PLC在大型风电控制系统中的应用

【摘 要】风力发电的系统结构比较复杂，其特点是时变、具有非线性。风力发电机组的安全运行，与变桨距控制技术有密切的关系，它可以影响风力发电机的使用年限。由于变桨距风力发电机具有很好的风能捕捉性，因此现在的很多大型风力发电机都使用可编程控制器（PLC），将其作为变桨距的控制器。PLC在使用当中有很多优势，如控制方式灵活、结构完整简单、安全可靠等，而且还具有很强的抗干扰能力。本文主要分析了PLC在大型风电控制系统中的应用。

【关键词】PLC；风电控制；变桨距

随着清洁能源的推广应用，风能也得到了十分广泛的应用，它作为发展最快的可再生清洁能源，具有很大的发展规模以及商业前景，其主要用途是发电。风力发电技术能够有效地节约不可再生能源。PLC属于主要应用在风机的机座、机舱当中，起到偏航控制以及变桨的作用，属于控制系统。风机主控系统有PLC构成，其硬件是由模块组成的，控制室需要有足够的空间，使测量以及操作能够安全进行。不同的PLC控制器，彼此使用光缆进行链接，用网络协议方式实现通讯。商业运行的兆瓦级以上风力发电机，大部分都使用了变桨距技术。变桨距风力发电机组的叶片均围绕叶片中心轴不断的旋转，其调节输出功率一般要小于额定值。由于变桨距叶片比较轻巧，而且叶宽比较小，机头的质量没有失速机组大，因此不需要大的刹车，有较好的启动性能。风电设备一般都是在户外运行，其运行的环境比较恶劣，因此安装空间也受到了很大的限制，需要对有关数据进行精心的分析处理，但目前的可编程控制器难以达到其所需的技术。空气密度比较低的地区能够达到额定功率，在额定风速下，输出功率会具有相对的稳定性，能够保证足够的发电量。因此，在风力发电机组控制系统当中，可编程控制器有很重要使用价值以及意义。

1.变桨距风力机控制方式

风力发电机的调速方式有很多种，其中变桨距调速是主要的调速方式之一。变桨距调速的工作原理是增大桨距角的调速装置，减小因风速增大、导致叶轮加速转动的趋势。液压变桨系统的工作原理是电动液压泵为工作原理，将电磁阀作为主要的控制单元，将液压油当做传递介质，把油缸活塞杆的径向运动改变为桨叶的圆周运动，从而使桨叶实现变桨距。当风速发生变化，有所增大时，就会导致变桨距的液压缸发生动作，逐渐推动叶片转动，方向为桨距角增大的方位，由于叶片吸收的风能会不断的变少，因此会确保风轮的运转一直处于额定转速范围当中；风速有所减小时，就会进行反向操作，其运行过程和上述一致，从而保持风轮能够吸收额定动率，保持稳定。由于液压变桨系统具有体积比较小、轻巧、扭距大、不需要变速结构等优势，在没有电的情况下可以将蓄压器当做备用动力源，对桨叶实行全顺桨作业，因此就不需要花心思设计备用电源，还能够在一程度上确保将叶片迅速准确的调节到预定节距。

2.变桨距控制器的创新设计

2.1变桨距系统硬件的创新设计

风力发电机组使用液压变桨系统使用电动独立变桨距系统，它的构成硬件主要是后备电源、交流伺服系统、轮毂主控以及伺服电机。对退浆速度进行改变时，主要是通过改变液压比例阀的电压值。遇到紧急情况需要停机时，可以将电磁阀的J-B闭合、J-A以及J-C打开，让储压罐1中的液压油能够快速流入变桨缸，从而推动桨叶进行转动，逐渐达到顺桨部位。输入数字量大概为70～80路，输出数字量大概为32路，温度量大概为16路，模拟量大概是10路，其中数据文件包括很多内容，主要是和外部I/O以及全部梯形图程序使用的，与指令有相关联系的数据。此数据包含状态、输出/输入、计时器、控制结构、ASCII码文件、字符串等内容。发电机转速指通过检测和发电机相连接的光电码盘，每转可以输出10个脉冲，将其输入到计数单元内。

2.2变桨距系统软件的创新设计

变桨距系统的大部分功能是通过PLC实现的，VersaPro软件主要是组态PLC硬件，创建、编辑PLC逻辑程序，起到监视PLC逻辑程序执行的作用。风速和启动风速达到一致时，PLC便会发出指令变距机构，将叶片沿着长轴不断旋转，直到升力的最佳状态，从而让风轮能够有最大的捕获效率。如超过额定风速，就需要限制功率的输出，变距机构就会逐渐使也叶片沿着顺桨方向，不断旋转，逐渐降低风轮的气动效率。PLC会按照反馈功率对发电机并网后的进行功率进行合理调节，将桨距角进行适当的调整，使输出功率可以始终保持在额定功率以上。如果发生故障停机或者遇到需要立即停止运行的信号时，PLC就会控制电磁阀，打开J-A、J-C，关闭J-B，让叶片立即调整到桨距角90°的方位。因为变桨距系统使用PLC当做控制器，所以对于比较复杂的逻辑控制，可以采用比较简单、方便的软件程序完成，而且有很强的抗干扰性以及可靠性。起动环节，需要通过对变桨距系统进行调节，对发电机的转动速度进行有效控制，使其在转动过程当中始终和同步转速相接近，在最佳并网时机平稳并网。如处于额定风速之下，PLC就需要对发电机的反力转矩进行适当的调节，让转速和风速保持一致的变化，从而使最佳叶尖速比能够获得最大限度的风能；如处于额定风速之上，PLC就需要进行变速和桨叶节距的调节，避免风力机获取更多的能量，从而确保发电机的功率能够稳定输出，有较好的动态特性。PLC如果检测到转速超过1000r/min时，就会发出并网指令。逐渐减少不断调节桨距的动作，从而提升转动系统的柔性。敷设线路时，对导线的选择要慎重，对于其截面积和种类要认真挑选，同时还要有适当的剩余量，以便后期需要时能够用到。对于敷设好的电路，应该进行定期检查，避免发生设备接地，影响运行。对主线路、各线路要安装保险，还要安装自动开关等，以便在在危机时刻能够立即切断电源，减轻事故的影响，保证风电系统的安全性。

通过对液压变桨距系统的原理进行简单的介绍，对变桨距控制系统的硬件和软件进行创新设计，使其更好的应用到大型风电控制系统当中，起到好的应用效果。

【参考文献】

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