王永付 北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)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(huán)境污染問題嚴(yán)重，發(fā)達(dá)國(guó)家開始征收能源稅和碳稅，環(huán)保對(duì)常規(guī)發(fā)電提出新的、嚴(yán)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(fā)展，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，儲(chǔ)量豐富，越來越受到世界各國(guó)的重視，一些國(guó)家對(duì)風(fēng)力發(fā)電給予政策扶持，以減稅、抵稅和價(jià)格補(bǔ)貼等經(jīng)濟(jì)手段給予激勵(lì)，推進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。風(fēng)電領(lǐng)域中，使用PLC（可編程控制器）作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制，由于國(guó)外整機(jī)廠家控制系統(tǒng)核心技術(shù)對(duì)外保密，提供維護(hù)服務(wù)費(fèi)用較高，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。

 

本文主要介紹使用和利時(shí)公司LK系列PLC進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的改造工作，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目介紹改造過程中PLC的選型、配置，通訊的設(shè)置等。使用LK PLC改造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)場(chǎng)工作正常，發(fā)電量與附近風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相當(dāng)，功率曲線與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求基本吻合，滿足用戶需求。

 

關(guān)鍵詞:和利時(shí)，風(fēng)力發(fā)電，PLC，主控系統(tǒng)

 

1引言

當(dāng)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(yùn)藏量是有限的，較終會(huì)枯竭，故節(jié)約能源與開發(fā)新能源是當(dāng)今各國(guó)研究的課題。相對(duì)于傳統(tǒng)能源，新能源具有污染少、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，對(duì)于解決當(dāng)今世界嚴(yán)重的環(huán)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(fēng)能是儲(chǔ)量巨大的新能源，風(fēng)電的發(fā)展一直是新能源發(fā)展的重點(diǎn)。

 

我國(guó)風(fēng)電技術(shù)從引進(jìn)就直接過渡到大規(guī)模生產(chǎn)，在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，現(xiàn)有國(guó)外風(fēng)電技術(shù)與我國(guó)國(guó)情的不適應(yīng)越來越突出。面對(duì)高成本、售后技術(shù)支持跟不上、產(chǎn)品故障率高、維護(hù)難等問題，使我國(guó)風(fēng)電事業(yè)發(fā)展遇到瓶頸。

 

因此，大力發(fā)展自有技術(shù)，開發(fā)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的風(fēng)電機(jī)及控制產(chǎn)品，讓大型風(fēng)電設(shè)備得到推廣普及，將成為我國(guó)廣大工程技術(shù)人員和研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的共同努力的目標(biāo)。只有這樣才能讓我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，才能使風(fēng)電成為重要的新能源，才能保證風(fēng)能技術(shù)的開發(fā)領(lǐng)跑世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)。

 

2需要改造的風(fēng)機(jī)介紹

該風(fēng)機(jī)為變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，三葉片、迎風(fēng)、水平軸向的風(fēng)機(jī)，葉輪的直徑為 70.5 米。風(fēng)機(jī)的葉輪和機(jī)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(fēng)機(jī)采用主動(dòng)偏航控制（使風(fēng)機(jī)按照風(fēng)向調(diào)整轉(zhuǎn)向），主動(dòng)變槳矩控制（用來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速）和發(fā)電機(jī)/功率電子變換系統(tǒng)（用來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn) 50Hz 690V 的電能）。[1]

 

控制系統(tǒng)采用某品牌 PLC，配置如圖2-1所示，包括塔底柜和機(jī)艙柜。

 

圖2-1 需要改造風(fēng)機(jī)原始配置圖

 

由于該型號(hào)風(fēng)機(jī)使用過程中故障率高，并且存在元器件損壞后，需要購(gòu)買國(guó)外整機(jī)廠商的配件，或請(qǐng)?jiān)瓘S家人員進(jìn)行維修，配件價(jià)格與維護(hù)費(fèi)用高昂，原因在于用戶無控制系統(tǒng)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(hù)，故風(fēng)場(chǎng)用戶需要改造該型號(hào)風(fēng)機(jī)，使其具有自主程序，便于工藝研究與維護(hù)。

 

3和利時(shí)控制系統(tǒng)LK PLC配置

和利時(shí)主控系統(tǒng)采用風(fēng)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(jì)數(shù)模塊、電源模塊、背板和HMI等組成，以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制要求[2]。

 

主控制柜，安裝于風(fēng)電機(jī)組塔筒底部，與機(jī)艙柜通過現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊；與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和人機(jī)界面通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，對(duì)風(fēng)電機(jī)組整體運(yùn)行進(jìn)行控制和監(jiān)視；并發(fā)送指令到偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)以及變流控制系統(tǒng)。如圖3-1所示。

 

機(jī)艙站，采用遠(yuǎn)程I/O方式，設(shè)置成控制分站。用于采集電網(wǎng)電量信息，記錄風(fēng)向、風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及溫度等數(shù)據(jù)，控制偏航、扭攬。機(jī)艙站通過光纖介質(zhì)與塔底主控站進(jìn)行通訊。

 

人機(jī)界面，安裝于風(fēng)電機(jī)組塔底和機(jī)艙，通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控制器通訊；用于完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)控制和顯示、風(fēng)電機(jī)組參數(shù)設(shè)置、故障記錄的查詢等工作。通過設(shè)置用戶訪問權(quán)限，保證風(fēng)電機(jī)組操作的安全可靠。

 

SCADA系統(tǒng)，安裝在中控室，便于遠(yuǎn)程操作控制風(fēng)機(jī)，包括完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)控制和顯示、風(fēng)電機(jī)組參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計(jì)、故障記錄的查詢等工作。通過設(shè)置用戶訪問權(quán)限，保證風(fēng)電機(jī)組操作的安全可靠。

 

圖3-1 和利時(shí)LK PLC配置圖

 

 

4 和利時(shí)控制系統(tǒng)軟件組成

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)由圖4-1所示幾部分組成：

 

圖4-1 和利時(shí)LK PLC控制系統(tǒng)組成

 

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)使用的通訊協(xié)議如下所列:

(1)與變流器通訊，采用CANopen通訊協(xié)議；

(2)與變槳系統(tǒng)通訊，采用CANopen通訊協(xié)議；

(3)塔底與機(jī)艙通訊，采用Profibus-DP通訊協(xié)議；

(4)與電能表通訊，采用MODBUS RTU通訊協(xié)議；

(5)與HMI通訊，采用MODBUS TCP通訊協(xié)議；

(6)與SCADA通訊，采用OPC通訊協(xié)議；

 

5結(jié)論

風(fēng)機(jī)使用和利時(shí)LK PLC改造后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)數(shù)據(jù)分析，風(fēng)機(jī)報(bào)故障次數(shù)和其他風(fēng)機(jī)相比少，正常情況下發(fā)電量和周邊風(fēng)機(jī)相當(dāng)（考慮風(fēng)機(jī)位置不同，導(dǎo)致風(fēng)速大小不同），功率曲線如圖5-1所示，功率曲線與風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)吻合。

 

圖5-1 和利時(shí)LK PLC控制系統(tǒng)2012年3月與4月功率曲線

 

由于使用自產(chǎn)PLC及控制程序，可根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況調(diào)整程序或參數(shù)，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行達(dá)到較優(yōu)，滿足用戶使用要求；同時(shí)可自由選擇風(fēng)機(jī)中使用的各種設(shè)備，如風(fēng)速風(fēng)向儀、風(fēng)扇、加熱器、測(cè)頻模塊等，這在之前從國(guó)外整機(jī)引進(jìn)中是不可能的，只能由國(guó)外廠家指定。

 

使用LK PLC改造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)場(chǎng)工作正常，發(fā)電量與附近風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相當(dāng)，功率曲線與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求基本吻合。

 

現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了和利時(shí)LK PLC滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制要求。

 

參考文獻(xiàn)

[ 1 ]               變速恒頻風(fēng)電機(jī)組技術(shù)規(guī)格說明.

[ 2 ]               和利時(shí)風(fēng)電控制產(chǎn)品選型手冊(cè).北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司,2010