王永付 北京和利時自動化驅動技術有限公司

 

摘  要:隨著石油、煤炭、天然氣等礦物能源的日益枯竭，以及使用礦物能源帶來的環境污染問題嚴重，發達國家開始征收能源稅和碳稅，環保對常規發電提出新的、嚴格的要求，在這種情況下，人們將目光投向了新能源。 隨著綠色能源的大力發展，風能作為一種清潔的可再生能源，儲量豐富，越來越受到世界各國的重視，一些國家對風力發電給予政策扶持，以減稅、抵稅和價格補貼等經濟手段給予激勵，推進了風力發電的發展。風電領域中，使用PLC（可編程控制器）作為風力發電機組控制器進行風力發電機組控制，由于國外整機廠家控制系統核心技術對外保密，提供維護服務費用較高，所以風力發電機組控制系統的國產化勢在必行。

 

本文主要介紹使用和利時公司LK系列PLC進行風力發電機組控制系統的改造工作，結合實際項目介紹改造過程中PLC的選型、配置，通訊的設置等。使用LK PLC改造的風力發電機組在現場工作正常，發電量與附近風力發電機組相當，功率曲線與風力發電機組設計要求基本吻合，滿足用戶需求。

 

關鍵詞:和利時，風力發電，PLC，主控系統

 

1引言

當今使用較多的燃料是煤、石油、天然氣等，被稱為化石燃料，這些燃料在地球上的蘊藏量是有限的，較終會枯竭，故節約能源與開發新能源是當今各國研究的課題。相對于傳統能源，新能源具有污染少、儲量大的特點，對于解決當今世界嚴重的環境污染問題和資源（特別是化石能源）枯竭問題具有重要意義。其中風能是儲量巨大的新能源，風電的發展一直是新能源發展的重點。

 

我國風電技術從引進就直接過渡到大規模生產，在大規模風電場建設中，現有國外風電技術與我國國情的不適應越來越突出。面對高成本、售后技術支持跟不上、產品故障率高、維護難等問題，使我國風電事業發展遇到瓶頸。

 

因此，大力發展自有技術，開發質優價廉的風電機及控制產品，讓大型風電設備得到推廣普及，將成為我國廣大工程技術人員和研發生產企業的共同努力的目標。只有這樣才能讓我國的風電產業大力發展，才能使風電成為重要的新能源，才能保證風能技術的開發領跑世界風電產業。

 

2需要改造的風機介紹

該風機為變速恒頻風電機組，三葉片、迎風、水平軸向的風機，葉輪的直徑為 70.5 米。風機的葉輪和機艙安裝在圓錐筒狀的塔架頂部，輪轂中心距地面的高度為 64.78 米。風機采用主動偏航控制（使風機按照風向調整轉向），主動變槳矩控制（用來調節風機葉輪轉速）和發電機/功率電子變換系統（用來產生標準 50Hz 690V 的電能）。[1]

 

控制系統采用某品牌 PLC，配置如圖2-1所示，包括塔底柜和機艙柜。

 

圖2-1 需要改造風機原始配置圖

 

由于該型號風機使用過程中故障率高，并且存在元器件損壞后，需要購買國外整機廠商的配件，或請原廠家人員進行維修，配件價格與維護費用高昂，原因在于用戶無控制系統核心程序，不知道配件配置，只能用指定的配件，自己無法選擇與維護，故風場用戶需要改造該型號風機，使其具有自主程序，便于工藝研究與維護。

 

3和利時控制系統LK PLC配置

和利時主控系統采用風電專用控制器作為主控制器。由CPU模塊、I/O模塊、CANopen主站模塊、電量采集模塊、通信模塊、計數模塊、電源模塊、背板和HMI等組成，以滿足風力發電機的控制要求[2]。

 

主控制柜，安裝于風電機組塔筒底部，與機艙柜通過現場總線進行通訊；與遠程監控系統和人機界面通過工業以太網進行通訊，對風電機組整體運行進行控制和監視；并發送指令到偏航系統、變槳系統以及變流控制系統。如圖3-1所示。

 

機艙站，采用遠程I/O方式，設置成控制分站。用于采集電網電量信息，記錄風向、風速、發電機轉速及溫度等數據，控制偏航、扭攬。機艙站通過光纖介質與塔底主控站進行通訊。

 

人機界面，安裝于風電機組塔底和機艙，通過工業以太網與主控制器通訊；用于完成系統運行狀態控制和顯示、風電機組參數設置、故障記錄的查詢等工作。通過設置用戶訪問權限，保證風電機組操作的安全可靠。

 

SCADA系統，安裝在中控室，便于遠程操作控制風機，包括完成系統運行狀態控制和顯示、風電機組參數設置、歷史數據的查詢和統計、故障記錄的查詢等工作。通過設置用戶訪問權限，保證風電機組操作的安全可靠。

 

圖3-1 和利時LK PLC配置圖

 

 

4 和利時控制系統軟件組成

風機控制系統由圖4-1所示幾部分組成：

 

圖4-1 和利時LK PLC控制系統組成

 

風機控制系統使用的通訊協議如下所列:

(1)與變流器通訊，采用CANopen通訊協議；

(2)與變槳系統通訊，采用CANopen通訊協議；

(3)塔底與機艙通訊，采用Profibus-DP通訊協議；

(4)與電能表通訊，采用MODBUS RTU通訊協議；

(5)與HMI通訊，采用MODBUS TCP通訊協議；

(6)與SCADA通訊，采用OPC通訊協議；

 

5結論

風機使用和利時LK PLC改造后，根據現場維護數據分析，風機報故障次數和其他風機相比少，正常情況下發電量和周邊風機相當（考慮風機位置不同，導致風速大小不同），功率曲線如圖5-1所示，功率曲線與風機設計標準吻合。

 

圖5-1 和利時LK PLC控制系統2012年3月與4月功率曲線

 

由于使用自產PLC及控制程序，可根據風機運行情況調整程序或參數，使風機運行達到較優，滿足用戶使用要求；同時可自由選擇風機中使用的各種設備，如風速風向儀、風扇、加熱器、測頻模塊等，這在之前從國外整機引進中是不可能的，只能由國外廠家指定。

 

使用LK PLC改造的風力發電機組在現場工作正常，發電量與附近風力發電機組相當，功率曲線與風力發電機組設計要求基本吻合。

 

現場風機運行數據驗證了和利時LK PLC滿足風力發電機組的控制要求。

 

參考文獻

[ 1 ]               變速恒頻風電機組技術規格說明.

[ 2 ]               和利時風電控制產品選型手冊.北京和利時自動化驅動技術有限公司,2010