摘 要:采用变桨距控制的风力发电机不但可以吸收更多的风能，而且使风力机具有更好的起动和制动性能，保证风力机可靠地运行。在风力发电机组或电网发生故障时，可以控制变桨距机构使叶片顺桨，从而使叶轮迅速制动；在风速高于安全运行风速时，可以使叶片处于顺桨状态，改善风力机组的受力状况，避免大风对风力机的损害。此外，若通过合适的变桨距控制，可以减小传递链上的转矩振荡；国外的研究人员通过对独立变桨距风力发电机的研究发现，采用对每个叶片进行合理的控制可以减小塔架的振荡以及叶片的载荷，从而可以减小风机的疲劳度，延长风力机使用寿命。本文采用罗克韦尔 SLC 500系列可编程控制器（PLC）作为风力发电机的变桨距控制器，这种变桨控制器具有控制方式灵活，编程简单，抗干扰能力强等特点。本文介绍了变桨距系统的工作原理，设计了变桨控制器的软件系统和硬件系统，在实际风力发电机组上进行了实验验证，运行效果良好。预计罗克韦尔 SLC 500系列可编程控制器（PLC）在我国风力发电场合会有大的作为。
关键词:变桨距 风力发电机 可编程控制器 罗克韦尔
1 引言
风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。我国风能资源储量丰富，发展风能对于改善能源结构缓解能源短缺具有重大现实意义。近年来，我国风电产业规模逐步扩大，风电已成为能源发展的重要领域。
在风电技术发展方面，风力发电机单机容量朝着大型化发展，兆瓦级风力机已经成为了国际风力发电市场的主流产品。目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制技术，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机组，REPOWER的MD77-1.6 MW、MM82 -2MW，NORDEX的S77/1.5MW等都采用变桨距系统。
变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率。变桨距控制的优点是能够确保高风速段的额定功率，额定功率点以上输出平稳、在额定点具有较高的风能利用系数、提高风力机组起动性能与制动性能、提高风机的整体柔性度、减小整机和桨叶的受力状况。因此国际风力发电市场的主流产品是变速变桨距机组。
世界上大型风电机组变桨距系统的执行机构主要有两种，液压变桨距执行机构和电动变桨距执行机构。其中，电动变桨距系统的桨距控制通过电动机来实现，结构紧凑、控制灵活、可靠，正越来越受到大多数整机厂家的青睐，市场前景十分广阔。
目前，我国MW级变速恒频风电机组电动变桨距系统产品一直依赖进口，国外比较有代表性的有德国LUST、SSB、美国GE 公司的产品。其高昂的产品价格、技术服务的不足和对关键技术的封锁严重影响了我国风电产业的健康快速发展。风力发电机向着大型化的方向发展，变桨距控制技术已经成为风力发电的关键技术之一，研制电动变桨距系统实现大型风力机电动变桨距控制技术国产化、产业化的要求十分迫切。因此，掌握电动变桨距控制技术将改变国外公司对变桨距控制技术垄断的现状，提高我国风电关键技术的研制能力，降低风力发电的成本；对加快拥有自主知识产权的风电设备研制，大力发展风电事业具有重要意义，从而使我国在该领域的研究达到国际先进水平。
变速变桨风力发电机组是风力发电技术发展的主流方向，控制系统是机组的关键部件之一。控制系统的性能优劣对风机运行的效率和使用寿命有至关重要的影响。20世纪90年代，国外便开始了对变速风力机的运行特性和控制策略的研究，并取得了一系列的成果，生产制造出成熟可靠的商业化运营的控制系统产品。目前的研究热点集中在基于现代控制理论的新型控制算法在风力发电控制系统中的应用上，以期进一步提高风力机的运行效率，减小疲劳载荷，改善输出电能质量。我国风电产业起步较晚，目前对变速风电机组的运行特性及规律缺乏深入研究，在控制系统的产业化项目中，缺乏最优的控制策略依据。深入研究风电机组及风力机的运行特性和规律对于控制系统的分析与设计具有十分重要的指导意义。
最大风能捕获是控制系统的重要功能之一，它直接影响的风力发电机组的运行效率。对于提高风电机组的发电量，减小风电成本具有重要意义。而传统的控制方法存在诸多不足，引起较大的能量损失，新型控制算法的研究和应用，可以有效提高风能利用效率，实现最大风能捕获。
为了获得足够的起在变桨距系统中需要具有高可靠性的控制器，本文中采用了罗克韦尔 SLC 500系列可编程控制器（PLC）作为变桨距系统的控制器，并设计了PLC软件程序，在国外某知名风电公司风力发电机组上作了实验。
2 变桨距风电机组及其控制策略
变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率。如图1所示为变桨距风力发电机的原理图。变桨距控制的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，停机安全等；其缺点是增加了变桨距装置，控制复杂。
图1 变桨距风电机组原理图
在风力机设计的初期，设计人员就考虑到了变桨距控制，但是由于对空气动力学特性和风力机运行工况认识不足，控制技术还不成熟，风力机的变桨距机构可靠性不能满足运行要求，经常出现飞车现象。直到20世纪90年代变桨距风力机才得到广泛的应用。目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制技术，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等都采用变桨距结构。
定桨距控制，风力机的功率调节完全依靠叶片结构设计发生失速效应使高风速时功率不增大，但由于失速点的设计，很难保证风力机在失速后能维持输出额定功率，所以一般失速后功率小于额定功率[1][4]；而变桨距风力机可以根据风速的大小调节气流对叶片的功角，当风速超过额定风速时，输出功率可以稳定在额定功率上。如图2所示为定桨距风力机和变桨距风力机的输出功率比较曲线。在出现台风的时，可以使叶片处于顺桨，使整个风力机的受力情况大为改善，可以避免大风损害风力机组。在紧急停机或有故障时，变桨距机构可以使叶片迅速顺桨到90°，风轮速度降低，减小风力机负载的冲击，延长风电机组的使用寿命。
图2 变桨距和定桨距风力机的功率曲线
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。随着变桨距风力机的广泛应用，许多学者和研究人员投入了变桨距控制技术及变桨距风力机结构的研究。目前人们主要致力于通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡等技术的研究。Vestas公司推出了OpiTip（最佳桨距角）风力发电机组，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音。
目前变桨机构有两种：一种是液压变桨距执行机构；另一种是电动变桨距执行机构。液压变桨控制机构具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位精确、执行机构动态响应速度快等优点,能够保证更加快速、准确地把叶片调节至预定节距。目前国外著名大公司如丹麦VESTAS的V80-2.0MW风机等都采用液压变桨机构[5][6]。电机变桨执行机构是利用电机对桨叶进行控制，电动变桨没有液压变桨机构那么复杂，也不存在非线性、漏油、卡塞等现象发生，因此目前受到了许多厂家的关注。如REPOWER的XD77、MM92、GE公司生产的兆瓦级风力发电机就采用了电动变桨距机构。
如图3所示为液压变桨距执行机构原理图，桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接，节距角的变化同液压缸位移成正比。当液压缸活塞杆向左移动到最大位置时，节距角为90°，而活塞杆向右移动最大位置时，节距角一般为-5°。液压缸的位移由电液比例阀进行精确控制。在负载变化不大的情况下，电液比例方向阀的输入电压与液压缸的速度成正比，为进行精确的液压缸位置控制，必须引入液压缸位置检测与反馈控制。
图3 液压变桨机构框图
电机变桨距控制机构可对每个桨叶采用一个伺服电机进行单独调节，如图4所示。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毅内齿圈相啮合，直接对桨叶的节距角进行控制。位移传感器采集桨叶节距角的变化与电机形成闭环PID负反馈控制。在系统出现故障，控制电源断电时，桨叶控制电机由UPS供电，将桨叶调节为顺桨位置。
图4 电动变桨距系统原理图
随着风力发电机技术的不断进步，风力机已经朝着大型化方向发展。兆瓦级风力机已经成为市场上的主流机型，在国外的海上风电场广泛采用2-5MW风力发电机组。目前的变桨距风力机大多采用三个桨叶统一控制的方式，即三个桨叶变换是一致的。但由于现代大型风力机叶片比较大，一般几十米甚至上百米，所以整个风轮扫过面上的风速并不均匀，由此会产生叶片的扭矩波动并影响到风力机传动机构的机械应力及疲劳寿命；此外，由于叶片尺寸较大，每个叶片有十几吨甚至几十吨重，叶片在运行的不同位置受力状况也是不一样的，故叶片重力对风轮力矩的影响也是不能忽略的。显然对三个叶片进行独立控制更加合理。通过独立变桨控制，可以大大减小风力机叶片负载的波动及转矩的波动，进而减小了传动机构和齿轮箱的疲劳度以及塔架的振动，而输出功率能基本恒定在额定功率附近。
3 变桨控制器的设计
3.1 系统的硬件构成
本文实验中采用的电动独立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。电动变桨距系统结构如图5、6所示。系统参数与接口的设计依据为SSB1.5MW双馈式风力发电机组变桨距系统。
图5 电动独立变桨距系统结构
图6 电动独立变桨距系统结构2
本文中的风电系统涉及风速、风向、振动加速、振动开关、偏航、刹车液压系统、齿轮传动系统、液压、温度等等信号。其中，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；此外，还需要用到发电机转速测量高速计数信号。为了满足需求，采用了罗克韦尔 SLC 500系列PLC。SLC 500有多款不同容量和内置通讯接口的处理器可选。提供最大容量最多可达64K字（128K字节）的数据/程序内存，SLC 500的模块化I/O系统提供了包括开关量、模拟量和专用模块在内的60多种I/O模块。SLC500系列处理器的程序和数据是以文件的形式在内存中存储的。处理器文件分为程序文件和数据文件,程序文件可高达256个 ,包括处理器信息、梯形图主程序、中断子程序及其他用户根据需要编制的子程序文件;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 ,用户可以根 据需要定义除输出 /输入和状态文件以外的可达 256个数据文件。
此外，SLC500控制系统还提供 50多种不同的 I/O模块满足用户的不同需求。本地模块采用硬件寻址方式 ,程序逻辑可直接存取 I/O数据。 （1 ）开关量 I/O模块。包括各种输入 /输出 方式和不同的 I/O点数 ,有 4、8、16和 32点开关 量 I/O模块及 8、12和 16点 I/O混合模块等 ,可 与不同电压等级的交流、直流和 TTL电平连接。 其中有负载电流达 2 A和 2. 5 A的大电流继电器模块、固态输出模块和最大接通信号延迟时间只 有 0. 3 ms、最大关断信号延迟时间只有 0. 5 ms的快速响应直流输入模块。为提高工业应用的可靠 性 ,这些模块都提供了输入滤波和光电隔离功能。 16点 I/O模块上还有可拆卸的接线端子排 ,使接 线和更换模块更容易。 （ 2）模拟量 I/O模块。SLC500系列模拟量 （ 模块有 4路 I/O、4路混合 I/O 2路输入 /2路输 ） 出 模块和高密度的 8路输入模块及快速响应模 块等。输入模块都采用差分输入 ,每路通道可单 独配置成不同等级的电流或电压输入方式 ,最高 输入分辨率可达 16 bit精度。具有输入滤波 ,对 电气噪声具有高度的防护能力。输出通道的精度都是 14 bit,提供精确的控制能力。SLC500系列 模拟量 I/O模块可以选择由框架的背板供电 ,不需外部电源。
系统中，发电机的功率信号由高速功率变送器以模拟量的形式（0～10V对应功率0～800KW）输入到PLC，桨距角反馈信号（0～10V对应桨距角0～90°）以模拟量的形式输入到PLC的模拟输入单元；液压传感器1、2也要以模拟量的形式输入。在这里选用了4路模拟量的输入单元；4路模拟量输出单元,输出信号为-10V～+10V，将信号输出到执行机构来控制进桨或退桨速度；为了测量发电机的转速，选用高速计数单元，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。
3.2 系统的软件设计
本系统的主要功能都是由PLC来实现的，当满足风力机起动条件时，PLC发出指令使叶片桨距角从90°匀速减小；当发电机并网后PLC根据反馈的功率进行功率调节，在额定风速之下保持较高的风能吸收系数，在额定风速之上，通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上。在有故障停机或急停信号时，PLC控制执行电机，使得叶片迅速变到桨距角为90°的位置。
风力机起动时变桨控制程序流程如图7所示。当风速高于起动风速时PLC通过模拟输出单元输出1.8V电压，使叶片以0.9°/s的速度变化到15°。此时，若发电机的转速大于800r/s或者转速持续一分钟大于700r/s，则桨叶继续进桨到3°位置。PLC检测到高速计数单元的转速信号大于1000r/s时发出并网指令。若桨距角在到达3°后2分钟未并网则由模拟输出单元给比例阀输出-4.1V电压，使桨距角退到15°位置。
图7 风力机起动变桨控制程序流图
发电机并上电网后通过调节桨距角来调节发电机输出功率，功率调节程序流程图如图5所示。当实际功率大于额定功率时，PLC的模拟输出单元CJ1W-DA021输出与功率偏差成比例的电压信号，并采用LMT指令使输出电压限制在-4.1V（对应变桨速度4.6°/s）以内。当功率偏差小于零时需要进桨来增大功率，进桨时给比例阀输出的最大电压为1.8V（对应变桨速度0.9°/s）。为了防止频繁的往复变桨，在功率偏差在±10KW时不进行变桨。
图8 变桨调功程序流程图
在变桨距控制系统中，高风速段的变桨距调节功率是非常重要的部分，若退桨速度过慢则会出现过功率或过电流现象，甚至会烧毁发电机；若桨距调节速度过快，不但会出现过调节现象，使输出功率波动较大，而且会缩短变桨缸和变桨轴承的使用寿命。会影响发电机的输出功率，使发电量降低。在本系统中在过功率退桨和欠功率进桨时采用不同的变桨速度。退桨速度较进桨速度大，这样可以防止在大的阵风时出现发电机功率过高现象。
图8为变桨距功率调节部分的梯形图程序。100.08是启动功率调节命令，当满足功率调节条件时，继电器100.08由0变为1；D2100存放的是发动机额度功率与实际功率的偏差，当偏差ΔP满足-10KW<ΔP<10KW时将0赋给D2100；60.07为1时即功率偏差为负值，D2100中的功率偏差按一定比例进行缩放，并通过LMT指令限位输出到比例阀，输出的最小值对应-4.1V电压；若继电器60.07为0，即功率偏差为正值，将D2100的值通过SCL3指令按比例系数缩放。
4 结束语
在国内一些机构已经对变桨距控制进行了一定的研究，如沈阳工业大学、浙江大学、新疆大学等，其中浙江大学对独立变桨距风力机控制做了初步的探讨，但是变桨距控制在国内还没有成功应用的例子，变桨距控制在国内还处于理论研究阶段，较高风力机成本也限制了实验的进展，在国内主要做了理论研究和仿真分析。虽然金风公司在今年生产安装了1.2MW的变桨距直驱永磁同步风力发电机，但是其变桨控制系统还没有实现国产化，还依靠国外的技术。东方汽轮机生产的1.5MW FD70风力机采用了LUST的独立变桨控制器。
采用了罗克韦尔 SLC 500系列PLC作为大型风力发电机变桨距系统的控制器，已经在广东南澳岛的国外某知名风电公司型变桨距风力机上作了实验。在现场的实验记录表明，采用这种PLC控制系统可以使风力机安全运行，在出现停机故障时可以迅速顺桨停机；运行时满足功率最优的原则，在额定风速之下时桨距角保持在3°不变，在高风速时能够根据输出功率调整桨距角的位置，满足设计要求。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。可以预见，罗克韦尔 SLC 500系列PLC在风力发电场合会有大的应用前景。