PLC在大型風電控制系統(tǒng)中的應用

【摘 要】風力發(fā)電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復雜，其特點是時變、具有非線性。風力發(fā)電機組的安全運行，與變槳距控制技術有密切的關系，它可以影響風力發(fā)電機的使用年限。由于變槳距風力發(fā)電機具有很好的風能捕捉性，因此現(xiàn)在的很多大型風力發(fā)電機都使用可編程控制器（PLC），將其作為變槳距的控制器。PLC在使用當中有很多優(yōu)勢，如控制方式靈活、結(jié)構(gòu)完整簡單、安全可靠等，而且還具有很強的抗干擾能力。本文主要分析了PLC在大型風電控制系統(tǒng)中的應用。

【關鍵詞】PLC；風電控制；變槳距

隨著清潔能源的推廣應用，風能也得到了十分廣泛的應用，它作為發(fā)展最快的可再生清潔能源，具有很大的發(fā)展規(guī)模以及商業(yè)前景，其主要用途是發(fā)電。風力發(fā)電技術能夠有效地節(jié)約不可再生能源。PLC屬于主要應用在風機的機座、機艙當中，起到偏航控制以及變槳的作用，屬于控制系統(tǒng)。風機主控系統(tǒng)有PLC構(gòu)成，其硬件是由模塊組成的，控制室需要有足夠的空間，使測量以及操作能夠安全進行。不同的PLC控制器，彼此使用光纜進行鏈接，用網(wǎng)絡協(xié)議方式實現(xiàn)通訊。商業(yè)運行的兆瓦級以上風力發(fā)電機，大部分都使用了變槳距技術。變槳距風力發(fā)電機組的葉片均圍繞葉片中心軸不斷的旋轉(zhuǎn)，其調(diào)節(jié)輸出功率一般要小于額定值。由于變槳距葉片比較輕巧，而且葉寬比較小，機頭的質(zhì)量沒有失速機組大，因此不需要大的剎車，有較好的啟動性能。風電設備一般都是在戶外運行，其運行的環(huán)境比較惡劣，因此安裝空間也受到了很大的限制，需要對有關數(shù)據(jù)進行精心的分析處理，但目前的可編程控制器難以達到其所需的技術。空氣密度比較低的地區(qū)能夠達到額定功率，在額定風速下，輸出功率會具有相對的穩(wěn)定性，能夠保證足夠的發(fā)電量。因此，在風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)當中，可編程控制器有很重要使用價值以及意義。

1.變槳距風力機控制方式

風力發(fā)電機的調(diào)速方式有很多種，其中變槳距調(diào)速是主要的調(diào)速方式之一。變槳距調(diào)速的工作原理是增大槳距角的調(diào)速裝置，減小因風速增大、導致葉輪加速轉(zhuǎn)動的趨勢。液壓變槳系統(tǒng)的工作原理是電動液壓泵為工作原理，將電磁閥作為主要的控制單元，將液壓油當做傳遞介質(zhì)，把油缸活塞桿的徑向運動改變?yōu)闃~的圓周運動，從而使槳葉實現(xiàn)變槳距。當風速發(fā)生變化，有所增大時，就會導致變槳距的液壓缸發(fā)生動作，逐漸推動葉片轉(zhuǎn)動，方向為槳距角增大的方位，由于葉片吸收的風能會不斷的變少，因此會確保風輪的運轉(zhuǎn)一直處于額定轉(zhuǎn)速范圍當中；風速有所減小時，就會進行反向操作，其運行過程和上述一致，從而保持風輪能夠吸收額定動率，保持穩(wěn)定。由于液壓變槳系統(tǒng)具有體積比較小、輕巧、扭距大、不需要變速結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，在沒有電的情況下可以將蓄壓器當做備用動力源，對槳葉實行全順槳作業(yè)，因此就不需要花心思設計備用電源，還能夠在一程度上確保將葉片迅速準確的調(diào)節(jié)到預定節(jié)距。

2.變槳距控制器的創(chuàng)新設計

2.1變槳距系統(tǒng)硬件的創(chuàng)新設計

風力發(fā)電機組使用液壓變槳系統(tǒng)使用電動獨立變槳距系統(tǒng)，它的構(gòu)成硬件主要是后備電源、交流伺服系統(tǒng)、輪轂主控以及伺服電機。對退漿速度進行改變時，主要是通過改變液壓比例閥的電壓值。遇到緊急情況需要停機時，可以將電磁閥的J-B閉合、J-A以及J-C打開，讓儲壓罐1中的液壓油能夠快速流入變槳缸，從而推動槳葉進行轉(zhuǎn)動，逐漸達到順槳部位。輸入數(shù)字量大概為70～80路，輸出數(shù)字量大概為32路，溫度量大概為16路，模擬量大概是10路，其中數(shù)據(jù)文件包括很多內(nèi)容，主要是和外部I/O以及全部梯形圖程序使用的，與指令有相關聯(lián)系的數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)包含狀態(tài)、輸出/輸入、計時器、控制結(jié)構(gòu)、ASCII碼文件、字符串等內(nèi)容。發(fā)電機轉(zhuǎn)速指通過檢測和發(fā)電機相連接的光電碼盤，每轉(zhuǎn)可以輸出10個脈沖，將其輸入到計數(shù)單元內(nèi)。

2.2變槳距系統(tǒng)軟件的創(chuàng)新設計

變槳距系統(tǒng)的大部分功能是通過PLC實現(xiàn)的，VersaPro軟件主要是組態(tài)PLC硬件，創(chuàng)建、編輯PLC邏輯程序，起到監(jiān)視PLC邏輯程序執(zhí)行的作用。風速和啟動風速達到一致時，PLC便會發(fā)出指令變距機構(gòu)，將葉片沿著長軸不斷旋轉(zhuǎn)，直到升力的最佳狀態(tài)，從而讓風輪能夠有最大的捕獲效率。如超過額定風速，就需要限制功率的輸出，變距機構(gòu)就會逐漸使也葉片沿著順槳方向，不斷旋轉(zhuǎn)，逐漸降低風輪的氣動效率。PLC會按照反饋功率對發(fā)電機并網(wǎng)后的進行功率進行合理調(diào)節(jié)，將槳距角進行適當?shù)恼{(diào)整，使輸出功率可以始終保持在額定功率以上。如果發(fā)生故障停機或者遇到需要立即停止運行的信號時，PLC就會控制電磁閥，打開J-A、J-C，關閉J-B，讓葉片立即調(diào)整到槳距角90°的方位。因為變槳距系統(tǒng)使用PLC當做控制器，所以對于比較復雜的邏輯控制，可以采用比較簡單、方便的軟件程序完成，而且有很強的抗干擾性以及可靠性。起動環(huán)節(jié)，需要通過對變槳距系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，對發(fā)電機的轉(zhuǎn)動速度進行有效控制，使其在轉(zhuǎn)動過程當中始終和同步轉(zhuǎn)速相接近，在最佳并網(wǎng)時機平穩(wěn)并網(wǎng)。如處于額定風速之下，PLC就需要對發(fā)電機的反力轉(zhuǎn)矩進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，讓轉(zhuǎn)速和風速保持一致的變化，從而使最佳葉尖速比能夠獲得最大限度的風能；如處于額定風速之上，PLC就需要進行變速和槳葉節(jié)距的調(diào)節(jié)，避免風力機獲取更多的能量，從而確保發(fā)電機的功率能夠穩(wěn)定輸出，有較好的動態(tài)特性。PLC如果檢測到轉(zhuǎn)速超過1000r/min時，就會發(fā)出并網(wǎng)指令。逐漸減少不斷調(diào)節(jié)槳距的動作，從而提升轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的柔性。敷設線路時，對導線的選擇要慎重，對于其截面積和種類要認真挑選，同時還要有適當?shù)氖Ｓ嗔浚员愫笃谛枰獣r能夠用到。對于敷設好的電路，應該進行定期檢查，避免發(fā)生設備接地，影響運行。對主線路、各線路要安裝保險，還要安裝自動開關等，以便在在危機時刻能夠立即切斷電源，減輕事故的影響，保證風電系統(tǒng)的安全性。

通過對液壓變槳距系統(tǒng)的原理進行簡單的介紹，對變槳距控制系統(tǒng)的硬件和軟件進行創(chuàng)新設計，使其更好的應用到大型風電控制系統(tǒng)當中，起到好的應用效果。

【參考文獻】

[1]馬洪偉.基于PLC風電機組主控制器的設計[J].山東科技大學：控制工程，2012.

[2]楊通.基于PLC變槳距風力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究[D].華北電力大學（保定）：機械工程；機械電子工程，2011.

[3]行舟，陳永華，陳振寰.大型集群風電有功智能控制系統(tǒng)控制策略（一）風電場之間的協(xié)調(diào)控制[D].電力系統(tǒng)自動化，2011（20）.