应用背景
目前风能是最具有大规模开发利用前景的可再生能源，风力发电事业正在蓬勃发展。为了获得足够的起动转矩和更高的输出功率，人们开始重视变桨距风力发电机组的研究[1][2]。变桨距是指安装在轮毂上的叶片可以借助控制技术改变其桨距角的大小，从而改变叶片气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善，并且可以提高风力机在高风速时的输出功率[3]。从风力机的发展趋势来看，变桨距风力机将取代定桨距风力机。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GE 智能平台公司的90-30系列可编程控制器作为变桨距系统的控制器，并设计了PLC软件程序，在Zond-40风力发电机组上作了实验。
解决方案
1 变桨距风力机及其控制方式
变桨距调速是现代风力发电机主要的调速方式之一，如图1所示为变桨距风力发电机的简图。调速装置通过增大桨距角的方式减小由于风速增大使叶轮转速加快的趋势。当风速增大时，变桨距液压缸动作，推动叶片向桨距角增大的方向转动使叶片吸收的风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内。当风速减小时，实行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定。液压控制系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位精确、液压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[4][5]。目前国内生产和运行的大型风力发电机的变距装置大多采用液压系统作为动力系统。
发电机增速箱电网ωVI*β功率传感器变桨控制器风PP
图2 变桨距风力机控制框图
如图2所示为变桨距控制器的原理框图。在发动机并入电网之前由速度控制器根据发动机的转速反馈信号进行变桨距控制，根据转速及风速信号来确定桨叶处于待机或顺桨位置；发动机并入电网之后，功率控制器起作用，功率调节器通常采用PI（或PID）控制，功率误差信号经过PI运算后得到桨距角位置。
当风力机在停机状态时，桨距角处于90°的位置，这时气流对桨叶不产生转矩；当风力机由停机状态变为运行状态时，桨距角由90°以一定速度（约1°/s）减小到待机角度（本系统中为15°）；若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3°（桨距角在3°左右时具有最佳风能吸收系数）；发电机并上电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3°不变；当风速高于额定风速时，根据功率反馈信号，控制器向比例阀输出-10V－+10V电压，控制比例阀输出流量的方向和大小。变桨距液压缸按比例阀输出的流量和方向来操纵叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近。若出现故障或有停机命令时，控制器将输出迅速顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度可达20°/s。
2.变桨控制器的设计
2.1系统的硬件构成
本文实验中采用Zond-40风力发电机组作为实验对象，其额定功率550KW，采用液压变桨系统，液压变桨系统原理图如图３所示。从图３中可以看出，通过改变液压比例阀的电压可以改变进桨或退桨速度，在风力机出
现故障或紧急停机时，可控制电磁阀J-B闭合、J-A和J-C打开，使储压罐1中的液压油迅速进入变桨缸，推动桨叶达到顺桨位置（90°）。
储压罐 1储压罐 2J-1J-2J-3J-AJ-BJ-C液压泵单向节流阀比例阀溢流阀变桨缸压力传感器 1压力传感器 2
本系统中采用GE 智能设备的90-30系列PLC[7-8]。该系列是先进的可编程逻辑控制器，CPU为 364型，内部带有 TCP／TP以太 网通 讯 卡，支持以太 网的广播通讯方式 (EGD方式)，具有较强的网络通信功能。可以同时和多台 PLC进行通讯，而且作为服务器还可以与普通个人计算机进行通讯。上位机(IPC)与PLC之间 采用以太网通讯方式 ，利用Proficy HMI/SCADA – iFIX 作为 监 控 软 件 。 PLC 与 PLC、I／O 分 站 之 间采 用 GENIUS总线通讯方式 ，以 153．6 kbps传输。本文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。
2.2 系统的软件设计
利用 VersaPro软件用于组态 PLC硬件，创建和编辑 PLC逻辑程序，并且监视 PLC的逻辑程序的执行 。VersaPro是 GE 智能设备基于 Windows基础上的为90-30 PLC、Versamax PLC编程 的软件。
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控制电磁阀J-A和J-C打开，J-B关闭，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4所示。当风速高于起动风速时PLC通过模拟输出单元向比例阀输出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。
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。
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6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；<
