PLC的风电机组变桨距系统

精品文档 1欢迎下载 PLCPLC 的风电机组变桨距系统的风电机组变桨距系统 在风力发电系统中 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 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 不但 优化了输出功率 而且有效的降低的噪音 稳定发电机的输出功率 改善桨叶和整机的受 力状况 变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性 现代的大型风 力发电机大多采用变桨距控制 本文针对国外某知名风电公司液压变桨距风力机 采用可 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 本文介绍了液压变桨距系统的工作原理 设计了变桨控制 器的软件系统 最后在国外某知名风电公司风力发电机组上做了实验 验证了将该变桨距 控制器可以在变桨距风力机上安全 稳定运行的 随着风电技术的不断成熟与发展 变桨距风力发电机的优越性显得更加突出 既能 提高风力机运行的可靠性 又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线 采用 变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻 使整机的受力状况大为改善 使风电机组有可能 在不同风速下始终保持最佳转换效率 使输出功率最大 从而提高系统性能 随着风电机 组功率等级的增加 采用变桨距技术已是大势所趋 目前变桨执行机构主要有两种 液压 变桨距和电动变桨距 按其控制方式可分为统一变桨和独立变桨两种 在统一变桨基础上 发展起来的独立变桨距技术 每支叶片根据自己的控制规律独立地变化桨距角 可以有效 解决桨叶和塔架等部件的载荷不均匀问题 具有结构紧凑简单 易于施加各种控制 可靠 性高等优势 越来越受到国际风电市场的欢迎 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 OMRON 公司的 CJ1M 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 在国外某知名风电公司 风力发电机组上作了实验 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 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 精品文档 2欢迎下载 图 1 变桨距风力发电机简图 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 图 2 变桨距风力机控制框图 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 变桨控制器的设计 系统的硬件构成 本文实验中采用国外某知名风电公司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 所示 从图 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 精品文档 3欢迎下载 图 液压变桨距控制系统原理图 本系统中采用 OMRON 公司的 CJ1M 系列 PLC 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 CJ1W AD041 模拟量输出单元选用 CJ1W DA021 输出信号为 10V 10V 将信号输出到比例阀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 CJW CT021 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 CJW CT021 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 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 min 或者转速持续一分钟大于 700r min 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 min 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 精品文档 4欢迎下载 图 4 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 5 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