1　引言
　　風能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。我國風能資源儲量豐富,，發(fā)展風能對于改善能源結(jié)構(gòu)緩解能源短缺具有重大現(xiàn)實意義,。近年來，我國風電產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴大,，風電已成為能源發(fā)展的重要領(lǐng)域,。
　　在風電技術(shù)發(fā)展方面，風力發(fā)電機單機容量朝著大型化發(fā)展,，兆瓦級風力機已經(jīng)成為了國際風力發(fā)電市場的主流產(chǎn)品,。目前大型風力發(fā)電機組普遍采用變槳距控制技術(shù)，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機組,，REPOWER的MD77-1.6 MW、MM82 -2MW,，NORDEX的S77/1.5MW等都采用變槳距系統(tǒng),。
　　變槳距調(diào)節(jié)是沿槳葉的縱軸旋轉(zhuǎn)葉片，控制風輪的能量吸收,，保持一定的輸出功率,。變槳距控制的優(yōu)點是能夠確保高風速段的額定功率，額定功率點以上輸出平穩(wěn),、在額定點具有較高的風能利用系數(shù),、提高風力機組起動性能與制動性能、提高風機的整體柔性度,、減小整機和槳葉的受力狀況,。因此國際風力發(fā)電市場的主流產(chǎn)品是變速變槳距機組。
　　世界上大型風電機組變槳距系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)主要有兩種,，液壓變槳距執(zhí)行機構(gòu)和電動變槳距執(zhí)行機構(gòu),。其中，電動變槳距系統(tǒng)的槳距控制通過電動機來實現(xiàn),，結(jié)構(gòu)緊湊,、控制靈活、可靠,，正越來越受到大多數(shù)整機廠家的青睞,，市場前景十分廣闊,。
　　目前，我國MW級變速恒頻風電機組電動變槳距系統(tǒng)產(chǎn)品一直依賴進口,，國外比較有代表性的有德國LUST,、SSB、美國GE 公司的產(chǎn)品,。其高昂的產(chǎn)品價格,、技術(shù)服務的不足和對關(guān)鍵技術(shù)的封鎖嚴重影響了我國風電產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。風力發(fā)電機向著大型化的方向發(fā)展,，變槳距控制技術(shù)已經(jīng)成為風力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一,，研制電動變槳距系統(tǒng)實現(xiàn)大型風力機電動變槳距控制技術(shù)國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化的要求十分迫切,。因此,，掌握電動變槳距控制技術(shù)將改變國外公司對變槳距控制技術(shù)壟斷的現(xiàn)狀，提高我國風電關(guān)鍵技術(shù)的研制能力,，降低風力發(fā)電的成本,；對加快擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的風電設備研制，大力發(fā)展風電事業(yè)具有重要意義,，從而使我國在該領(lǐng)域的研究達到國際先進水平,。
　　變速變槳風力發(fā)電機組是風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流方向，控制系統(tǒng)是機組的關(guān)鍵部件之一,?？刂葡到y(tǒng)的性能優(yōu)劣對風機運行的效率和使用壽命有至關(guān)重要的影響。20世紀90年代,，國外便開始了對變速風力機的運行特性和控制策略的研究,，并取得了一系列的成果，生產(chǎn)制造出成熟可靠的商業(yè)化運營的控制系統(tǒng)產(chǎn)品,。目前的研究熱點集中在基于現(xiàn)代控制理論的新型控制算法在風力發(fā)電控制系統(tǒng)中的應用上,，以期進一步提高風力機的運行效率，減小疲勞載荷,，改善輸出電能質(zhì)量,。我國風電產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前對變速風電機組的運行特性及規(guī)律缺乏深入研究,，在控制系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化項目中,，缺乏最優(yōu)的控制策略依據(jù)。深入研究風電機組及風力機的運行特性和規(guī)律對于控制系統(tǒng)的分析與設計具有十分重要的指導意義,。
　　最大風能捕獲是控制系統(tǒng)的重要功能之一,，它直接影響的風力發(fā)電機組的運行效率。對于提高風電機組的發(fā)電量,，減小風電成本具有重要意義,。而傳統(tǒng)的控制方法存在諸多不足,，引起較大的能量損失，新型控制算法的研究和應用,，可以有效提高風能利用效率，實現(xiàn)最大風能捕獲,。
　　為了獲得足夠的起在變槳距系統(tǒng)中需要具有高可靠性的控制器,，本文中采用了羅克韋爾 SLC 500系列可編程控制器（PLC）作為變槳距系統(tǒng)的控制器，并設計了PLC軟件程序,，在國外某知名風電公司風力發(fā)電機組上作了實驗,。
2　變槳距風電機組及其控制策略
　　變槳距調(diào)節(jié)是沿槳葉的縱軸旋轉(zhuǎn)葉片，控制風輪的能量吸收,，保持一定的輸出功率,。如圖1所示為變槳距風力發(fā)電機的原理圖。變槳距控制的優(yōu)點是機組起動性能好,，輸出功率穩(wěn)定,，停機安全等；其缺點是增加了變槳距裝置,，控制復雜,。

圖1 變槳距風電機組原理圖
　　在風力機設計的初期，設計人員就考慮到了變槳距控制,，但是由于對空氣動力學特性和風力機運行工況認識不足,，控制技術(shù)還不成熟，風力機的變槳距機構(gòu)可靠性不能滿足運行要求,，經(jīng)常出現(xiàn)飛車現(xiàn)象,。直到20世紀90年代變槳距風力機才得到廣泛的應用。目前大型風力發(fā)電機組普遍采用變槳距控制技術(shù),，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等都采用變槳距結(jié)構(gòu),。
　　定槳距控制，風力機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片結(jié)構(gòu)設計發(fā)生失速效應使高風速時功率不增大,，但由于失速點的設計,，很難保證風力機在失速后能維持輸出額定功率，所以一般失速后功率小于額定功率[1][4],；而變槳距風力機可以根據(jù)風速的大小調(diào)節(jié)氣流對葉片的功角,，當風速超過額定風速時,，輸出功率可以穩(wěn)定在額定功率上。如圖2所示為定槳距風力機和變槳距風力機的輸出功率比較曲線,。在出現(xiàn)臺風的時,，可以使葉片處于順槳，使整個風力機的受力情況大為改善,，可以避免大風損害風力機組,。在緊急停機或有故障時，變槳距機構(gòu)可以使葉片迅速順槳到90°,，風輪速度降低,，減小風力機負載的沖擊，延長風電機組的使用壽命,。

圖2 變槳距和定槳距風力機的功率曲線
　　變槳距控制技術(shù)關(guān)系到風力發(fā)電機組的安全可靠運行,，影響風力機的使用壽命。隨著變槳距風力機的廣泛應用,，許多學者和研究人員投入了變槳距控制技術(shù)及變槳距風力機結(jié)構(gòu)的研究,。目前人們主要致力于通過控制槳距角使輸出功率平穩(wěn)、減小轉(zhuǎn)矩振蕩,、減小機艙振蕩等技術(shù)的研究,。Vestas公司推出了OpiTip（最佳槳距角）風力發(fā)電機組，不但優(yōu)化了輸出功率,，而且有效的降低的噪音,。
　　目前變槳機構(gòu)有兩種：一種是液壓變槳距執(zhí)行機構(gòu)；另一種是電動變槳距執(zhí)行機構(gòu),。液壓變槳控制機構(gòu)具有傳動力矩大,、重量輕、剛度大,、定位精確,、執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)響應速度快等優(yōu)點,能夠保證更加快速、準確地把葉片調(diào)節(jié)至預定節(jié)距,。目前國外著名大公司如丹麥VESTAS的V80-2.0MW風機等都采用液壓變槳機構(gòu)[5][6],。電機變槳執(zhí)行機構(gòu)是利用電機對槳葉進行控制，電動變槳沒有液壓變槳機構(gòu)那么復雜,，也不存在非線性,、漏油、卡塞等現(xiàn)象發(fā)生,，因此目前受到了許多廠家的關(guān)注,。如REPOWER的XD77、MM92、GE公司生產(chǎn)的兆瓦級風力發(fā)電機就采用了電動變槳距機構(gòu),。
　　如圖3所示為液壓變槳距執(zhí)行機構(gòu)原理圖,，槳葉通過機械連桿機構(gòu)與液壓缸相連接，節(jié)距角的變化同液壓缸位移成正比,。當液壓缸活塞桿向左移動到最大位置時,，節(jié)距角為90°，而活塞桿向右移動最大位置時,，節(jié)距角一般為-5°,。液壓缸的位移由電液比例閥進行精確控制。在負載變化不大的情況下,，電液比例方向閥的輸入電壓與液壓缸的速度成正比，為進行精確的液壓缸位置控制,，必須引入液壓缸位置檢測與反饋控制,。

圖3 液壓變槳機構(gòu)框圖
　　電機變槳距控制機構(gòu)可對每個槳葉采用一個伺服電機進行單獨調(diào)節(jié)，如圖4所示,。伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪毅內(nèi)齒圈相嚙合,，直接對槳葉的節(jié)距角進行控制。位移傳感器采集槳葉節(jié)距角的變化與電機形成閉環(huán)PID負反饋控制,。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障,，控制電源斷電時，槳葉控制電機由UPS供電,，將槳葉調(diào)節(jié)為順槳位置,。

圖4 電動變槳距系統(tǒng)原理圖
　　隨著風力發(fā)電機技術(shù)的不斷進步，風力機已經(jīng)朝著大型化方向發(fā)展,。兆瓦級風力機已經(jīng)成為市場上的主流機型,，在國外的海上風電場廣泛采用2-5MW風力發(fā)電機組。目前的變槳距風力機大多采用三個槳葉統(tǒng)一控制的方式,，即三個槳葉變換是一致的,。但由于現(xiàn)代大型風力機葉片比較大，一般幾十米甚至上百米,，所以整個風輪掃過面上的風速并不均勻,，由此會產(chǎn)生葉片的扭矩波動并影響到風力機傳動機構(gòu)的機械應力及疲勞壽命；此外,，由于葉片尺寸較大,，每個葉片有十幾噸甚至幾十噸重，葉片在運行的不同位置受力狀況也是不一樣的,，故葉片重力對風輪力矩的影響也是不能忽略的,。顯然對三個葉片進行獨立控制更加合理。通過獨立變槳控制,，可以大大減小風力機葉片負載的波動及轉(zhuǎn)矩的波動,，進而減小了傳動機構(gòu)和齒輪箱的疲勞度以及塔架的振動,，而輸出功率能基本恒定在額定功率附近。
3　變槳控制器的設計
3.1　系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
　　本文實驗中采用的電動獨立變槳距系統(tǒng)由交流伺服系統(tǒng),、伺服電機,、后備電源、輪轂主控構(gòu)成,。電動變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5,、6所示。系統(tǒng)參數(shù)與接口的設計依據(jù)為SSB1.5MW雙饋式風力發(fā)電機組變槳距系統(tǒng),。

圖5 電動獨立變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 電動獨立變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2

　　本文中的風電系統(tǒng)涉及風速,、風向、振動加速,、振動開關(guān),、偏航、剎車液壓系統(tǒng),、齒輪傳動系統(tǒng),、液壓、溫度等等信號,。其中,，輸入數(shù)字量約70-80路；模擬量約10路,；溫度量約16路,；輸出數(shù)字量約32路；此外,，還需要用到發(fā)電機轉(zhuǎn)速測量高速計數(shù)信號,。為了滿足需求，采用了羅克韋爾 SLC 500系列PLC,。SLC 500有多款不同容量和內(nèi)置通訊接口的處理器可選,。提供最大容量最多可達64K字（128K字節(jié)）的數(shù)據(jù)/程序內(nèi)存，SLC 500的模塊化I/O系統(tǒng)提供了包括開關(guān)量,、模擬量和專用模塊在內(nèi)的60多種I/O模塊,。SLC500系列處理器的程序和數(shù)據(jù)是以文件的形式在內(nèi)存中存儲的。處理器文件分為程序文件和數(shù)據(jù)文件,程序文件可高達256個 ,包括處理器信息,、梯形圖主程序,、中斷子程序及其他用戶根據(jù)需要編制的子程序文件;數(shù)據(jù)文件包括與外部 I/O及所有梯形圖程序使用的與指令相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。它包含 輸出 /輸入,、狀態(tài),、位、計時器、計數(shù)器,、控制結(jié)構(gòu),、整數(shù)、浮點數(shù),、字符串,、ASCII碼文件 ,用戶可以根 據(jù)需要定義除輸出 /輸入和狀態(tài)文件以外的可達 256個數(shù)據(jù)文件。
　　此外,，SLC500控制系統(tǒng)還提供 50多種不同的 I/O模塊滿足用戶的不同需求,。本地模塊采用硬件尋址方式 ,程序邏輯可直接存取 I/O數(shù)據(jù)。 （1 ）開關(guān)量 I/O模塊,。包括各種輸入 /輸出 方式和不同的 I/O點數(shù) ,有 4,、8、16和 32點開關(guān) 量 I/O模塊及 8,、12和 16點 I/O混合模塊等 ,可 與不同電壓等級的交流,、直流和 TTL電平連接。 其中有負載電流達 2 A和 2. 5 A的大電流繼電器模塊,、固態(tài)輸出模塊和最大接通信號延遲時間只 有 0. 3 ms、最大關(guān)斷信號延遲時間只有 0. 5 ms的快速響應直流輸入模塊,。為提高工業(yè)應用的可靠 性 ,這些模塊都提供了輸入濾波和光電隔離功能,。 16點 I/O模塊上還有可拆卸的接線端子排 ,使接 線和更換模塊更容易。 （ 2）模擬量 I/O模塊,。SLC500系列模擬量 （ 模塊有 4路 I/O,、4路混合 I/O 2路輸入 /2路輸 ） 出 模塊和高密度的 8路輸入模塊及快速響應模 塊等。輸入模塊都采用差分輸入 ,每路通道可單 獨配置成不同等級的電流或電壓輸入方式 ,最高 輸入分辨率可達 16 bit精度,。具有輸入濾波 ,對 電氣噪聲具有高度的防護能力,。輸出通道的精度都是 14 bit,提供精確的控制能力。SLC500系列 模擬量 I/O模塊可以選擇由框架的背板供電 ,不需外部電源,。
　　系統(tǒng)中,，發(fā)電機的功率信號由高速功率變送器以模擬量的形式（0～10V對應功率0～800KW）輸入到PLC，槳距角反饋信號（0～10V對應槳距角0～90°）以模擬量的形式輸入到PLC的模擬輸入單元,；液壓傳感器1,、2也要以模擬量的形式輸入。在這里選用了4路模擬量的輸入單元,；4路模擬量輸出單元,輸出信號為-10V～+10V,，將信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)來控制進槳或退槳速度；為了測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)速,，選用高速計數(shù)單元,，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是通過檢測與發(fā)電機相連的光電碼盤，每轉(zhuǎn)輸出10個脈沖，輸入給計數(shù)單元,。
3.2　系統(tǒng)的軟件設計
　　本系統(tǒng)的主要功能都是由PLC來實現(xiàn)的,，當滿足風力機起動條件時，PLC發(fā)出指令使葉片槳距角從90°勻速減??；當發(fā)電機并網(wǎng)后PLC根據(jù)反饋的功率進行功率調(diào)節(jié)，在額定風速之下保持較高的風能吸收系數(shù),，在額定風速之上,，通過調(diào)整槳距角使輸出功率保持在額定功率上。在有故障停機或急停信號時,，PLC控制執(zhí)行電機,，使得葉片迅速變到槳距角為90°的位置。
　　風力機起動時變槳控制程序流程如圖7所示,。當風速高于起動風速時PLC通過模擬輸出單元輸出1.8V電壓,，使葉片以0.9°/s的速度變化到15°。此時,，若發(fā)電機的轉(zhuǎn)速大于800r/s或者轉(zhuǎn)速持續(xù)一分鐘大于700r/s,，則槳葉繼續(xù)進槳到3°位置。PLC檢測到高速計數(shù)單元的轉(zhuǎn)速信號大于1000r/s時發(fā)出并網(wǎng)指令,。若槳距角在到達3°后2分鐘未并網(wǎng)則由模擬輸出單元給比例閥輸出-4.1V電壓,，使槳距角退到15°位置。

圖7 風力機起動變槳控制程序流圖
　　發(fā)電機并上電網(wǎng)后通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出功率,，功率調(diào)節(jié)程序流程圖如圖5所示,。當實際功率大于額定功率時，PLC的模擬輸出單元CJ1W-DA021輸出與功率偏差成比例的電壓信號,，并采用LMT指令使輸出電壓限制在-4.1V（對應變槳速度4.6°/s）以內(nèi),。當功率偏差小于零時需要進槳來增大功率，進槳時給比例閥輸出的最大電壓為1.8V（對應變槳速度0.9°/s）,。為了防止頻繁的往復變槳,，在功率偏差在±10KW時不進行變槳。

圖8 變槳調(diào)功程序流程圖
　　在變槳距控制系統(tǒng)中,，高風速段的變槳距調(diào)節(jié)功率是非常重要的部分,，若退槳速度過慢則會出現(xiàn)過功率或過電流現(xiàn)象，甚至會燒毀發(fā)電機,；若槳距調(diào)節(jié)速度過快,，不但會出現(xiàn)過調(diào)節(jié)現(xiàn)象，使輸出功率波動較大,，而且會縮短變槳缸和變槳軸承的使用壽命,。會影響發(fā)電機的輸出功率,，使發(fā)電量降低。在本系統(tǒng)中在過功率退槳和欠功率進槳時采用不同的變槳速度,。退槳速度較進槳速度大,，這樣可以防止在大的陣風時出現(xiàn)發(fā)電機功率過高現(xiàn)象。
　　圖8為變槳距功率調(diào)節(jié)部分的梯形圖程序,。100.08是啟動功率調(diào)節(jié)命令,，當滿足功率調(diào)節(jié)條件時，繼電器100.08由0變?yōu)?,；D2100存放的是發(fā)動機額度功率與實際功率的偏差,，當偏差ΔP滿足-10KW<ΔP<10KW時將0賦給D2100；60.07為1時即功率偏差為負值,，D2100中的功率偏差按一定比例進行縮放,，并通過LMT指令限位輸出到比例閥，輸出的最小值對應-4.1V電壓,；若繼電器60.07為0,，即功率偏差為正值，將D2100的值通過SCL3指令按比例系數(shù)縮放,。
4　結(jié)束語
　　在國內(nèi)一些機構(gòu)已經(jīng)對變槳距控制進行了一定的研究,，如沈陽工業(yè)大學、浙江大學,、新疆大學等,，其中浙江大學對獨立變槳距風力機控制做了初步的探討，但是變槳距控制在國內(nèi)還沒有成功應用的例子,，變槳距控制在國內(nèi)還處于理論研究階段，較高風力機成本也限制了實驗的進展,，在國內(nèi)主要做了理論研究和仿真分析,。雖然金風公司在今年生產(chǎn)安裝了1.2MW的變槳距直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機，但是其變槳控制系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化,，還依靠國外的技術(shù),。東方汽輪機生產(chǎn)的1.5MW FD70風力機采用了LUST的獨立變槳控制器。
　　采用了羅克韋爾 SLC 500系列PLC作為大型風力發(fā)電機變槳距系統(tǒng)的控制器,，已經(jīng)在廣東南澳島的國外某知名風電公司型變槳距風力機上作了實驗,。在現(xiàn)場的實驗記錄表明，采用這種PLC控制系統(tǒng)可以使風力機安全運行,，在出現(xiàn)停機故障時可以迅速順槳停機,；運行時滿足功率最優(yōu)的原則，在額定風速之下時槳距角保持在3°不變,，在高風速時能夠根據(jù)輸出功率調(diào)整槳距角的位置,，滿足設計要求,。由于變槳距系統(tǒng)中采用了PLC作為控制器，使得該系統(tǒng)僅用簡單的軟件程序就完成了復雜的邏輯控制,，而且抗干擾能力強,，性能可靠?？梢灶A見,，羅克韋爾 SLC 500系列PLC在風力發(fā)電場合會有大的應用前景。