摘要：风能的不确定性以及风轮机自身特性使风力发电机输出有功功率随风速变化而波动，影响风电机组输出电能质量，严重时还会影响电网运行稳定性。在分析变桨矩系统特性的基础上，本文提出利用PLC来控制桨矩角，进而控制直驱式永磁同步风力发电机组输出转矩，使风力发电机组在一定风速范围内输出有功功率恒定，发电机组稳定运行。

　　关键词：PLC;风力发电;桨距角控制;有功功率平衡

　　中图分类号： 文献标示码： 文章编号：

　　Abstract: The uncertainty of wind energy and the inhercent features of the wind turbine make the output active power of the wind-power generator fluctuate with the change of the wind speed, which affects the output power quality of the wind turabine and even the stability of the power grid. Based on analyzing of the operational characteristics about the pitch system, an active power smoothing control strtegy had been proposed through making use of PLC to control the pitch angle, the control strategy can keep the output active power of the direct-driven permanent magnet synchronous generator for wind turbine constant in range of wind speed and stabilizing operation.

　　Key words: PLC; wind-power generation; pitch angle control; active power smoothing

　　0 引言

　　传统能源的日益匮乏和价格上涨使得风力发电等绿色能源在世界范围内得到广泛关注。近年来，我国的风电行业取得了长足的进步，正朝着大功率、变速恒频等方向发展。直驱式永磁同步风力发电系统具有结构简单、维护费用低、运行可靠性高、功率密度大、功率因素高等优点将得到广泛地应用[1-3]。

　　变桨距型风力发电机组将会成为大型风力发电机组发展的主流[4-5]。而变桨距系统的可靠性、稳定性的合理设计，安全运行将是变桨距型风力发电机组正常、高效、可靠运行的关键技术之一[6]。

　　本文以一实际工程为背景，分析直驱式永磁同步风力发电机组的变桨矩运行特性。采用PLC来实现发电机输出有功功率的平滑控制，并将此系统应用在一台1.5MW直驱式永磁同步风力发电机组上，实际运行表明，此系统能够实现风力机输出功率的平滑控制。

　　1 变桨矩风力机及其控制方式

　　变桨距风力发电机组是通过叶片沿其纵向轴心转动来调节功率。从当前世界风力机发展趋势来看，容量高于750kW的风电机组大多采用变桨矩调节技术[7]。图1所示为直驱式变桨距风力发电机的简图。本设计中的采用的是电动变桨距系统，它不同于液压驱动变桨距系统，电动变桨距系统采用三个桨叶分别带有独立的电驱动变桨距系统，包括变桨距伺服电动机，伺服驱动器，独立的控制系统，蓄电池，减速箱，齿盘，传感器部分等组成。

　　变桨系统就是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，变桨距伺服电动机动作，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，进行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定。

　　图1 直驱式变桨距风力发电机简图

　　变桨距控制器的原理框图如图2所示。在发电机并入电网之前由速度控制器根据发电机的转速反馈信号和风速信号进行变桨距控制;发电机并入电网之后，功率控制器起作用，功率控制器通常采用PID控制。

　　根据风速的不同，变桨控制系统采取相应的控制措施。低风速时，控制系统将发电机与电网断开，风力机处于停机状态，叶片桨距角保持顺桨90°;当风速达到切入风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始起动，转速控制器按一定的速度上升斜率给定速度值，桨距角继续减少，直到风力发电机转速在同步转速附近,寻找最佳时机并网;发电机并网后，当风速小于额定风速时，功率还没有达到额定值，桨距角在0°，当风速大于额定风速且低于切出风速时，叶片开始变桨，保持功率为额定值;风速高于切出风速或发电机发电故障时，控制系统将发电机与电网断开，迅速变桨使叶片顺桨到90°位置。

　　图2 直驱式变桨距风力机控制原理图

　　2 变桨距控制器

　　2.1 硬件构成

　　本设计中采用的直驱式永磁同步风力发电机组作为研究对象，其额定功率为1500kW，极数为104，额定频率为26Hz。采用电动变桨系统，变桨距系统的硬件电路原理图如图3所示。通过控制三个独立的伺服电动机进而改变叶片的桨距角，达到输出有功功率的平滑控制。

　　图3 变桨距系统的硬件电路原理图

　　本系统中采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC，CPU-224并扩展了模拟量单元。发电机的输出功率由功率传感器以模拟量的形式输入到PLC的模拟输入单元AIW0，即4~20mA对应功率0~1500kW;桨距角反馈信号4~20mA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AIW4、AIW6和AIW8;风速的大小通过风速传感器送入PLC的模拟输入单元AIW2，4~20mA 对应0~30m/s的风速。发电机转速采用增量式编码器采集，并选用高速计数器HSC0采集转速。

　　此系统设计的变桨距控制系统主要是对三个伺服电动机进行控制，PLC输出控制表如表1所示。

　　表1 PLC输出控制表 控制对象 动作输出 到位输出 模拟量输出 伺服电动机一 Q0.0 Q0.1 VQW0 伺服电动机二 Q0.2 Q0.3 VQW2 伺服电动机三 Q0.4 Q0.5 VQW4 2.2 软件设计

　　本系统的变桨控制系统就是通过PLC实现的。当风速大于3m/s且持续10分钟时，PLC发出指令使桨距角从90°均匀减小并进行并网;当发电机并网后PLC根据反馈的功率信号进行调节，在额定风速之下保持较高的风能利用系数，在额定风速之上，通过调节桨距角使输出功率保持在额定功率附近;在有故障停机或风速超过切出风速时，PLC输出到位控制信号，使桨叶迅速顺桨到桨距角为90°的位置。通过分析计算与现场实验可得风速与本系统设计的风力发电系统输出的有功功率之间的关系见图4所示。由图中可以看出，风力发电机的起动风速为3m/s，风力发电机额定风速为12m/s，当风速超过12m/s且小于切出风速25m/s时，通过调整桨距角使风力发电机输出功率基本保持恒定。

　　图4 输出功率随风速变化图

　　风力机并网时变桨控制程序流程图见图5。当风速大于起动风速3m/s，PLC通过模拟量输出单元向伺服驱动器发信号，同步驱动三个伺服电动机，使叶片从90°均匀减小45°。此时，若发电机的转速大于25r/min，则伺服电动机继续动作进一步降低桨距角。当PLC检测到发电机转速大于30r/min时发出并网命令。若并网失败，则PLC发出信号使得桨距角退到45°位置。

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