PLC在风力发电机组控制系统改造中的应用

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。