PLC在风电控制系统中的应用
[摘要] 风力发电系统结构复杂,具有非线性、时变的特点。变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行,影响风力机的使用寿命, 变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性,现代的大型风力发电机大多采用可编程控制器(PLC)作为风力发电机的变桨距控制器。控制方式灵活,编程简单, 结构紧凑简单、易于施加各种控制、可靠性高，抗干扰能力强等特点。本文介绍了液压变桨距系统的工作原理,设计了变桨控制器的软件系统。
[关键词] 风电机组 PLC 风机控制 变桨距
风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具最大规模和商业化发展前景的发电方式。风力发电技术在节约能源上具有十分重要的意义。 PLC主要应用于风机的机舱里和机座下，分别起变浆和偏航控制，隶属于一套控制系统。两台PLC之间通过现场总线进行通信。以PLC组成的风机主控系统硬件由模块构成，控制室有足够的空间保证测量和操作的安全性，PLC控制器之间通过光缆链接，以网络协议方式进行通讯，设置上位机控制、检测和管理。以数据库程序编写界面。全球投入商业运行的兆瓦级以上风力发电机均采用了变桨距技术。变桨距风力发电机组是指整个叶片绕叶片中心轴旋转,调节输出功率不超过设计允许值。变桨距叶片一般叶宽小，叶片轻，机头质量比失速机组小，不需很大的刹车，启动性能好。由于风电设备运行环境较为恶劣，安装空间有所，并且要求有很强的数据处理能力，因此现有的通用可编程控制器很难达到其技术要求。在低空气密度地区仍可达到额定功率，在额定风速之后，输出功率可保持相对稳定，保证较高的发电量。可编程逻辑控制器(PLC)在风力发电机组控制系统中具有重要的作用。
1、变桨距风力机控制方式
图1 变桨距风电机组原理图
变桨距调速是风力发电机主要的调速方式之一，通过增大桨距角的方式调速装置减小由于风速增大使叶轮转速加快的趋势。液压变桨系统是由电动液压泵作为工作动力，电磁阀作为控制单元，液压油作为传递介质，将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动实现桨叶的变桨距。风速增大时，变桨距液压缸就会动作，推动叶片逐渐向桨距角增大的方向转动，叶片吸收的风能减少，保持风轮运转在额定的转速范围内。风速减小时，执行相反操作，保持风轮吸收的功率能基本恒定。例如，VESTAS的V66-1.65MW，ENERCON的E-66-1.8MW、E-58-1MW， GE的1.5MW、2.5MW、3.6MW机组都采用变桨距系统。液压传动的单位体积小、重量轻、动态响应好、扭矩大并且无需变速机构，在失电时将蓄压器作为备用动力源对桨叶进行全顺桨作业而无需设计备用电源，能够保证更加快速、准确地把叶片调节至预定节距。液压变桨距系统的发电机增速箱电网ωVI*β功率传感器变桨控制器风PP，如图1所示。
2、变桨距控制器的设计创新
2.1 系统硬件的设计
风力发电机组的额定功率为550KW，采用液压变桨系统，图2所示液压变桨机构框图。采用的电动变桨距系统由交流伺服系统、伺服电机、后备电源、轮毂主控构成。改变液压比例阀的电压来改变退桨的速度。在紧急停机时，可控制电磁阀J-B闭合、J-A和J-C打开，使储压罐1中的液压油迅速进入变桨缸，推动桨叶达到顺桨位置（90°）。输入数字量约70-80路；模拟量约10路；温度量约16路；输出数字量约32路, 数据文件包括与外部 I/O及所有梯形图程序使用的与指令相关的数据信息。它包含 输出 /输入、状态、位、计时器、计数器、控制结构、整数、浮点数、字符串、ASCII码文件。发电机的转速是通过检测与发电机相连的光电码盘，每转输出10个脉冲，输入给计数单元。
图2 液压变桨机构框图
2.2 软件系统的设计
本系统的主要功能都是由PLC来实现的， VersaPro软件用于组态 PLC硬件，创建和编辑 PLC逻辑程序，监视 PLC的逻辑程序的执行 。当风速达到启动风速时，PLC发出指令变距机构把叶片沿长轴旋转到升力最佳状态，使风轮达到最大捕获效率，额定风速之上，为了功率输出，变距机构把叶片向顺桨方向逐渐旋转，降低风轮气动效率。PLC根据反馈的功率调节发电机并网后进行功率，调整桨距角使输出功率保持在额定功率之上。在有故障停机或急停信号时，PLC控制电磁阀J-A和J-C打开，J-B关闭，使得叶片迅速变到桨距角为90°的位置。由于变桨距系统中采用了PLC作为控制器，使得该系统仅用简单的软件程序就完成了复杂的逻辑控制，而且抗干扰能力强，性能可靠。在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网。如果在额定风速以下，PLC就要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能。在额定风速以上，PLC采用变速与桨叶节距调节，风力机获取能量，保证发电机功率输出的稳定性，获取良好的动态特性。PLC检测到转速大于1000r/min时发出并网指令。减轻桨距调节的频繁动作，提高传动系统的柔性。
图3 风力机起动变桨控制程序流图
3、变桨距控制器的优势
3.1可靠性高，抗干扰能力强
风机发生故障时生成100Mbytes大小的文件，在控制器正常运行的情况下可以采用多任务技术存储，避免影响控制器的正常工作，数据存储空间为单独配置的FLASH。由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。采用工业级芯片保证风机控制器可以运行在-25℃~60℃环境下。采用
CAN现场总线网络，基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。实时控制的串行通信网络，具有优越的抗干扰性。各模块均采用屏蔽措施，各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms，以防止噪声干扰。
3.2功能完善，适用性强
支持大容量数据存储，I/O卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置。支持128M数据存储，可有效存储风机故障时产生的数据。良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，PLC立即采取有效措施，以防止故障扩大。
3.3实时多任务，响应性好
Wonderware InTouch 8.0过程可视化，具有比较完善的软件系统，有比较丰富的指令系统，输入、输出等外部设备较完善。用于风机过程控制和管理监视的一个强大的图形人机界面( HMI ) 软件，具有节能、降耗、降低环境的污染的功能。全部的逻辑、延时控制全由PLC内部实现监控，且延时精确，程序稳定，大大增加了电控系统的可靠性，大大地减少了维修量，大大地降低了故障率。充分利用PLC内部功能，编制了防误程序，如在”下降”再生制动瞬间时，直接将主令控制器打”上升”位置时也能确保平稳过度，停车自如，杜绝了以往因上述操作而引起电动机转子反接击穿，甚至烧毁的事故。由于采用了实时多任务的方式，支持定时中断方式，因此可以方便地实现定时周期执行控制程序，保证程序执行时间恒定。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造.体积小，重量轻，能耗低。
3.4编程软件
在Automation Studio里嵌入的SIMULINK或Stateflow,单元进行机组的模型建立，它可以模拟机组的各种传感器和执行机构的物理模型，每个物理的组件都可以被模拟，然后，设计的控制器进行仿真分析，在外部条件变化，风力发电机组的启动、运行、紧急停车、安全逻辑、当机，通过外部传感器的模拟电流、功率、相位等的变化来进行变桨系统的运动控制和机组的速度调整等等。根据现场需求，调整NAPro编程软件的实际功能。按NAPro提供的顺序控制图编程语言更适合顺序控制，编程简单、直观，调试可视化。
总之，采用这种PLC控制系统可以使风力机安全运行。由于桨叶是在不断旋转的，必须通过一个旋转接头将机舱内液压站的液压路引入旋转中的轮毂，液压油的压力在20MPa左右，因此制造工艺要求较高，难度较大，管路也容易产生泄漏现象。变桨距系统中采用PLC作控制器，使该系统用简单的软件程序就完成了复杂的逻辑控制，抗干扰能力强，性能可靠。
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