摘 要:采用變槳距控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)不但可以吸收更多的風(fēng)能，而且使風(fēng)力機(jī)具有更好的起動和制動性能，保證風(fēng)力機(jī)可靠地運(yùn)行。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組或電網(wǎng)發(fā)生故障時，可以控制變槳距機(jī)構(gòu)使葉片順槳，從而使葉輪迅速制動；在風(fēng)速高于安全運(yùn)行風(fēng)速時，可以使葉片處于順槳狀態(tài)，改善風(fēng)力機(jī)組的受力狀況，避免大風(fēng)對風(fēng)力機(jī)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(zhuǎn)矩振蕩；國外的研究人員通過對獨(dú)立變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究發(fā)現(xiàn)，采用對每個葉片進(jìn)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(fēng)機(jī)的疲勞度，延長風(fēng)力機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qiáng)等特點(diǎn)。本文介紹了變槳距系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了變槳控制器的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，在實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)行效果良好。預(yù)計羅克韋爾 SLC 500系列可編程控制器(PLC)在我國風(fēng)力發(fā)電場合會有大的作為。
關(guān)鍵詞:變槳距 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 可編程控制器 羅克韋爾
1 引言
風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。我國風(fēng)能資源儲量豐富，發(fā)展風(fēng)能對于改善能源結(jié)構(gòu)緩解能源短缺具有重大現(xiàn)實(shí)意義。近年來，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，風(fēng)電已成為能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。
在風(fēng)電技術(shù)發(fā)展方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量朝著大型化發(fā)展，兆瓦級風(fēng)力機(jī)已經(jīng)成為了國際風(fēng)力發(fā)電市場的主流產(chǎn)品。目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用變槳距控制技術(shù)，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(jī)組，REPOWER的MD77-1.6 MW、MM82 -2MW，NORDEX的S77/1.5MW等都采用變槳距系統(tǒng)。
變槳距調(diào)節(jié)是沿槳葉的縱軸旋轉(zhuǎn)葉片，控制風(fēng)輪的能量吸收，保持一定的輸出功率。變槳距控制的優(yōu)點(diǎn)是能夠確保高風(fēng)速段的額定功率，額定功率點(diǎn)以上輸出平穩(wěn)、在額定點(diǎn)具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)、提高風(fēng)力機(jī)組起動性能與制動性能、提高風(fēng)機(jī)的整體柔性度、減小整機(jī)和槳葉的受力狀況。因此國際風(fēng)力發(fā)電市場的主流產(chǎn)品是變速變槳距機(jī)組。
世界上大型風(fēng)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有兩種，液壓變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中，電動變槳距系統(tǒng)的槳距控制通過電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、可靠，正越來越受到大多數(shù)整機(jī)廠家的青睞，市場前景十分廣闊。
目前，我國MW級變速恒頻風(fēng)電機(jī)組電動變槳距系統(tǒng)產(chǎn)品一直依賴進(jìn)口，國外比較有代表性的有德國LUST、SSB、美國GE 公司的產(chǎn)品。其高昂的產(chǎn)品價格、技術(shù)服務(wù)的不足和對關(guān)鍵技術(shù)的封鎖嚴(yán)重影響了我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)向著大型化的方向發(fā)展，變槳距控制技術(shù)已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，研制電動變槳距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)力機(jī)電動變槳距控制技術(shù)國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化的要求十分迫切。因此，掌握電動變槳距控制技術(shù)將改變國外公司對變槳距控制技術(shù)壟斷的現(xiàn)狀，提高我國風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)的研制能力，降低風(fēng)力發(fā)電的成本；對加快擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電設(shè)備研制，大力發(fā)展風(fēng)電事業(yè)具有重要意義，從而使我國在該領(lǐng)域的研究達(dá)到國際先進(jìn)水平。
變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流方向，控制系統(tǒng)是機(jī)組的關(guān)鍵部件之一。控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣對風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率和使用壽命有至關(guān)重要的影響。20世紀(jì)90年代，國外便開始了對變速風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性和控制策略的研究，并取得了一系列的成果，生產(chǎn)制造出成熟可靠的商業(yè)化運(yùn)營的控制系統(tǒng)產(chǎn)品。目前的研究熱點(diǎn)集中在基于現(xiàn)代控制理論的新型控制算法在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用上，以期進(jìn)一步提高風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率，減小疲勞載荷，改善輸出電能質(zhì)量。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前對變速風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性及規(guī)律缺乏深入研究，在控制系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化項目中，缺乏最優(yōu)的控制策略依據(jù)。深入研究風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性和規(guī)律對于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計具有十分重要的指導(dǎo)意義。
最大風(fēng)能捕獲是控制系統(tǒng)的重要功能之一，它直接影響的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率。對于提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量，減小風(fēng)電成本具有重要意義。而傳統(tǒng)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(yīng)用，可以有效提高風(fēng)能利用效率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。
為了獲得足夠的起在變槳距系統(tǒng)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(tǒng)的控制器，并設(shè)計了PLC軟件程序，在國外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上作了實(shí)驗(yàn)。
2 變槳距風(fēng)電機(jī)組及其控制策略
變槳距調(diào)節(jié)是沿槳葉的縱軸旋轉(zhuǎn)葉片，控制風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理圖。變槳距控制的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)組起動性能好，輸出功率穩(wěn)定，停機(jī)安全等；其缺點(diǎn)是增加了變槳距裝置，控制復(fù)雜。
圖1 變槳距風(fēng)電機(jī)組原理圖
在風(fēng)力機(jī)設(shè)計的初期，設(shè)計人員就考慮到了變槳距控制，但是由于對空氣動力學(xué)特性和風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況認(rèn)識不足，控制技術(shù)還不成熟，風(fēng)力機(jī)的變槳距機(jī)構(gòu)可靠性不能滿足運(yùn)行要求，經(jīng)常出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。直到20世紀(jì)90年代變槳距風(fēng)力機(jī)才得到廣泛的應(yīng)用。目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用變槳距控制技術(shù)，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(jié)構(gòu)。
定槳距控制，風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)生失速效應(yīng)使高風(fēng)速時功率不增大，但由于失速點(diǎn)的設(shè)計，很難保證風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)可以根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)節(jié)氣流對葉片的功角，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，輸出功率可以穩(wěn)定在額定功率上。如圖2所示為定槳距風(fēng)力機(jī)和變槳距風(fēng)力機(jī)的輸出功率比較曲線。在出現(xiàn)臺風(fēng)的時，可以使葉片處于順槳，使整個風(fēng)力機(jī)的受力情況大為改善，可以避免大風(fēng)損害風(fēng)力機(jī)組。在緊急停機(jī)或有故障時，變槳距機(jī)構(gòu)可以使葉片迅速順槳到90°，風(fēng)輪速度降低，減小風(fēng)力機(jī)負(fù)載的沖擊，延長風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。
圖2 變槳距和定槳距風(fēng)力機(jī)的功率曲線
變槳距控制技術(shù)關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，影響風(fēng)力機(jī)的使用壽命。隨著變槳距風(fēng)力機(jī)的廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者和研究人員投入了變槳距控制技術(shù)及變槳距風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)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(wěn)、減小轉(zhuǎn)矩振蕩、減小機(jī)艙振蕩等技術(shù)的研究。Vestas公司推出了OpiTip（最佳槳距角）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，不但優(yōu)化了輸出功率，而且有效的降低的噪音。
目前變槳機(jī)構(gòu)有兩種：一種是液壓變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)；另一種是電動變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓變槳控制機(jī)構(gòu)具有傳動力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),能夠保證更加快速、準(zhǔn)確地把葉片調(diào)節(jié)至預(yù)定節(jié)距。目前國外著名大公司如丹麥VESTAS的V80-2.0MW風(fēng)機(jī)等都采用液壓變槳機(jī)構(gòu)[5][6]。電機(jī)變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)是利用電機(jī)對槳葉進(jìn)行控制，電動變槳沒有液壓變槳機(jī)構(gòu)那么復(fù)雜，也不存在非線性、漏油、卡塞等現(xiàn)象發(fā)生，因此目前受到了許多廠家的關(guān)注。如REPOWER的XD77、MM92、GE公司生產(chǎn)的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)就采用了電動變槳距機(jī)構(gòu)。
如圖3所示為液壓變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理圖，槳葉通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)與液壓缸相連接，節(jié)距角的變化同液壓缸位移成正比。當(dāng)液壓缸活塞桿向左移動到最大位置時，節(jié)距角為90°，而活塞桿向右移動最大位置時，節(jié)距角一般為-5°。液壓缸的位移由電液比例閥進(jìn)行精確控制。在負(fù)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(jìn)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(jī)構(gòu)框圖
電機(jī)變槳距控制機(jī)構(gòu)可對每個槳葉采用一個伺服電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，如圖4所示。伺服電機(jī)通過主動齒輪與槳葉輪毅內(nèi)齒圈相嚙合，直接對槳葉的節(jié)距角進(jìn)行控制。位移傳感器采集槳葉節(jié)距角的變化與電機(jī)形成閉環(huán)PID負(fù)反饋控制。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制電源斷電時，槳葉控制電機(jī)由UPS供電，將槳葉調(diào)節(jié)為順槳位置。
