風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的plc控制設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的plc控制設(shè)計(jì)

1變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電可分為定槳距離和可變槳距離。相對(duì)于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)不僅能夠在更大風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行,具有較高的風(fēng)能利用效率;并且在額定功率以上,變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)槳距角,使得額定功率點(diǎn)以上輸出功率更加穩(wěn)定。變槳距系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)變距控制和氣動(dòng)剎車的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。本文以CX56機(jī)組(850kW無刷勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組)為控制對(duì)象采用了SIEMENS公司的S7-300系列可編程序控制器作為變槳距系統(tǒng)的控制器,以4kW的三相永磁同步伺服電機(jī)做變槳系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了硬件組態(tài)及軟件編程設(shè)計(jì),完成控制系統(tǒng)的各種控制功能。2變槳系統(tǒng)的功能風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能量轉(zhuǎn)換的角度看可分為兩大部分:其一是風(fēng)輪,功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能;其二是發(fā)電機(jī),它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。變槳系統(tǒng)的功能是借助控制技術(shù)和動(dòng)力系統(tǒng),使安裝在輪轂上的葉片可以沿著縱軸方向旋轉(zhuǎn),以改變氣流對(duì)葉片的攻角,從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩以控制風(fēng)輪吸收的能量,改善槳葉的受力情況以及整機(jī)的能量吸收情況?？傮w來說,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)風(fēng)速的不同,變槳系統(tǒng)一般運(yùn)行在以下3個(gè)不同階段。2.1氣流不穩(wěn)定中,氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生扭矩的位置不同變槳距風(fēng)力機(jī)在無風(fēng)狀態(tài)(本系統(tǒng)中為風(fēng)速持續(xù)低于3.5m/s)時(shí),葉片順槳停機(jī),槳距角處于90°的位置,這樣,氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩;當(dāng)風(fēng)速持續(xù)高于3.5m/s時(shí),當(dāng)風(fēng)力機(jī)由停機(jī)狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài),槳矩角由90°以一定速度轉(zhuǎn)到待機(jī)角度(本系統(tǒng)為10°),若風(fēng)速繼續(xù)增加到切入風(fēng)速滿足并網(wǎng)條件時(shí),要求進(jìn)入發(fā)電狀態(tài),槳距角由待機(jī)角度繼續(xù)減小到3°(槳距角在3°左右時(shí)具有最佳風(fēng)能吸收系數(shù))并網(wǎng)運(yùn)行。2.2風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力機(jī)并上電網(wǎng)后,當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速工況時(shí),風(fēng)力機(jī)槳距角不加控制,保持在3°不變,風(fēng)力機(jī)輸出功率根據(jù)風(fēng)速變化而變化,風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax處,轉(zhuǎn)速控制在最佳轉(zhuǎn)速下。2.3根據(jù)反饋信號(hào),選擇合適的機(jī)組葉片節(jié)距當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在額定功率狀態(tài)。如果風(fēng)速在高于額定風(fēng)速階段變化,在達(dá)到額定風(fēng)速之前,要根據(jù)功率反饋信號(hào),通過變槳系統(tǒng)調(diào)整葉片節(jié)距,改變氣流對(duì)葉片攻角,從而改變風(fēng)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩減小風(fēng)能利用效率,控制電機(jī)功率,使機(jī)組功率輸出保持穩(wěn)定,同時(shí)保證滿足風(fēng)機(jī)的電氣及機(jī)械的承受能力。3管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目前,大型風(fēng)電機(jī)組普遍采用允許獨(dú)立變槳距的三槳葉結(jié)構(gòu)。圖1為電動(dòng)變槳距系統(tǒng)框圖。電動(dòng)變槳距系統(tǒng)一般包括變槳距伺服電機(jī)、控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、UPS、減速箱等。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)對(duì)葉片的異步控制,每個(gè)葉片都有自己的獨(dú)立變槳機(jī)構(gòu)即驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置由一有制動(dòng)裝置和脈沖發(fā)送器的交流伺服電機(jī)以及一個(gè)有從動(dòng)小齒輪的3級(jí)行星式傳動(dòng)裝置構(gòu)成。由于槳葉重量大,同時(shí)又有阻力作用,槳距角變化都比較緩慢,但是一般伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速都較高,所以需要減速機(jī)構(gòu),本系統(tǒng)采用減速比為176.8的3級(jí)行星減速箱。傳動(dòng)裝置以法蘭連接在鑄在輪轂壁上的托架上。小齒輪與葉片軸承的內(nèi)齒相嚙合并在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)調(diào)節(jié)葉片。每個(gè)葉片的葉片角度利用電機(jī)上的位移傳感器檢測,同時(shí)借助非接觸時(shí)位移傳感器和兩個(gè)終端開關(guān)來監(jiān)控。葉片的同步運(yùn)轉(zhuǎn)由控制裝置調(diào)節(jié)。一葉片相對(duì)于另一葉片的最大許可偏差為0.3°。機(jī)艙內(nèi)的主控制器與輪轂內(nèi)的變槳控制器之間通過DP總線連接,另外,變槳控制的供電電源是有機(jī)艙提供三相供電電源,DP總線及三相供電電源都是通過滑環(huán)連接。當(dāng)風(fēng)速高于啟動(dòng)風(fēng)速需要由停機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài);或者是當(dāng)風(fēng)速高于并網(wǎng)風(fēng)速,需要并網(wǎng)時(shí);還有當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速且滿足運(yùn)行條件時(shí),主控制器根據(jù)采集來的風(fēng)速計(jì)算每個(gè)葉片需要調(diào)節(jié)的槳距角,由主控制器發(fā)出槳葉調(diào)節(jié)命令,通過DP總線轉(zhuǎn)到變槳控制器然后由伺服電機(jī)通過減速箱帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1中虛線部分為UPS電源,機(jī)艙內(nèi)的三相供電電源經(jīng)過滑環(huán)連接UPS,一方面對(duì)伺服電機(jī)供電,另一方面,將交流電整流成24V直流做變槳控制器的電源,同時(shí)對(duì)蓄電池充電,這是變槳部分能夠安全運(yùn)行的保障,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組突然出現(xiàn)故障或者外接電源突然斷開,要能使槳葉在蓄電池作用下短時(shí)間內(nèi)達(dá)到順槳狀態(tài),本系統(tǒng)要求以9°/s的速度在8s內(nèi)完成。3.2電機(jī)功率的確定在變槳距機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中,驅(qū)動(dòng)力是一個(gè)非常重要的參數(shù),只有在它確定的情況下,才能進(jìn)行變槳距機(jī)構(gòu)中各個(gè)部件的選擇,同時(shí)為下一步的計(jì)算提供依據(jù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同工作狀態(tài)下,作用于槳葉變距軸上的阻力距變化很大,但是因?yàn)殡妱?dòng)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)在緊急順槳時(shí)比正常工作時(shí)大得多,所以只需考慮緊急順槳時(shí)的槳葉驅(qū)動(dòng)力,基于本系統(tǒng)中葉片的實(shí)際情況以及此緊急順槳要求得出電機(jī)轉(zhuǎn)矩T≥15N·m。本系統(tǒng)中選額定轉(zhuǎn)速為2500r/min的電機(jī),為求得電機(jī)功率進(jìn)行如下計(jì)算:P=F×v(1)T=F×R(2)v=2πR×N(3)P=NπT/30(4)式中:P為電機(jī)額定功率;T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;v為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)線速度。將T≥15N·m,n=2500r/min代入式(4)求得P=3927W,所以選擇額定功率為4kW的電機(jī);另一方面,因?yàn)檩嗇瀮?nèi)空間非常有限,所以要選擇功率密度較大的伺服電機(jī)。基于以上考慮,本系統(tǒng)采用功率為4kW,轉(zhuǎn)矩為15N·m的三相永磁同步電機(jī)做伺服電機(jī)。4風(fēng)力機(jī)變槳控制變槳系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸入功率調(diào)節(jié)裝置在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。變槳距控制器的原理框圖如圖2所示。在由停機(jī)狀態(tài)到啟動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中主要根據(jù)風(fēng)速信號(hào)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)來確定槳葉處于待機(jī)或順槳位置;并入電網(wǎng)之后,功率控制器起作用,根據(jù)電機(jī)輸出功率的變化調(diào)節(jié)槳距角使其保持在恒功率狀態(tài),在風(fēng)速超出極限(切出風(fēng)速)時(shí)迅速順槳。本控制系統(tǒng)的主要功能都是由PLC來完成的。系統(tǒng)控制算法全部以STEP7-300軟件實(shí)現(xiàn),當(dāng)滿足風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)條件時(shí),主控制器通過變槳控制器發(fā)出指令使葉片槳距角勻速減小;在額定風(fēng)速之上,通過調(diào)整槳距角使輸出功率保持在額定功率上;在有故障停機(jī)或急停信號(hào)時(shí),使變槳電機(jī)迅速動(dòng)作帶動(dòng)槳葉順槳。風(fēng)力機(jī)變槳控制程序流程如圖3所示。當(dāng)風(fēng)速高于啟動(dòng)風(fēng)速時(shí),槳距角以1°/s的速度從90°減小到10°。這時(shí),如果與葉片連接的低速軸轉(zhuǎn)速大于8r/s,槳距角繼續(xù)進(jìn)槳到3°位置,此時(shí)如果低速軸轉(zhuǎn)速持續(xù)10min大于10r/s則并網(wǎng),否則退槳到10°位置。在變槳距控制系統(tǒng)中,高風(fēng)速段的變槳距調(diào)節(jié)功率是非常重要的部分,本系統(tǒng)中在高風(fēng)速階段調(diào)節(jié)器控制算法的核心是模糊PID控制,變槳系統(tǒng)中,模糊控制器根據(jù)功率偏差信號(hào)e及其變化率ec,調(diào)節(jié)比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD的數(shù)值?；谀：壿嫷膮?shù)自整定PID控制器可以很好地適應(yīng)非線性系統(tǒng),具有較好的魯棒性。由PID算法中各環(huán)節(jié)作用以及實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn),能得出參數(shù)整定規(guī)則,這些規(guī)則是制定模糊控制規(guī)則的依據(jù)和基礎(chǔ)。本文采用二維模糊控制,其模糊條件語句為:IfEandECthenU其中,E為功率偏差;EC為功率偏差的變化率;U為槳距角變化量?？刂埔?guī)則的基本原則:功率偏差較大時(shí),以考慮快速消除偏差為主;功率偏差較小時(shí),主要考慮避免過大超調(diào),保證系統(tǒng)穩(wěn)定。本文采用Mamdani方法設(shè)計(jì)模糊控制器并采用最大隸屬度法解模糊,最終確定PID參數(shù)整定的模糊控制查詢表。5高風(fēng)速plc控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-300系列PLC作為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距系統(tǒng)的控制器,已經(jīng)在CX56型變槳距風(fēng)力機(jī)上作了實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)記錄表明,采用這種PLC控制系統(tǒng)可以使風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行,在出現(xiàn)停機(jī)故障時(shí)可以迅速順槳