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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 大型PLC可編程控制器

羅克韋爾 SLC 500系列PLC及其在風力發電變槳距系統中應用

發布日期：2022-04-22 點擊率：62 品牌：羅克韋爾_Rockwell

摘要:采用變槳距控制的風力發電機不但可以吸收更多的風能，而且使風力機具有更好的起動和制動性能，保證風力機可靠地運行。在風力發電機組或電網發生故障時，可以控制變槳距機構使葉片順槳，從而使葉輪迅速制動；在風速高于安全運行風速時，可以使葉片處于順槳狀態，改善風力機組的受力狀況，避免大風對風力機的損害。此外，若通過合適的變槳距控制，可以減小傳遞鏈上的轉矩振蕩；國外的研究人員通過對獨立變槳距風力發電機的研究發現，采用對每個葉片進行合理的控制可以減小塔架的振蕩以及葉片的載荷，從而可以減小風機的疲勞度，延長風力機使用壽命。本文采用羅克韋爾 SLC 500系列可編程控制器（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。本文介紹了變槳距系統的工作原理，設計了變槳控制器的軟件系統和硬件系統，在實際風力發電機組上進行了實驗驗證，運行效果良好。預計羅克韋爾 SLC 500系列可編程控制器（PLC）在我國風力發電場合會有大的作為。
關鍵詞:變槳距風力發電機可編程控制器羅克韋爾
1　引言
　　風能是可再生能源中發展最快的清潔能源，也是最具有大規模開發和商業化發展前景的發電方式。我國風能資源儲量豐富，發展風能對于改善能源結構緩解能源短缺具有重大現實意義。近年來，我國風電產業規模逐步擴大，風電已成為能源發展的重要領域。
　　在風電技術發展方面，風力發電機單機容量朝著大型化發展，兆瓦級風力機已經成為了國際風力發電市場的主流產品。目前大型風力發電機組普遍采用變槳距控制技術，例如，VESTAS的V66-1.65MW、V80-2MW，ENERCON的E-66-1.8MW、E-58-1MW， GE的1.5MW、2.5MW、3.6MW機組，REPOWER的MD77-1.6 MW、MM82 -2MW，NORDEX的S77/1.5MW等都采用變槳距系統。
　　變槳距調節是沿槳葉的縱軸旋轉葉片，控制風輪的能量吸收，保持一定的輸出功率。變槳距控制的優點是能夠確保高風速段的額定功率，額定功率點以上輸出平穩、在額定點具有較高的風能利用系數、提高風力機組起動性能與制動性能、提高風機的整體柔性度、減小整機和槳葉的受力狀況。因此國際風力發電市場的主流產品是變速變槳距機組。
　　世界上大型風電機組變槳距系統的執行機構主要有兩種，液壓變槳距執行機構和電動變槳距執行機構。其中，電動變槳距系統的槳距控制通過電動機來實現，結構緊湊、控制靈活、可靠，正越來越受到大多數整機廠家的青睞，市場前景十分廣闊。
　　目前，我國MW級變速恒頻風電機組電動變槳距系統產品一直依賴進口，國外比較有代表性的有德國LUST、SSB、美國GE 公司的產品。其高昂的產品價格、技術服務的不足和對關鍵技術的封鎖嚴重影響了我國風電產業的健康快速發展。風力發電機向著大型化的方向發展，變槳距控制技術已經成為風力發電的關鍵技術之一，研制電動變槳距系統實現大型風力機電動變槳距控制技術國產化、產業化的要求十分迫切。因此，掌握電動變槳距控制技術將改變國外公司對變槳距控制技術壟斷的現狀，提高我國風電關鍵技術的研制能力，降低風力發電的成本；對加快擁有自主知識產權的風電設備研制，大力發展風電事業具有重要意義，從而使我國在該領域的研究達到國際先進水平。
　　變速變槳風力發電機組是風力發電技術發展的主流方向，控制系統是機組的關鍵部件之一。控制系統的性能優劣對風機運行的效率和使用壽命有至關重要的影響。20世紀90年代，國外便開始了對變速風力機的運行特性和控制策略的研究，并取得了一系列的成果，生產制造出成熟可靠的商業化運營的控制系統產品。目前的研究熱點集中在基于現代控制理論的新型控制算法在風力發電控制系統中的應用上，以期進一步提高風力機的運行效率，減小疲勞載荷，改善輸出電能質量。我國風電產業起步較晚，目前對變速風電機組的運行特性及規律缺乏深入研究，在控制系統的產業化項目中，缺乏最優的控制策略依據。深入研究風電機組及風力機的運行特性和規律對于控制系統的分析與設計具有十分重要的指導意義。
　　最大風能捕獲是控制系統的重要功能之一，它直接影響的風力發電機組的運行效率。對于提高風電機組的發電量，減小風電成本具有重要意義。而傳統的控制方法存在諸多不足，引起較大的能量損失，新型控制算法的研究和應用，可以有效提高風能利用效率，實現最大風能捕獲。
　　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，本文中采用了羅克韋爾 SLC 500系列可編程控制器（PLC）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　變槳距風電機組及其控制策略
　　變槳距調節是沿槳葉的縱軸旋轉葉片，控制風輪的能量吸收，保持一定的輸出功率。如圖1所示為變槳距風力發電機的原理圖。變槳距控制的優點是機組起動性能好，輸出功率穩定，停機安全等；其缺點是增加了變槳距裝置，控制復雜。

圖1 變槳距風電機組原理圖
　　在風力機設計的初期，設計人員就考慮到了變槳距控制，但是由于對空氣動力學特性和風力機運行工況認識不足，控制技術還不成熟，風力機的變槳距機構可靠性不能滿足運行要求，經常出現飛車現象。直到20世紀90年代變槳距風力機才得到廣泛的應用。目前大型風力發電機組普遍采用變槳距控制技術，例如， VESTAS的V66-1.65MW、V80-2MW，ENERCON的E-66-1.8MW、E-58-1MW，ENRON Wind的1.5S-5MW，NORDEX的S77/1500KW等都采用變槳距結構。
　　定槳距控制，風力機的功率調節完全依靠葉片結構設計發生失速效應使高風速時功率不增大，但由于失速點的設計，很難保證風力機在失速后能維持輸出額定功率，所以一般失速后功率小于額定功率[1][4]；而變槳距風力機可以根據風速的大小調節氣流對葉片的功角，當風速超過額定風速時，輸出功率可以穩定在額定功率上。如圖2所示為定槳距風力機和變槳距風力機的輸出功率比較曲線。在出現臺風的時，可以使葉片處于順槳，使整個風力機的受力情況大為改善，可以避免大風損害風力機組。在緊急停機或有故障時，變槳距機構可以使葉片迅速順槳到90°，風輪速度降低，減小風力機負載的沖擊，延長風電機組的使用壽命。

圖2 變槳距和定槳距風力機的功率曲線
　　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。隨著變槳距風力機的廣泛應用，許多學者和研究人員投入了變槳距控制技術及變槳距風力機結構的研究。目前人們主要致力于通過控制槳距角使輸出功率平穩、減小轉矩振蕩、減小機艙振蕩等技術的研究。Vestas公司推出了OpiTip（最佳槳距角）風力發電機組，不但優化了輸出功率，而且有效的降低的噪音。
　　目前變槳機構有兩種：一種是液壓變槳距執行機構；另一種是電動變槳距執行機構。液壓變槳控制機構具有傳動力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、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。目前國外著名大公司如丹麥VESTAS的V80-2.0MW風機等都采用液壓變槳機構[5][6]。電機變槳執行機構是利用電機對槳葉進行控制，電動變槳沒有液壓變槳機構那么復雜，也不存在非線性、漏油、卡塞等現象發生，因此目前受到了許多廠家的關注。如REPOWER的XD77、MM92、GE公司生產的兆瓦級風力發電機就采用了電動變槳距機構。
　　如圖3所示為液壓變槳距執行機構原理圖，槳葉通過機械連桿機構與液壓缸相連接，節距角的變化同液壓缸位移成正比。當液壓缸活塞桿向左移動到最大位置時，節距角為90°，而活塞桿向右移動最大位置時，節距角一般為-5°。液壓缸的位移由電液比例閥進行精確控制。在負載變化不大的情況下，電液比例方向閥的輸入電壓與液壓缸的速度成正比，為進行精確的液壓缸位置控制，必須引入液壓缸位置檢測與反饋控制。

圖3 液壓變槳機構框圖
　　電機變槳距控制機構可對每個槳葉采用一個伺服電機進行單獨調節，如圖4所示。伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪毅內齒圈相嚙合，直接對槳葉的節距角進行控制。位移傳感器采集槳葉節距角的變化與電機形成閉環PID負反饋控制。在系統出現故障，控制電源斷電時，槳葉控制電機由UPS供電，將槳葉調節為順槳位置。

圖4 電動變槳距系統原理圖
　　隨著風力發電機技術的不斷進步，風力機已經朝著大型化方向發展。兆瓦級風力機已經成為市場上的主流機型，在國外的海上風電場廣泛采用2-5MW風力發電機組。目前的變槳距風力機大多采用三個槳葉統一控制的方式，即三個槳葉變換是一致的。但由于現代大型風力機葉片比較大，一般幾十米甚至上百米，所以整個風輪掃過面上的風速并不均勻，由此會產生葉片的扭矩波動并影響到風力機傳動機構的機械應力及疲勞壽命；此外，由于葉片尺寸較大，每個葉片有十幾噸甚至幾十噸重，葉片在運行的不同位置受力狀況也是不一樣的，故葉片重力對風輪力矩的影響也是不能忽略的。顯然對三個葉片進行獨立控制更加合理。通過獨立變槳控制，可以大大減小風力機葉片負載的波動及轉矩的波動，進而減小了傳動機構和齒輪箱的疲勞度以及塔架的振動，而輸出功率能基本恒定在額定功率附近。
3　變槳控制器的設計
3.1　系統的硬件構成
　　本文實驗中采用的電動獨立變槳距系統由交流伺服系統、伺服電機、后備電源、輪轂主控構成。電動變槳距系統結構如圖5、6所示。系統參數與接口的設計依據為SSB1.5MW雙饋式風力發電機組變槳距系統。

圖5 電動獨立變槳距系統結構

圖6 電動獨立變槳距系統結構2

　　本文中的風電系統涉及風速、風向、振動加速、振動開關、偏航、剎車液壓系統、齒輪傳動系統、液壓、溫度等等信號。其中，輸入數字量約70-80路；模擬量約10路；溫度量約16路；輸出數字量約32路；此外，還需要用到發電機轉速測量高速計數信號。為了滿足需求，采用了羅克韋爾 SLC 500系列PLC。SLC 500有多款不同容量和內置通訊接口的處理器可選。提供最大容量最多可達64K字（128K字節）的數據/程序內存，SLC 500的模塊化I/O系統提供了包括開關量、模擬量和專用模塊在內的60多種I/O模塊。SLC500系列處理器的程序和數據是以文件的形式在內存中存儲的。處理器文件分為程序文件和數據文件,程序文件可高達256個 ,包括處理器信息、梯形圖主程序、中斷子程序及其他用戶根據需要編制的子程序文件;數據文件包括與外部 I/O及所有梯形圖程序使用的與指令相關的數據信息。它包含輸出 /輸入、狀態、位、計時器、計數器、控制結構、整數、浮點數、字符串、ASCII碼文件 ,用戶可以根據需要定義除輸出 /輸入和狀態文件以外的可達 256個數據文件。
　　此外，SLC500控制系統還提供 50多種不同的 I/O模塊滿足用戶的不同需求。本地模塊采用硬件尋址方式 ,程序邏輯可直接存取 I/O數據。（1 ）開關量 I/O模塊。包括各種輸入 /輸出方式和不同的 I/O點數 ,有 4、8、16和 32點開關量 I/O模塊及 8、12和 16點 I/O混合模塊等 ,可與不同電壓等級的交流、直流和 TTL電平連接。其中有負載電流達 2 A和 2. 5 A的大電流繼電器模塊、固態輸出模塊和最大接通信號延遲時間只有 0. 3 ms、最大關斷信號延遲時間只有 0. 5 ms的快速響應直流輸入模塊。為提高工業應用的可靠性 ,這些模塊都提供了輸入濾波和光電隔離功能。 16點 I/O模塊上還有可拆卸的接線端子排 ,使接線和更換模塊更容易。（ 2）模擬量 I/O模塊。SLC500系列模擬量（模塊有 4路 I/O、4路混合 I/O 2路輸入 /2路輸）出模塊和高密度的 8路輸入模塊及快速響應模塊等。輸入模塊都采用差分輸入 ,每路通道可單獨配置成不同等級的電流或電壓輸入方式 ,最高輸入分辨率可達 16 bit精度。具有輸入濾波 ,對電氣噪聲具有高度的防護能力。輸出通道的精度都是 14 bit,提供精確的控制能力。SLC500系列模擬量 I/O模塊可以選擇由框架的背板供電 ,不需外部電源。
　　系統中，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。在這里選用了4路模擬量的輸入單元；4路模擬量輸出單元,輸出信號為-10V～+10V，將信號輸出到執行機構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，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。
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控制執行電機，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7所示。當風速高于起動風速時PLC通過模擬輸出單元輸出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。

圖7 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8 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8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。
4　結束語
　　在國內一些機構已經對變槳距控制進行了一定的研究，如沈陽工業大學、浙江大學、新疆大學等，其中浙江大學對獨立變槳距風力機控制做了初步的探討，但是變槳距控制在國內還沒有成功應用的例子，變槳距控制在國內還處于理論研究階段，較高風力機成本也限制了實驗的進展，在國內主要做了理論研究和仿真分析。雖然金風公司在今年生產安裝了1.2MW的變槳距直驅永磁同步風力發電機，但是其變槳控制系統還沒有實現國產化，還依靠國外的技術。東方汽輪機生產的1.5MW FD70風力機采用了LUST的獨立變槳控制器。
　　采用了羅克韋爾 SLC 500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，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。可以預見，羅克韋爾 SLC 500系列PLC在風力發電場合會有大的應用前景。