雙饋風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

文 | 丁桂林，葉偉，萬宇賓，符偉杰，吉天平

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雙饋風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

文 | 丁桂林，葉偉，萬宇賓，符偉杰，吉天平

地球蘊(yùn)藏的風(fēng)力資源十分豐富，具有廣闊的開發(fā)前景。2015年，全國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)繼續(xù)保持強(qiáng)勁增長勢頭，全年風(fēng)電新增裝機(jī)容量3297萬千瓦，新增裝機(jī)容量再創(chuàng)歷史新高，累計并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.29億千瓦，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的8.6%，其中雙饋風(fēng)電機(jī)組為主流機(jī)型。為了能夠盡可能多地捕獲風(fēng)能，同時將機(jī)械載荷控制在合理的范圍，必須設(shè)計性能優(yōu)良的主控系統(tǒng)。

雙饋風(fēng)電機(jī)組控制原理

雙饋風(fēng)電機(jī)組基本控制原理為：低風(fēng)速下，通過改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風(fēng)能捕獲最大化；中等風(fēng)速下，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，通過動態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩給定，使轉(zhuǎn)速保持在額定值；高風(fēng)速下，轉(zhuǎn)矩給定達(dá)到額定值，通過槳距控制調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，此時轉(zhuǎn)矩給定輕微波動并與轉(zhuǎn)速波動成反比，以維持額定功率輸出。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速介于最小穩(wěn)態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)速和最大穩(wěn)態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)速之間，槳距角給定被設(shè)置為最小槳距角，并根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋計算發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定，使機(jī)組維持最優(yōu)葉尖速比和最大功率系數(shù)。

算法控制器設(shè)計

在額定風(fēng)速以下，采用轉(zhuǎn)矩速度PI控制器，根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定。轉(zhuǎn)矩速度PI控制器通過線性控制設(shè)計獲得，PI控制器可表示為如下形式：

其中：Kq為比例增益，Tq為積分時間常數(shù)，積分增益為Kq/ Tq。為了避免將可能激發(fā)共振的頻率引入轉(zhuǎn)矩給定信號，采用兩個二階帶阻濾波器對轉(zhuǎn)速反饋信號進(jìn)行濾波，帶阻濾波器采用如下形式：

同時采用一個二階低通濾波器對轉(zhuǎn)速反饋信號濾波，以降低控制器對高頻噪聲及擾動的敏感性，二階低通濾波器采用如下形式：

在轉(zhuǎn)矩給定中加入一個額外的傳動鏈加阻分量，可使傳動鏈扭轉(zhuǎn)振動得到有效抑制，從而顯著降低齒輪箱載荷。傳動鏈加阻分量可利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋，經(jīng)由一個帶通濾波器和兩個帶阻濾波器得到。

在額定風(fēng)速以上，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定達(dá)到額定值后，采用槳距速度PI控制器，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)槳距給定，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速。此外采用一個低通濾波器對轉(zhuǎn)速反饋信號濾波，以降低控制器對高頻噪聲及擾動的敏感性。槳距PI控制器可表示為如下形式：

其中：Kp為比例增益，Ti為積分時間常數(shù)，在每個采樣周期內(nèi)，比例增益和積分時間常數(shù)根據(jù)當(dāng)前槳距角β插補(bǔ)得到。

包含上述主要控制器的發(fā)電控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

CPU選型及主控系統(tǒng)實現(xiàn)

目前，雙饋風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)CPU計算功能主要由PLC（可邏輯編程控制器）實現(xiàn)。本文選用巴赫曼公司的MPC270系列PLC為核心處理器，巴赫曼控制器是來自奧地利的工業(yè)自動化控制設(shè)備，被稱為風(fēng)電機(jī)組專用控制器。它基于Vxworks的實時操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)，具有強(qiáng)大的內(nèi)存管理、界面編程等功能。巴赫曼公司提供的SolutionCenter軟件，是支持巴赫曼控制器的編譯環(huán)境。通過此軟件可以使用C/C++編程并且生成可執(zhí)行文件下載到控制器；也可以查看控制器的配置信息，以及控制器內(nèi)運(yùn)行的程序信息等；還可通過自帶的Java編譯環(huán)境，編寫與控制器關(guān)聯(lián)的界面程序。

雙饋變速恒頻風(fēng)電機(jī)組主要功能包括：風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)切換控制、功率變流器轉(zhuǎn)矩給定控制、變槳控制、偏航和解纜控制、發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、齒輪箱狀態(tài)監(jiān)控、液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、主軸和偏航系統(tǒng)自動潤滑監(jiān)控、水冷系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、風(fēng)電機(jī)組傳動鏈振動狀態(tài)監(jiān)控、風(fēng)電機(jī)組環(huán)境控制、風(fēng)電機(jī)組重要傳感器信號的采集和控制、箱變狀態(tài)監(jiān)控、消防和防盜系統(tǒng)監(jiān)控、人機(jī)接口、與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)接口、風(fēng)電機(jī)組安全鏈保護(hù)等。

整機(jī)控制系統(tǒng)采用CAN總線技術(shù)，建立PLC與外圍設(shè)備，如變流器、電網(wǎng)監(jiān)視器、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、振動監(jiān)視單元等的連接，超聲波風(fēng)速儀可選用串口或4mA-20mA模擬量通信。可以通過人機(jī)交互界面來讀取風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)等信息及設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，塔基與機(jī)艙均預(yù)留以太網(wǎng)接口，以備技術(shù)人員調(diào)試。塔基與機(jī)艙之間采用FASTBUS（巴赫曼公司開發(fā)的快速通信技術(shù)）快速光纖通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，采用MODBUS技術(shù)實現(xiàn)風(fēng)電場監(jiān)控室與風(fēng)電機(jī)組之間的通信，風(fēng)電機(jī)組之間組成環(huán)網(wǎng)并連接到中央控制室，以方便業(yè)主實時監(jiān)控風(fēng)電場各機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。以上組成了一個功能完善、技術(shù)先進(jìn)的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，如圖2所示，圖中CPU即為巴赫曼公司的MPC270系列PLC，I/O可以根據(jù)需求選用。

雙饋風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)特性及風(fēng)電場運(yùn)行

本文設(shè)計的主控系統(tǒng)在中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司自主研發(fā)的某型2MW雙饋風(fēng)電機(jī)組上得到了應(yīng)用。可以利用GH公司的Bladed軟件設(shè)計風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)特性，機(jī)組的穩(wěn)態(tài)功率、轉(zhuǎn)速與風(fēng)速曲線如圖3所示。機(jī)組的最大穩(wěn)態(tài)功率為2WM，切入風(fēng)速為3m/s,切出風(fēng)速為23m/s，機(jī)組的最小穩(wěn)態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)速設(shè)計為700rpm，最大穩(wěn)態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1200rpm。

某型2MW雙饋風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)電場已經(jīng)投入運(yùn)行，主控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。在變化風(fēng)速下，無論是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、槳距角和功率都能及時響應(yīng)風(fēng)速的變化，分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示（采樣頻率為1s,橫軸均為時間軸）。

如圖4，風(fēng)速處于6m/s - 20m/s之間，變化較大。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖5所示，且已經(jīng)達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，在1200rpm左右波動。

槳距角如圖6所示，在槳距速度PI控制器的作用下，控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)槳距給定，槳距角正常動作。

功率如圖7所示，機(jī)組已經(jīng)達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)功率（2MW），且波動較小。由此可見本文設(shè)計的主控系統(tǒng)具有動態(tài)調(diào)節(jié)性能優(yōu)良、響應(yīng)速度快等特點。

結(jié)語

本文提出了一種雙饋風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)設(shè)計，具體描述了控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，給出了發(fā)電控制結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)過程。本文提出的設(shè)計應(yīng)用于某型2MW風(fēng)電機(jī)組，從現(xiàn)場運(yùn)行情況來看，動態(tài)性能優(yōu)良，能有效提高發(fā)電量，降低風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的疲勞載荷，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

（作者單位：中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司）