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风力发电机组控制系统改造

供稿:和利时集团 2013/4/25 14:05:36

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  • 关键词: 关键词 和利时,风力发电,PLC,主控系统
  • 摘要:随着石油、煤炭、天然气等矿物能源的日益枯竭,以及使用矿物能源带来的环境污染问题严重,发达国家开始征收能源税和碳税,环保对常规发电提出新的、严格的要求,在这种情况下,人们将目光投向了新能源。 随着绿色能源的大力发展,风能作为一种清洁的可再生能源,储量丰富,越来越受到世界各国的重视,一些国家对风力发电给予政策扶持,以减税、抵税和价格补贴等经济手段给予激励,推进了风力发电的发展。风电领域中,使用PLC(可编程控制器)作为风力发电机组控制器进行风力发电机组控制,由于国外整机厂家控制系统核心技术对外保密,提供维护服务费用较高,所以风力发电机组控制系统的国产化势在必行。

1 引言
      当今使用最多的燃料是煤、石油、天然气等,被称为化石燃料,这些燃料在地球上的蕴藏量是有限的,最终会枯竭,故节约能源与开发新能源是当今各国研究的课题。相对于传统能源,新能源具有污染少、储量大的特点,对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源(特别是化石能源)枯竭问题具有重要意义。其中风能是储量巨大的新能源,风电的发展一直是新能源发展的重点。
      我国风电技术从引进就直接过渡到大规模生产,在大规模风电场建设中,现有国外风电技术与我国国情的不适应越来越突出。面对高成本、售后技术支持跟不上、产品故障率高、维护难等问题,使我国风电事业发展遇到瓶颈。
      因此,大力发展自有技术,开发质优价廉的风电机及控制产品,让大型风电设备得到推广普及,将成为我国广大工程技术人员和研发生产企业的共同努力的目标。只有这样才能让我国的风电产业大力发展,才能使风电成为重要的新能源,才能保证风能技术的开发领跑世界风电产业。
2 需要改造的风机介绍
该风机为变速恒频风电机组,三叶片、迎风、水平轴向的风机,叶轮的直径为 70.5 米。风机的叶轮和机舱安装在圆锥筒状的塔架顶部,轮毂中心距地面的高度为 64.78 米。风机采用主动偏航控制(使风机按照风向调整转向),主动变桨矩控制(用来调节风机叶轮转速)和发电机/功率电子变换系统(用来产生标准 50Hz 690V 的电能)。[1]
控制系统采用某品牌 PLC,配置如图2-1所示,包括塔底柜和机舱柜。 
 


      由于该型号风机使用过程中故障率高,并且存在元器件损坏后,需要购买国外整机厂商的配件,或请原厂家人员进行维修,配件价格与维护费用高昂,原因在于用户无控制系统核心程序,不知道配件配置,只能用指定的配件,自己无法选择与维护,故风场用户需要改造该型号风机,使其具有自主程序,便于工艺研究与维护。
3 和利时控制系统LK PLC配置
       和利时主控系统采用风电专用控制器作为主控制器。由CPU模块、I/O模块、CANopen主站模块、电量采集模块、通信模块、计数模块、电源模块、背板和HMI等组成,以满足风力发电机的控制要求[2]。
主控制柜,安装于风电机组塔筒底部,与机舱柜通过现场总线进行通讯;与远程监控系统和人机界面通过工业以太网进行通讯,对风电机组整体运行进行控制和监视;并发送指令到偏航系统、变桨系统以及变流控制系统。如图3-1所示。
机舱站,采用远程I/O方式,设置成控制分站。用于采集电网电量信息,记录风向、风速、发电机转速及温度等数据,控制偏航、扭揽。机舱站通过光纤介质与塔底主控站进行通讯。
人机界面,安装于风电机组塔底和机舱,通过工业以太网与主控制器通讯;用于完成系统运行状态控制和显示、风电机组参数设置、故障记录的查询等工作。通过设置用户访问权限,保证风电机组操作的安全可靠。
SCADA系统,安装在中控室,便于远程操作控制风机,包括完成系统运行状态控制和显示、风电机组参数设置、历史数据的查询和统计、故障记录的查询等工作。通过设置用户访问权限,保证风电机组操作的安全可靠。


4 和利时控制系统软件组成
 风机控制系统由图4-1所示几部分组成:

 风机控制系统使用的通讯协议如下所列:
(1)与变流器通讯,采用CANopen通讯协议;
(2)与变桨系统通讯,采用CANopen通讯协议;
(3)塔底与机舱通讯,采用Profibus-DP通讯协议;
(4)与电能表通讯,采用MODBUS RTU通讯协议;
(5)与HMI通讯,采用MODBUS TCP通讯协议;
(6)与SCADA通讯,采用OPC通讯协议;
5 结论
    风机使用和利时LK PLC改造后,根据现场维护数据分析,风机报故障次数和其他风机相比少,正常情况下发电量和周边风机相当(考虑风机位置不同,导致风速大小不同),功率曲线如图5-1所示,功率曲线与风机设计标准吻合。
       


由于使用自产PLC及控制程序,可根据风机运行情况调整程序或参数,使风机运行达到最优,满足用户使用要求;同时可自由选择风机中使用的各种设备,如风速风向仪、风扇、加热器、测频模块等,这在之前从国外整机引进中是不可能的,只能由国外厂家指定。
使用LK PLC改造的风力发电机组在现场工作正常,发电量与附近风力发电机组相当,功率曲线与风力发电机组设计要求基本吻合。
现场风机运行数据验证了和利时LK PLC满足风力发电机组的控制要求。

参考文献
[ 1 ]  变速恒频风电机组技术规格说明.
[ 2 ]  和利时风电控制产品选型手册.北京和利时自动化驱动技术有限公司,2010

更多内容请访问 和利时集团(http://c.gongkong.com/?cid=45649)

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