宋文宇

摘要：本文論述直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)變槳距控制系統(tǒng)，槳距角位置控制由一個(gè)PI控制器調(diào)節(jié)，在不同的槳距角時(shí)可調(diào)節(jié)該控制器系數(shù)保證得到合適的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由此推動(dòng)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子到達(dá)發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。在此系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速也由變槳距控制系統(tǒng)控制，用一個(gè) PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作為串級(jí)調(diào)節(jié)的主調(diào)，槳距角位置控制調(diào)節(jié)作為副調(diào)控制執(zhí)行器（變槳電機(jī)）進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：? 變槳距，控制器，轉(zhuǎn)速控制

一、前言

風(fēng)力機(jī)的直驅(qū)化是風(fēng)力機(jī)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。目前大多風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪通過變速齒輪相連，齒輪箱裝置不僅降低了系統(tǒng)的效率，增加了系統(tǒng)的成本，而且容易出現(xiàn)故障。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以直接與風(fēng)輪相連，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的國(guó)內(nèi)難以自主生產(chǎn)且故障率較高的齒輪箱這一部件，因此，沒有齒輪箱的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，具備低風(fēng)速時(shí)高效率、低噪音、高壽命、減小機(jī)組體積、降低運(yùn)行維護(hù)成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。

隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)成為趨勢(shì)，打破國(guó)外設(shè)備的壟斷的同時(shí)大幅降低了機(jī)組成本。而作為900KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)，要充分利用風(fēng)力調(diào)節(jié)漿葉的迎風(fēng)角度，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定在額定轉(zhuǎn)速，從而使發(fā)電機(jī)能夠以額定功率發(fā)電。由于風(fēng)速隨時(shí)都在變化，漿葉的迎風(fēng)角度也要時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整。并且在風(fēng)速過大時(shí)，變槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)要作為氣動(dòng)剎車自動(dòng)順槳以避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可能的超速而帶來的危險(xiǎn)。

二、系統(tǒng)概述

本變槳距控制系統(tǒng)應(yīng)用于900KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。變槳距系統(tǒng)控制主要包括發(fā)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，槳葉槳距角位置閉環(huán)控制，手動(dòng)維護(hù)轉(zhuǎn)動(dòng)程序控制，變槳距系統(tǒng)故障檢測(cè)和保護(hù)控制，各保護(hù)系統(tǒng)切換等。對(duì)于變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時(shí)，通過控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得最大的風(fēng)能利用系數(shù);當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)（此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩，值恒定），通過變槳減少風(fēng)輪吸收的功率，使輸出功率恒定。當(dāng)然，由于變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能跟隨上快速變化的風(fēng)，因此允許發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速瞬時(shí)升高，將瞬變的風(fēng)能以風(fēng)輪動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來，風(fēng)速降低時(shí)，再將動(dòng)能釋放出來，從而使輸出功率恒定（此時(shí)，風(fēng)能被捕獲，但是沒有被完全轉(zhuǎn)換成電能）。

1.變槳控制系統(tǒng)配置

主控制器PLC采用倍福CX9000系列緊湊型以太網(wǎng)控制器，用于帶E-bus的EtherCAT端子模塊，導(dǎo)軌安裝，不僅便于安裝而且變槳距系統(tǒng)柜內(nèi)空間較小的情況下節(jié)省了一定的空間。其他各個(gè)模塊通過EtherCAT進(jìn)行連接。主要模塊如表1-1所示：

2.系統(tǒng)控制流程

控制系統(tǒng)主要包括上電初始化，故障檢測(cè)及處理，手動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行等。上電后初始化，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及通訊。當(dāng)有故障時(shí)進(jìn)行故障處理;滿足手動(dòng)命令時(shí)進(jìn)入手動(dòng)調(diào)槳功能;無故障且非手動(dòng)時(shí)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有運(yùn)行指令時(shí)進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)總體控制流程框圖如圖2-1所示：

三、變槳距系統(tǒng)閉環(huán)控制

變槳距控制系統(tǒng)采用槳葉位置閉環(huán)PI控制和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID閉環(huán)控制雙回路控制系統(tǒng)。其中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)作為主調(diào)。由設(shè)定的額定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速做閉環(huán)，輸出的槳距角給定和實(shí)際槳距角值做閉環(huán)，輸出變槳電機(jī)變頻器的頻率給定?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2-1所示：

當(dāng)經(jīng)過濾波的發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速未到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速PID控制器輸出槳距角位置給定值給位置PI控制器，PI控制器根據(jù)此給定位置和當(dāng)前實(shí)際槳距角位置值調(diào)節(jié)輸出給槳葉電機(jī)變頻器轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉電機(jī)，使當(dāng)前的槳距角位置增大或減小以減小或增大槳葉受風(fēng)面，進(jìn)而減小或增大發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)額定。

四、控制系統(tǒng)保護(hù)功能

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組涉及到如電網(wǎng)掉電、發(fā)電機(jī)超速、風(fēng)速過大等故障時(shí)，需要變槳距系統(tǒng)順槳以實(shí)現(xiàn)主軸剎車從而起到保護(hù)功能。而變槳距系統(tǒng)自身也需要對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)，以下是一些變槳距系統(tǒng)自身檢測(cè)并處理的主要故障保護(hù)功能：

1.電網(wǎng)掉電保護(hù)

當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，變槳距控制系統(tǒng)由備用電源給驅(qū)動(dòng)器直流母線供電，24VDC控制電也由備用電源提供，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行備電緊急順槳，直至限位保護(hù)開關(guān)動(dòng)作。

2.電網(wǎng)欠壓/過壓保護(hù)

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)過壓或欠壓時(shí)，變槳距控制系統(tǒng)執(zhí)行正常順槳?？刂葡到y(tǒng)具有低電壓穿越能力，當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落的范圍內(nèi)，變槳距控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

3.通訊故障保護(hù)

當(dāng)變槳距系統(tǒng)PLC與主控CAN-OPEN通訊故障或與各驅(qū)動(dòng)器之間通訊故障時(shí)，變槳距控制系統(tǒng)執(zhí)行正常順槳。

4.轉(zhuǎn)子過轉(zhuǎn)速故障

轉(zhuǎn)子超過最大轉(zhuǎn)速限定值（有超速保護(hù)開關(guān)動(dòng)作）時(shí)，變槳系統(tǒng)斷開看門狗輸出，執(zhí)行緊急順槳操作。

5.第一安全系統(tǒng)故障

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器順槳超過45S仍然沒有到達(dá)順槳位置。

6.第二安全系統(tǒng)故障

備用電池緊急順槳超過30S仍然沒有到達(dá)順槳位置。

7.槳距角測(cè)試故障

葉片到達(dá)保護(hù)限位開關(guān)時(shí)，當(dāng)前槳距角測(cè)量值與順槳位置槳距角的設(shè)定值（85°～92°可設(shè)定）相差大于1.5°時(shí);或者未到達(dá)限位開關(guān)位置，且當(dāng)前角度測(cè)量值大于限位開關(guān)位置初始設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)斷開看門狗信號(hào)緊急順槳。

8.葉片不同步保護(hù)

對(duì)三個(gè)槳葉的角度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)三軸之間槳距角偏差超過3度并持續(xù)5秒（可設(shè)）時(shí)，變槳距控制系統(tǒng)執(zhí)行正常順槳。

9.變槳伺服驅(qū)動(dòng)器故障保護(hù)

當(dāng)發(fā)生變槳伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部故障時(shí)，變槳距控制系統(tǒng)執(zhí)行市電順槳。此時(shí)電機(jī)由市電直接供電轉(zhuǎn)動(dòng)至限位保護(hù)開關(guān)位置停止。

10.后備電源保護(hù)

當(dāng)后備電源欠壓，供電回路跳閘，充電機(jī)故障，充電回路不正常時(shí)，變槳距控制系統(tǒng)執(zhí)行正常順槳。

11.安全鏈保護(hù)

變槳距系統(tǒng)安全鏈將安全保護(hù)點(diǎn)與變槳距系統(tǒng)PLC看門狗輸出串聯(lián)，其中任一點(diǎn)出現(xiàn)故障斷開時(shí)，變槳距系統(tǒng)執(zhí)行緊急順槳

12.限位開關(guān)、槳距角超限保護(hù)

當(dāng)變槳距系統(tǒng)槳葉到達(dá)限位開關(guān)位置，驅(qū)動(dòng)器封鎖輸出并抱閘。當(dāng)槳距角超出變槳距系統(tǒng)設(shè)定的范圍-10～100度時(shí)，變槳距系統(tǒng)投入備用電源緊急順槳。

13.槳葉過速故障

當(dāng)變槳速度超過系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)速時(shí)，變槳距系統(tǒng)由備用電源執(zhí)行緊急順槳。

14.各順槳之間的切換保護(hù)

系統(tǒng)在正常順槳或市電順槳在一定時(shí)間后未到達(dá)安全位置，則進(jìn)行備電緊急順槳。當(dāng)備電緊急順槳在一定時(shí)間后未到達(dá)安全位置，則未到達(dá)安全位置的槳葉進(jìn)行正常順槳。

五、結(jié)論

本項(xiàng)目已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)整機(jī)并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行，變槳距系統(tǒng)各功能在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試、總裝廠地面調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)輪轂安裝調(diào)試、整機(jī)并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行后，已經(jīng)能夠通過變槳距控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉位置，繼而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電。而且變槳距控制系統(tǒng)的各個(gè)故障安全保護(hù)功能以及保護(hù)功能之間的切換也達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Tony Burton （美），武鑫 （著），風(fēng)能技術(shù)，科學(xué)出版社， 2007年.

[2] Beckhoff Information System 04/2010，