摘要：在我国快速发展的过程中，我国的科技在不断的进步，一种风力发电机组变桨控制系统。系统采用可编程逻辑控制器（PLC）为主控制器，控制3个桨叶同步变换桨距角。变桨系统的驱动部分由驱动器和驱动电动机组成，驱动器接收PLC提供的控制量，驱动步进电动机按照控制要求转动，带动桨叶完成规定的桨距角的旋转，达到控制风力发电机桨叶角度变化的目的。
关键词：风力发电；桨距角；PLC；变桨系统
引言
全球工业化进程的加快使得能源消耗大幅增长、全球排放有害物的工业废弃物数量日益增加，进而造成了气候异常变化、自然灾害频发和恶性疾病患病人数增多等现象，因此环境和能源问题成为当今世界人民面临的重要问题。能源危机和日益变化的环境问题，让我们认识到开发清洁的可再生能源是客观需要。风能就是一种新型的清洁能源，广泛存在于自然界中，其与物质燃料煤、天然气、石油不同，它不会减少且一直存在，而且无处不在，可以说是一种用之不竭、取之不尽的能量。而物质燃料在地球上的储量有限且正在日趋减少，这也是风力发电正受到世界人民关注的原因。
1变桨系统结构
风机根部的叶片通过变桨轴承与轮毂进行连接，每一片叶片都有自己独立但同步的变桨驱动系统，变桨驱动系统通过啮合联动来旋转叶片。变桨系统控制结构，如图1所示。在正常运行期间，风速在额定风速时，即风速在12～25m/s之外时，控制桨角度限定在0°～30°，通过控制叶片与风向的角度使风机的转速保持恒定。因其他情况引起的停机都会使叶片顺桨到90°位置。每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在叶片根部与变桨轴承的内齿旁，通过小齿轮与变桨轴承的内齿进行啮合联动并记录变桨角度。每个叶片对应两个限位开关：0°限位开关和90°限位开关。
2风力发电控制系统的工作原理
风力发电系统主要是由叶片、提速齿轮箱、偏航装置和控制系统等组成的，只有各个组成部分相互协作，系统才能正常的运行。风轮的主要组成部分是叶片，在将风能转化成电能的过程中，叶片起到了很大的作用，结构气动性良好的叶片，可以保证风能的转化效率。在轮毂上安装2～3个叶片，当风吹动叶片转动的时候，轮毂也会转动，但是这个转速相对来说比较低，这时我们可以在发电机和轮毂之间安装一套加速系统，来满足发电的要求。随着风速方向的不同，还应及时调节叶片的角度，确保能最大程度地利用风能，另外，风向传感系统还会实时的向PLC控制系统传递监测到的风向信息，方便调节设备。提速齿轮箱可通过提高轴旋转速度，来提高风力发电机的叶片转速，此模块的应用，可有效地满足风力发电设备对转速的要求。偏航装置能够有效地改变叶片和风速间的夹角，当PLC控制系统接收到传感系统采集的风向信号后，PLC控制系统就会计算叶片与风向的夹角是不是达到最佳，如果不是，PLC控制系统就会控制偏航电机，将其转动到最佳位置上去。
3可编程控制器PLC的控制过程
PLC是整个风力发电控制系统的核心，它不仅具有接受、传递信号的功能，还可以精密处理、分析一些采集到的信号。其次，变频器也是这个风力控制系统中的关键之处，它不仅能改变电源的频率，还能驱动电机工作。另外风向传感器也是系统中比较重要的模块，它能够实时采集风向信息，并且还能将采集的信息转换成模拟量之后，传递给PLC控制器，PLC会根据收到的信息来改变系统的运行情况。不同模块与PLC之间的传递、处理方式也不相同，要想完善风力发电控制系统，就必须得搞清它们之间的关系。偏航解缆包括对风偏航等操作，是风力发电机系统中的重要环节，也是基于PLC风力发电控制系统的主要设计技术。在采集数据的时候，传感器如果发生故障，就得立刻启用备用的传感器，以保证风力发电机的正常运作。
4控制系统分析
4.1控制原理
因为风的不稳定性和随机性的特点，使得发电机的功率输出处于不断变化中。为保证无论在什么情况下都能输出恒定功率，需进行变桨距角控制，即利用变桨控制调节桨距角P，改变风机的输出功率，特别是超过额定风速后，增加桨距角β，来限制输出功率可以接近额定功率。风能的利用系数与叶尖速比λ和桨距角β有关。考虑到空气动力学中，λ一定时，β越小，Cp越大。所以当风速低于额定值时，把桨叶角置为0。变桨距控制系统为双反馈的复合控制方法，反馈所需的控制器采用了PLC控制算法。主要考虑到风速是一个可测的主要外部扰动，其影响输出功率十分严重，因此应用了双反馈，增加了一个补偿器。补偿器主要采用了分段比例控制，根据风速可以计算出前端反馈值βb=K△v（K为正值，△v为风速与额定风速之间的差值），与PID系统的控制输出βμ相加，使之成为执行的桨距角设定值βγ，应用前反馈的补偿原理，有效抑制了风速扰动对功率的影响，从而大大的改善控制性能。变桨距原理，如图2所示。
图2变桨距原理图
4.2控制流程
系统调用该模块时，当风速传感器测量的风速小于设定的切入风速时，风速过小并没有达到工作所需的风速，所以桨距角保持90°不改变，风机不工作，等待至风速大于切入风速时开始工作。当测量风速大于等于切入风速不到额定风速，但可以工作，所以桨距角打开至0°最大，以保持最高利用率。当实际风速高于额定风速，超出额定功率，开始使用PID控制，随风速实时调整，角度在90°～0°间不断变化，使桨距角的角度产生的功率实时保持在额定值。而当风速大于切出风速时，桨距角直接调整为90°，防止大风损害设备，保证财产安全。
5程序设计
根据变桨距系统流程图编写变桨距所需的程序，变桨距程序流程，如图3所示。变桨距系统共分为4种情况：风速小于切入风速；风速小于额定风速且大于切入风速；风速大于等于额定风速且小于等于切出风速；风速大于切出风速。当测量的实际风速小于设定风速MD224时，输出M104，桨距角保持90°，不进行工作。测量的实际风速大于等于设定风速MD224且小于设定的额定风速MD228时，输出M104.1，桨距角打开至0°最大桨距角。当测量实际风速大于等于额定风速MD228且小于等于切出风速值MD232时，输出M104.2，调用PID模块，进行PID调节。当风速大于切出值MD232时，输出M104.3，桨距角关闭至90°，防止机械损坏。变桨距条件梯形，如图4所示。
图3变桨距程序流程
图4变桨距条件梯形
结语
随着新能源产业的日益壮大，风力发电将会进入一个蓬勃发展的时期，也会对其安全性、稳定性以及可维护性等提出更高的要求。PCL这种经过大量工业应用场合考验的设备，对风力发电控制将起到更大的作用。
参考文献：
[1]孙蓉，李冰，苏丽.基于PLC的风力发电控制系统设计[J].实验技术与管理，2015，32（4）：86-91.
论文作者:毛兵
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/16
标签：风速论文; 叶片论文; 系统论文; 控制系统论文; 风力发电论文; 风向论文; 桨叶论文; 《电力设备》2018年第15期论文;