基于倍福PLC的风电机组变桨控制设计与研究

，，，

（河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130）

定桨距失速控制和变桨距控制是目前世界上风电机组投入生产运行的两种功率调节方式，与风电机组定桨距控制相比，变桨距控制的风机在启动和制动性方面优势明显，在提升风机运行可靠性的基础上，确保了风能的高利用系数以及功率输出曲线的优化。

液压变桨系统和电动变桨系统是当今世界风力发电机组变桨距系统的两种适用类型［1］。电动变桨系统因其结构简单、维护方便和防滑耐用的特点，目前已为大部分风机制造商所广泛采用。这种以电机作为驱动桨叶执行机构的变桨系统，已发展为风力发电机组变桨技术的发展趋势。本文实验平台采用电动变桨距控制系统。

1 变桨距系统结构及原理

本文实验平台是在变桨双馈风力发电机组的基础上搭建的，其额定功率1.5 MW，系统的控制方式为减速齿轮拖动变桨距，其结构原理图如图1所示。伺服电机的输出轴连接至减速器的输入轴即主动齿轮4并驱使其转动，主动齿轮和与桨叶输入轴连接的内齿圈3咬合，则桨叶即可在伺服电机驱动下旋转。图1中，1为支撑外圈，2为位移传感器，3为内齿圈，4为主动齿轮，5为支撑板，6为电气板，7为接近开关，8为传感器放大器，9为伺服电机。

图1 变桨伺服电机驱动结构Fig.1 Driving structure of pitch servo motor

以风电机组桨叶空气动力学为参考依据，大型变桨距系统的运行过程归纳如下：启动之前的风电机组，要求气流作用在桨叶上的力矩为零，此时桨叶可以看做是一块阻尼板。风机系统在风速高于切入风速之时，驱动桨叶转向0°方向，当气流相对桨叶的攻角达到设定值时，桨叶开始运行。风力机并网之前，变桨距伺服系统根据发电机运转速度信号调整变桨距β的目标值，开始转速控制。发电机并网之后，风机运行分为风速低于额定风速和高于额定风速两种工况［2］。

1）当风速在额定之下时，发电机的功率输出未及额定功率，此时应该尽可能提高桨叶的风能吸收系数以转换为电能，在本文的实验平台下，一般在β=3°（3°附近时风能的吸收利用率最高）时并网运行。

2）当风速在额定之上时，此时需实行闭环控制使发电机功率输出稳定在额定状态。当风速在额定风速之上波动时，风机变桨距系统根据传感器反馈回来的实时功率信号调节叶片桨距角，减小气流相对桨叶攻角，从而减小作用于风机上的空气动力转矩以降低风能吸收效率，使风力机组功率输出稳定在额定附近，同时也减轻了风机的电气负荷，提升了机械承受能力。

风机在两种模式下会进行全顺桨：停止模式与紧急停止模式。具体执行过程如下：上位机下发顺桨命令通过profibus-DP通信传给伺服驱动器，电机受到伺服驱动带动桨叶顺桨至90°，此时风力在桨叶上的载荷为零，有效避免桨叶故障运行状况下的过速及断裂，甚至更严重的风机损毁。当风电机组失电突发时，上位机下发指令使伺服驱动电机拖动桨叶进行全顺桨，且后备电源立即启动为变桨距机组供电。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件组成

本文所设计的风电机组变桨距系统硬件结构如图2所示。变桨距控制系统由无关断电源（UPS）、各种传感器（速度、位置、温度）、后备电源、永磁同步电机、伺服驱动器、变桨PLC主控、减速齿轮箱等组成［3］。每个桨叶都有一套独立变桨机构，以实现变桨系统对桨叶异步控制。

图2 变桨系统硬件结构Fig.2 Hardware structure of pitch control system

机舱中的三相供电电源通过滑环直接给轮毂中变桨系统供电，轮毂中变桨PLC控制器通过DP总线和机舱主控连接，且DP的连接形式也是滑环。机舱主控通过传感器采集的实时风速运算各桨叶的桨距角目标值，风速共分3种情况：风速大于启动风速时，风机从停机状态转为待机；风速大于并网风速时，风机并网；风速大于额定风速。机舱主控通过DP下发叶片桨距角调节指令给变桨PLC，控制伺服驱动电机通过齿轮箱拖动桨叶运转。变桨系统结构图中虚线框起为UPS电源，它通过滑环连接到机舱中380 V电源，在轮毂变桨控制系统中起配电和监视作用。UPS将AC 380 V转化成DC 24 V，为变桨主控PLC和伺服驱动供电，也向电池充电控制供电。

2.2 系统硬件配置

本文实验平台选用的变桨主控制器是德国倍福BECKHOFF BX3100 PLC，对伺服驱动状态、同步电机工作状态、系统工作状态、充电故障等系统内部状态的监视采用数字量输入模块KL1002，对电机吹风、电机加热、润滑油泵作用、手动变桨、备用充电等功能的实现采用数字量输出模块KL1862，对同步电机温度、电容温度、伺服驱动温度、桨叶实际位置速度的监视采用模拟量输入模块M2510，对桨叶速度位置目标值的控制采用模拟量输出模块M5650。

依据本文设计的风电机组变桨系统的特征及要求，基于永磁同步电机重量小、惯性参量小、功率容量大、维护简易等特点，本系统伺服电机选用三相永磁同步电机，其功率4 kW、转矩13 N·m［4］。

3 系统软件设计

变桨距装置调节风机发电的输入功率，是风电机组中不可或缺的组成部分。图3为变桨控制系统原理图。在停机到启动的转换进程中叶片预定位置是待机还是顺桨，主要是由反馈的风速及发电机转速信号决定的。在发电机并网后，变桨主控PLC在风速及发电机输出功率的变化下，启动功率调节器使其稳定输出在额定功率附近，当风速高于设定的切出风速时紧急全顺桨。

图3 变桨控制系统原理图Fig.3 Principle of variable pitch control system

BECKHOFF BX3100 PLC作为风电机组主控制器完成了变桨系统的主要功能，其TWINCAT编程软件实现了风机变桨系统的所有控制算法。当实际风速大于启动风速时，机舱上位主控向轮毂变桨控制PLC下发命令减小桨叶桨距角到设定位置；实际风速大于额定风速时，变桨主控调节桨距角使输出功率稳定在额定功率附近；急停或停机等故障信号发生时，变桨主控控制电机立即动作拖动叶片全顺桨。

图4为风电机组变桨系统控制流程图。当传感器监测到风速大于启动风速时，变桨PLC控制桨叶从90°桨距角以1（°）/s减小到10°；此时监测连接在桨叶上的低速转轴，若转速在8 r/s之上，则桨叶继续转到3°桨距角位置；此时再监测低速轴转速是否满足并网条件，如果转速大于10 r/s并维持10 min以上则发电机并网，否则桨叶退到10°桨距角位置。高风速段的功率调节在风电机组变桨系统中至关重要，在本文变桨系统中模糊PID是高风速变桨调节器控制算法的轴心。模糊控制器依据功率给定与功率回馈的偏差e和它的变化率ec，调节PID控制参数中Kp，Ki，Kd的数值。加入模糊控制算法的PID自适应控制器有较强的稳定性及鲁棒性，以及在非线性系统中体现了较好的适应性［5］。本文在总结PID中各步控制作用及实际经验的基础上，决定采用二维模糊控制，其逻辑语句为If E and EC then U，E是给定与回馈功率的偏差；EC为功率偏差变化率；U是桨距角给定目标值。

图4 变桨系统控制流程Fig.4 Variable pitch system control process

变桨控制应遵循的规则：给定与回馈功率的偏差较大时，控制器以快速消除偏差为主；偏差较小时，控制器以保持变桨系统稳定、防止超调过大为主。本文在模糊控制器的设计上使用Mamdani法，同时运用最大隶属度法则解模糊系数，最后得到自适应PID的模糊查询表［6］。

4 系统变桨测试

4.1 桨距角控制精度测试

本风电机组的上位机变桨测试界面如图5所示。其中机舱上位机下发命令（自动运行、手动运行、紧急顺桨、润滑油泵、复位等）给变桨PLC主控控制伺服驱动电机控制桨叶，同时接收反馈回来的状态信息及错误报警信号。从变桨界面桨叶桨距角目标给定值框中分别输入0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，50°，55°，60°，80°，85°，90°，记录编码器反馈回的桨叶实际转到的角度值。表1为精度测试的最终结果，观察及解析数据得知本风机变桨系统控制精度较高，验证了硬软件设计的合理性。

4.2 在整机试验平台上的测试

本文设计的风电机组变桨距系统在整机实验平台之上测试，实时风速如图6所示，在平均风速为12 m/s和15 m/s时对发电机输出功率进行跟踪采样，则这两种情况均大于10 m/s的额定风速。当实际风速大于额定时，变桨系统根据实时风速调节桨叶桨距角，从而改变风能利用率使发电机输出功率稳定。从图7中可以看出，两种风速下输出功率稳定在额定功率1.5 MW附近，而平均风速越大时输出功率波动越大，功率误差积分越高。

图5 上位机变桨测试界面Fig.5 Propeller test interface of upper monitor

表1 桨距角控制精度测试Tab.1 Precision measurement of pitch control

图6 平均风速12 m/s的实时风速Fig.6 Real wind speed of average 12 m/s

图7 变桨距发电机功率输出Fig.7 Pitch generator power output

5 结论

本文采用倍福BX3100系列PLC作为变桨主控，设计了一套风电机组变桨系统，并与风电企业合作，在大型双馈变桨距风力机上做了测试实验。对现场测试结果进行分析得知，此PLC变桨系统完全可以让风机安全可靠运行。变桨系统在风机运行时采取功率输出最优原则，当风速低于额定时为风能吸收利用率最高保持3°桨距角不变，在风速高于额定时根据功率输出调节桨距角，使功率输出稳定在1.5 MW附近，且波动误差不高于10%。本文设计的风机变桨采用PLC作为主控制器，使得系统稳定、抗干扰性强。

［1］叶杭冶.风力发电机组的控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］邬宽明.CAN总线原理与应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2003.

［3］常杰，孟彦京.风力发电变桨控制系统设计［J］.电气传动，2010，40（5）：41-43.

［4］惠晶，顾鑫，杨元侃.兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统［J］.电机与控制应用，2007，34（11）：53-54.

［5］李建林，张雷，鄂春良.基于欧姆龙PLC的风电机组变桨距系统［J］.国内外机电一体化技术，2010，42（3）：48-51.

［6］周雁晖，李晓峰.风力发电系统运行控制技术综述［J］.江西电力，2011，35（1）：9-13.