng)變槳距，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。伺服電機(jī)的輸出軸連接至減速器的輸入軸即主動(dòng)齒輪4并驅(qū)使其轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)齒輪和與槳葉輸入軸連接的內(nèi)齒圈3咬合，則槳葉即可在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。圖1中，1為支撐外圈，2為位移傳感器，3為內(nèi)齒圈，4為主動(dòng)齒輪，5為支撐板，6為電氣板，7為接近開關(guān)，8為傳感器放大器，9為伺服電機(jī)。

圖1 變槳伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Driving structure of pitch servo motor

以風(fēng)電機(jī)組槳葉空氣動(dòng)力學(xué)為參考依據(jù)，大型變槳距系統(tǒng)的運(yùn)行過程歸納如下：啟動(dòng)之前的風(fēng)電機(jī)組，要求氣流作用在槳葉上的力矩為零，此時(shí)槳葉可以看做是一塊阻尼板。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在風(fēng)速高于切入風(fēng)速之時(shí)，驅(qū)動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)向0°方向，當(dāng)氣流相對(duì)槳葉的攻角達(dá)到設(shè)定值時(shí)，槳葉開始運(yùn)行。風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)之前，變槳距伺服系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度信號(hào)調(diào)整變槳距β的目標(biāo)值，開始轉(zhuǎn)速控制。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)之后，風(fēng)機(jī)運(yùn)行分為風(fēng)速低于額定風(fēng)速和高于額定風(fēng)速兩種工況［2］。

1）當(dāng)風(fēng)速在額定之下時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率輸出未及額定功率，此時(shí)應(yīng)該盡可能提高槳葉的風(fēng)能吸收系數(shù)以轉(zhuǎn)換為電能，在本文的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，一般在β=3°（3°附近時(shí)風(fēng)能的吸收利用率最高）時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行。

2）當(dāng)風(fēng)速在額定之上時(shí)，此時(shí)需實(shí)行閉環(huán)控制使發(fā)電機(jī)功率輸出穩(wěn)定在額定狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速之上波動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)變槳距系統(tǒng)根據(jù)傳感器反饋回來的實(shí)時(shí)功率信號(hào)調(diào)節(jié)葉片槳距角，減小氣流相對(duì)槳葉攻角，從而減小作用于風(fēng)機(jī)上的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩以降低風(fēng)能吸收效率，使風(fēng)力機(jī)組功率輸出穩(wěn)定在額定附近，同時(shí)也減輕了風(fēng)機(jī)的電氣負(fù)荷，提升了機(jī)械承受能力。

風(fēng)機(jī)在兩種模式下會(huì)進(jìn)行全順槳：停止模式與緊急停止模式。具體執(zhí)行過程如下：上位機(jī)下發(fā)順槳命令通過profibus-DP通信傳給伺服驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)受到伺服驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)槳葉順槳至90°，此時(shí)風(fēng)力在槳葉上的載荷為零，有效避免槳葉故障運(yùn)行狀況下的過速及斷裂，甚至更嚴(yán)重的風(fēng)機(jī)損毀。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組失電突發(fā)時(shí)，上位機(jī)下發(fā)指令使伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)槳葉進(jìn)行全順槳，且后備電源立即啟動(dòng)為變槳距機(jī)組供電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。變槳距控制系統(tǒng)由無關(guān)斷電源（UPS）、各種傳感器（速度、位置、溫度）、后備電源、永磁同步電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、變槳PLC主控、減速齒輪箱等組成［3］。每個(gè)槳葉都有一套獨(dú)立變槳機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)對(duì)槳葉異步控制。

圖2 變槳系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of pitch control system

機(jī)艙中的三相供電電源通過滑環(huán)直接給輪轂中變槳系統(tǒng)供電，輪轂中變槳PLC控制器通過DP總線和機(jī)艙主控連接，且DP的連接形式也是滑環(huán)。機(jī)艙主控通過傳感器采集的實(shí)時(shí)風(fēng)速運(yùn)算各槳葉的槳距角目標(biāo)值，風(fēng)速共分3種情況：風(fēng)速大于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)從停機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機(jī)；風(fēng)速大于并網(wǎng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)；風(fēng)速大于額定風(fēng)速。機(jī)艙主控通過DP下發(fā)葉片槳距角調(diào)節(jié)指令給變槳PLC，控制伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過齒輪箱拖動(dòng)槳葉運(yùn)轉(zhuǎn)。變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中虛線框起為UPS電源，它通過滑環(huán)連接到機(jī)艙中380 V電源，在輪轂變槳控制系統(tǒng)中起配電和監(jiān)視作用。UPS將AC 380 V轉(zhuǎn)化成DC 24 V，為變槳主控PLC和伺服驅(qū)動(dòng)供電，也向電池充電控制供電。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用的變槳主控制器是德國倍福BECKHOFF BX3100 PLC，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)狀態(tài)、同步電機(jī)工作狀態(tài)、系統(tǒng)工作狀態(tài)、充電故障等系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)視采用數(shù)字量輸入模塊KL1002，對(duì)電機(jī)吹風(fēng)、電機(jī)加熱、潤滑油泵作用、手動(dòng)變槳、備用充電等功能的實(shí)現(xiàn)采用數(shù)字量輸出模塊KL1862，對(duì)同步電機(jī)溫度、電容溫度、伺服驅(qū)動(dòng)溫度、槳葉實(shí)際位置速度的監(jiān)視采用模擬量輸入模塊M2510，對(duì)槳葉速度位置目標(biāo)值的控制采用模擬量輸出模塊M5650。

依據(jù)本文設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的特征及要求，基于永磁同步電機(jī)重量小、慣性參量小、功率容量大、維護(hù)簡易等特點(diǎn)，本系統(tǒng)伺服電機(jī)選用三相永磁同步電機(jī)，其功率4 kW、轉(zhuǎn)矩13 N·m［4］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

變槳距裝置調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)發(fā)電的輸入功率，是風(fēng)電機(jī)組中不可或缺的組成部分。圖3為變槳控制系統(tǒng)原理圖。在停機(jī)到啟動(dòng)的轉(zhuǎn)換進(jìn)程中葉片預(yù)定位置是待機(jī)還是順槳，主要是由反饋的風(fēng)速及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)決定的。在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，變槳主控PLC在風(fēng)速及發(fā)電機(jī)輸出功率的變化下，啟動(dòng)功率調(diào)節(jié)器使其穩(wěn)定輸出在額定功率附近，當(dāng)風(fēng)速高于設(shè)定的切出風(fēng)速時(shí)緊急全順槳。

圖3 變槳控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle of variable pitch control system

BECKHOFF BX3100 PLC作為風(fēng)電機(jī)組主控制器完成了變槳系統(tǒng)的主要功能，其TWINCAT編程軟件實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的所有控制算法。當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，機(jī)艙上位主控向輪轂變槳控制PLC下發(fā)命令減小槳葉槳距角到設(shè)定位置；實(shí)際風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，變槳主控調(diào)節(jié)槳距角使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近；急?；蛲C(jī)等故障信號(hào)發(fā)生時(shí)，變槳主控控制電機(jī)立即動(dòng)作拖動(dòng)葉片全順槳。

圖4為風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)控制流程圖。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到風(fēng)速大于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，變槳PLC控制槳葉從90°槳距角以1（°）/s減小到10°；此時(shí)監(jiān)測(cè)連接在槳葉上的低速轉(zhuǎn)軸，若轉(zhuǎn)速在8 r/s之上，則槳葉繼續(xù)轉(zhuǎn)到3°槳距角位置；此時(shí)再監(jiān)測(cè)低速軸轉(zhuǎn)速是否滿足并網(wǎng)條件，如果轉(zhuǎn)速大于10 r/s并維持10 min以上則發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，否則槳葉退到10°槳距角位置。高風(fēng)速段的功率調(diào)節(jié)在風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)中至關(guān)重要，在本文變槳系統(tǒng)中模糊PID是高風(fēng)速變槳調(diào)節(jié)器控制算法的軸心。模糊控制器依據(jù)功率給定與功率回饋的偏差e和它的變化率ec，調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)中Kp，Ki，Kd的數(shù)值。加入模糊控制算法的PID自適應(yīng)控制器有較強(qiáng)的穩(wěn)定性及魯棒性，以及在非線性系統(tǒng)中體現(xiàn)了較好的適應(yīng)性［5］。本文在總結(jié)PID中各步控制作用及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，決定采用二維模糊控制，其邏輯語句為If E and EC then U，E是給定與回饋功率的偏差；EC為功率偏差變化率；U是槳距角給定目標(biāo)值。

圖4 變槳系統(tǒng)控制流程Fig.4 Variable pitch system control process

變槳控制應(yīng)遵循的規(guī)則：給定與回饋功率的偏差較大時(shí)，控制器以快速消除偏差為主；偏差較小時(shí)，控制器以保持變槳系統(tǒng)穩(wěn)定、防止超調(diào)過大為主。本文在模糊控制器的設(shè)計(jì)上使用Mamdani法，同時(shí)運(yùn)用最大隸屬度法則解模糊系數(shù)，最后得到自適應(yīng)PID的模糊查詢表［6］。

4 系統(tǒng)變槳測(cè)試

4.1 槳距角控制精度測(cè)試

本風(fēng)電機(jī)組的上位機(jī)變槳測(cè)試界面如圖5所示。其中機(jī)艙上位機(jī)下發(fā)命令（自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、緊急順槳、潤滑油泵、復(fù)位等）給變槳PLC主控控制伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制槳葉，同時(shí)接收反饋回來的狀態(tài)信息及錯(cuò)誤報(bào)警信號(hào)。從變槳界面槳葉槳距角目標(biāo)給定值框中分別輸入0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，50°，55°，60°，80°，85°，90°，記錄編碼器反饋回的槳葉實(shí)際轉(zhuǎn)到的角度值。表1為精度測(cè)試的最終結(jié)果，觀察及解析數(shù)據(jù)得知本風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)控制精度較高，驗(yàn)證了硬軟件設(shè)計(jì)的合理性。

4.2 在整機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上的測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)在整機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之上測(cè)試，實(shí)時(shí)風(fēng)速如圖6所示，在平均風(fēng)速為12 m/s和15 m/s時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率進(jìn)行跟蹤采樣，則這兩種情況均大于10 m/s的額定風(fēng)速。當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于額定時(shí)，變槳系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速調(diào)節(jié)槳葉槳距角，從而改變風(fēng)能利用率使發(fā)電機(jī)輸出功率穩(wěn)定。從圖7中可以看出，兩種風(fēng)速下輸出功率穩(wěn)定在額定功率1.5 MW附近，而平均風(fēng)速越大時(shí)輸出功率波動(dòng)越大，功率誤差積分越高。

圖5 上位機(jī)變槳測(cè)試界面Fig.5 Propeller test interface of upper monitor

表1 槳距角控制精度測(cè)試Tab.1 Precision measurement of pitch control

圖6 平均風(fēng)速12 m/s的實(shí)時(shí)風(fēng)速Fig.6 Real wind speed of average 12 m/s

圖7 變槳距發(fā)電機(jī)功率輸出Fig.7 Pitch generator power output

5 結(jié)論

本文采用倍福BX3100系列PLC作為變槳主控，設(shè)計(jì)了一套風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)，并與風(fēng)電企業(yè)合作，在大型雙饋?zhàn)儤囡L(fēng)力機(jī)上做了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析得知，此PLC變槳系統(tǒng)完全可以讓風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行。變槳系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)采取功率輸出最優(yōu)原則，當(dāng)風(fēng)速低于額定時(shí)為風(fēng)能吸收利用率最高保持3°槳距角不變，在風(fēng)速高于額定時(shí)根據(jù)功率輸出調(diào)節(jié)槳距角，使功率輸出穩(wěn)定在1.5 MW附近，且波動(dòng)誤差不高于10%。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)變槳采用PLC作為主控制器，使得系統(tǒng)穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)。

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