作者：中國科學院電工研究所 李建林 張雷 鄂春良

　　摘要：在風力發電系統中，變槳距控制技術關系到風力發電機組的安全可靠運行，影響風力機的使用壽命，通過控制槳距角使輸出功率平穩、減小轉矩振蕩、減小機艙振蕩，不但優化了輸出功率，而且有效的降低的噪音，穩定發電機的輸出功率，改善槳葉和整機的受力狀況。變槳距風力發電機比定槳距風力發電機具有更好的風能捕捉特性，現代的大型風力發電機大多采用變槳距控制。本文針對國外某知名風電公司液壓變槳距風力機，采用可編程控制器(PLC)作為風力發電機的變槳距控制器。這種變槳控制器具有控制方式靈活，編程簡單，抗干擾能力強等特點。本文介紹了液壓變槳距系統的工作原理，設計了變槳控制器的軟件系統。最后在國外某知名風電公司風力發電機組上做了實驗，驗證了將該變槳距控制器可以在變槳距風力機上安全、穩定運行的。

　　關鍵詞：變槳距；風力發電機；可編程控制器

　　1引言

　　隨著風電技術的不斷成熟與發展，變槳距風力發電機的優越性顯得更加突出：既能提高風力機運行的可靠性，又能保證高的風能利用系數和不斷優化的輸出功率曲線。采用變槳距機構的風力機可使葉輪重量減輕，使整機的受力狀況大為改善，使風電機組有可能在不同風速下始終保持最佳轉換效率，使輸出功率最大，從而提高系統性能。隨著風電機組功率等級的增加，采用變槳距技術已是大勢所趨。目前變槳執行機構主要有兩種：液壓變槳距和電動變槳距，按其控制方式可分為統一變槳和獨立變槳兩種。在統一變槳基礎上發展起來的獨立變槳距技術，每支葉片根據自己的控制規律獨立地變化槳距角，可以有效解決槳葉和塔架等部件的載荷不均勻問題，具有結構緊湊簡單、易于施加各種控制、可靠性高等優勢，越來越受到國際風電市場的歡迎。

　　兆瓦級變速恒頻變槳距風電機組是目前國際上技術比較先進的風力機型，從今后的發展趨勢看，必然取代定槳距風力機而成為風力發電機組的主力機型。其中變槳距技術在變速恒頻風力機研究中占有重要地位，是變速恒頻技術實現的前提條件。研究這種技術，提高風電機組的柔性，延長機組的壽命，是目前國外研究的熱點，但是國內對此研究甚少，對這一前瞻性課題進行立項資助，掌握具備自主知識產權的獨立變槳控制技術，對于打破發達國家對先進的風力發電技術的壟斷，促進我國風力發電事業的進一步發展具有重要意義。

　　為了獲得足夠的起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OMRON公司的CJ1M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，在國外某知名風電公司風力發電機組上作了實驗。

　　2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。

圖1變槳距風力發電機簡圖

　　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。

圖2變槳距風力機控制框圖

　　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。

　　3變槳控制器的設計

　　3.1系統的硬件構成

　　本文實驗中采用國外某知名風電公司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°）。

圖３.液壓變槳距控制系統原理圖

　　本系統中采用OMRON公司的CJ1M系列PLC。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CJ1W-AD041；模擬量輸出單元選用CJ1W-DA021,輸出信號為-10V～+10V，將信號輸出到比例閥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CJW-CT021，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CJW-CT021。

　　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/min或者轉速持續一分鐘大于700r/min，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/min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4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5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；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，并通過LMT指令輸出到比例閥，輸出的電壓最大值為1.8V。

圖6變槳距功率調節程序

　　4結束語

　　采用OMRON公司的CJ1M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，使輸出功率維持在550kW左右，在高風速陣風時，功率波動不超過額定功率的10%，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。

　　參考文獻

　　[1] 葉杭冶．風力發電機組的控制技術.北京：機械工業出版社，2002
　　[2] Horiuchi, N.; Kawahito, T. Torque and power limitations of variable speed wind turbines using pitch control and generator power control[C]. Power Engineering Society Summer Meeting, 2001. IEEE , 2001, 1: 638 – 643
　　[3] 李 強，姚興佳，陳 雷.兆瓦級風電機組變槳距機構分析.沈陽工業大學學報,2004(2):146-148.
　　[4] 王樹強,劉紹杰.兆瓦級風力發電機液壓變槳距系統設計及建模.沈陽工業學院學報,2004(1):32-35.
　　[5] Senjyu, T.; Sakamoto, R.; Urasaki, N.; Funabashi, T. Output power leveling of wind turbine Generator for all operating regions by pitch angle control [J]. Energy Conversion, IEEE Transactions 2006(21) : 467 – 475
　　[6] 祁文釗,霍罡.CS/CJ系列PLC應用基礎及案例.北京：機械工業出版社,2006