風(fēng)能作為一種取之不盡、清潔無污染的可再生能源，它的開發(fā)利用已經(jīng)受到了世界各國的普遍重視。作為風(fēng)力資源豐富的國家之一，我國在風(fēng)力發(fā)電機組的國產(chǎn)化方面取得了較快的進展，“九五”期間實現(xiàn)了600kW風(fēng)力發(fā)電機組96％的國產(chǎn)化率，成功開發(fā)了600kW失速型風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)這一關(guān)鍵技術(shù)。目前，我們承擔(dān)了國家863“兆瓦級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)”的研制攻關(guān)任務(wù)，研制工作正在積極有效地開展中。
    變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組與失速型風(fēng)力發(fā)電機組相比，其中一個很大的優(yōu)點是額定風(fēng)速以上輸出功率平穩(wěn)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組運行在額定風(fēng)速以上時，既要使額定功率點以上輸出功率平穩(wěn)，避免波動，又要使發(fā)電機組傳動系統(tǒng)具有良好的柔性，同時還要考慮對風(fēng)電機組實現(xiàn)有效保護。目前我們研制的兆瓦級變速恒頻風(fēng)電機組主要采用了變槳距控制技術(shù)。變槳距控制技術(shù)是在風(fēng)速過高時，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片功角，從而改變風(fēng)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)距，使機組功率輸出保持穩(wěn)定。本控制策略采用了功率反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)變速恒頻機組額定風(fēng)速以上的控制目標(biāo)。
    變槳距機構(gòu)介紹
    變槳距執(zhí)行機構(gòu)是由機械和液壓系統(tǒng)組成，它沿著風(fēng)機的縱向軸調(diào)節(jié)風(fēng)機的槳葉。因為槳葉的慣量很大，且變槳距執(zhí)行機構(gòu)不應(yīng)該消耗大量的功率，所以執(zhí)行機構(gòu)具有的限制能力，其動態(tài)特性是在槳距角和槳距速率上均具有飽和限制的非線性動態(tài)，當(dāng)槳距角和槳距速率小于飽和限度時，槳距動態(tài)呈線性。變槳執(zhí)行機構(gòu)如圖1所示。

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    執(zhí)行機構(gòu)的模型描述了來自控制器的槳距角指令到該指令的激勵之間的動態(tài)。其數(shù)學(xué)模型可以描述成如下的一階系統(tǒng)實際控制系統(tǒng)中的給定值是從槳距角偏差到比例閥的-DC10V～+DC10V控制電壓。

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    控制器設(shè)計
    本控制器的基本目的是通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)功率恒定輸出。如圖2所示，通過電量采集測出當(dāng)前發(fā)電機輸出功率P。與給定功率P＊相比，計算出功率誤差△P。功率的偏差作為PID控制器的輸入量，控制器根據(jù)厶戶發(fā)出葉片參考槳距角的β＊的命令，然后計算出當(dāng)前槳距角誤差△β=β＊-β（當(dāng)前槳距角β），而后根據(jù)變距機構(gòu)的參數(shù)確定槳距變化速率。參考槳距角限制在0～92°范圍內(nèi)，控制器在這一范圍內(nèi)，按照新的槳距角要求調(diào)節(jié)風(fēng)力機槳葉。圖2方框內(nèi)是PID控制器，比例、積分、微分增益Kp、Ki、Kd的穩(wěn)定數(shù)值范圍由圖所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)確定。比例、積分、微分的增益通過模擬得到具體值，其原則是使風(fēng)機功率輸出維持在額定輸出功率。

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    仿真結(jié)果
    由圖3仿真結(jié)果可知：
    1）槳距角變化速率在液壓系統(tǒng)允許的-5°/s～+5°/s的范圍內(nèi)變化。
    2）槳距角β的變化與風(fēng)速v的變化趨勢一樣，風(fēng)速v增加，平均槳距角β增大；相反，風(fēng)速v降低，平均槳距角β減小。
    3）風(fēng)機葉片瞬時吸收的功率Pmech和風(fēng)能利用系數(shù)Cp變化趨勢顯示，槳距角β的變化限制了葉片瞬時吸收的功率Pmech，葉片工作在較低的效率上。
    4）發(fā)電機輸出功率Pe能夠通過槳距角β的變化作用在額定功率附近平滑變化，保持恒功率。
    5）發(fā)電機轉(zhuǎn)速的波動被（Pmech-Pe）和機組的慣性影響。

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    實現(xiàn)方法
    基于風(fēng)力發(fā)電機組電控系統(tǒng)工作在惡劣的自然環(huán)境和強電磁干擾中，對控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性要求很高，為此我們選用了西門子S7-300（CPU選用的是315—2DP）系列可編程序控制器作為整個電控系統(tǒng)的控制核心。S7-300控制器內(nèi)部自帶有連續(xù)PID控制器功能“CONT_C”，實際使用中我們只需要調(diào)用“CONT_C”，并為其設(shè)定相關(guān)參數(shù)即可。“CONT_C”的部分使用程序如下：
    I_ITL_ON：=
    D_SEL：=
    CYCLE：=
    SP_INT：="DB8"．a(chǎn)n_power_set ∥功率給定值
    PV_IN：="DB3"．a(chǎn)n_power ∥發(fā)電機輸出功率
    PV_PER：=
    MAN ：=
    GAIN ：="DB8"．GAINl ∥比例常數(shù)
    TI ：="DB8"．TI1 ∥積分常數(shù)
    TD ：="DB8"．TD1 ∥微分常數(shù)
    TM_LAG：=
    DEADB_W：="DB8"．a(chǎn)n_deadband1 ∥功率調(diào)節(jié)死區(qū)
    LMN_HLM：="DB8"．∥輸出槳距角上限值
    LMN_LLM：="DB8"．∥輸出槳距角下限值
    PV_FAC：=
    PV_OFF：=
    LMN_FAC：=
    LMN_OFF：=
    I_TLVAL：=
    DISV ：=
    LMN ：="DB8"．out_pitch ∥輸出參考槳距角
    LMN_PER：=
    QLMN_HLM：=

    系統(tǒng)程序的流程圖如下：

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