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摘要：随着我国经济的不断发展，社会在不断的进步，风电机组控制技术是一项关键技术。与一般的工业控制系统不同，风力发电机组的控制系统是一个综合性的复杂的控制系统。其主要工作有：实现风机对风能的最大捕获，以提高机组的运行效率和发电质量；实现风电机组的平稳并网，以确保运行过程的安全性和可靠性；实现在风电场中运行的风力发电机组具备远程通讯的功能，现代风力发电机组一般都采用微机控制。
关键词：PLC；风力发电；控制系统
引言
风能作为一种清洁的能源，越来越受到世界各国的重视，风能已经成为除水能以外，技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业发展前景的能源之一。近２０年来，风力发电技术得到了飞速发展。其中，德国、西班牙、丹麦、美国等欧美国家在风能研究和利用方面涉足较早，在风力发电理论和技术方面处于世界领先地位。相比之下，国内在风力发电理论研究和风力发电控制技术方面与欧美发达国家相比还存在着较大的差距。由于风能是一种具有随机性和不稳定性等特点的低密度的能源，因而控制技术是否达到相应的要求就成为了风力发电机安全、高效运行的关键，它不仅影响着风力发电装置整体结构的复杂性以及风力发电系统的效能，同时也直接影响着输出电能的质量和稳定性。因此，研制出一套适合于风电转换、安全高效、性能出色的发电机系统以及先进的配套控制技术是风力发电技术得到推广应用的关键。本文的研究目的是为了解决风力发电机组在复杂多变的外界环境下如何安全平稳运行，并尽可能多地将风能转化为电能、平稳地送入电网，实现良好供电性能的问题。为实现风机依据变化的风的方向，能始终正对风向，最大限度地从获取风的能量，本文以西门子ＰＬＣ为控制器，设计偏航控制算法；为防止风速超过额定风速时，风机输出功率过高可能对硬件设备的损害，设计功率控制算法，通过桨距角控制限制风机吸收功率；最后通过设置各种参数超标处理过程使风机可以安全平稳运行。
1风力发电控制系统的工作原理
风力发电系统主要是由叶片、提速齿轮箱、偏航装置和控制系统等组成的,只有各个组成部分相互协作,系统才能正常的运行。风轮的主要组成部分是叶片,在将风能转化成电能的过程中,叶片起到了很大的作用,结构气动性良好的叶片,可以保证风能的转化效率。在轮毂上安装2～3个叶片,当风吹动叶片转动的时候,轮毂也会转动,但是这个转速相对来说比较低,这时我们可以在发电机和轮毂之间安装一套加速系统,来满足发电的要求。随着风速方向的不同,还应及时调节叶片的角度,确保能最大程度地利用风能,另外,风向传感系统还会实时的向PLC控制系统传递监测到的风向信息,方便调节设备。提速齿轮箱可通过提高轴旋转速度,来提高风力发电机的叶片转速,此模块的应用,可有效地满足风力发电设备对转速的要求。偏航装置能够有效地改变叶片和风速间的夹角,当PLC控制系统接收到传感系统采集的风向信号后,PLC控制系统就会计算叶片与风向的夹角是不是达到最佳,如果不是,PLC控制系统就会控制偏航电机,将其转动到最佳位置上去。另外,风力发电机为了能够充分利用风能,它就必须得连续地切换电压和频率,这时就用到了变频器,有的变频器可将交流电直接转化为交流电,而有的变频器是先将交流电通过整流电路转化成直流电,再将直流电转化为交流电,这两种变频器是目前工业上最为常见的。
2PLC的控制过程
PLC风力发电控制系统是由一系列的模块共同组成的，各个模块各尽其职、共同作用以达到发电的目的。在这些模块中PLC在风力发电系统中占据着最重要的地位，它不仅可以接收、传递信号，还可以在这个过程中对信息进行精细处理。变频器在这一系统中也起着关键的作用，它既可以改变电源的频率，还可以推动电机工作。系统中的风向传感器通过通风管道实时采集风向信息，并将其收集到的信息转变成模拟量运送给PLC控制器，PLC系统会根据得到的信息反馈对运行状况进行调整。风力发电机通过电源频率的不断改变进而控制速度的变化，从而使整个系统达到发电的最终目的。偏航解缆是这种设计中的主要控制之一，它包括对风偏航、自动解缆等操纵，风速仪与风向标也都有备用的传感器，这使得在采集数据时，如果出现传感器发生故障的问题，可以启用备用的传感器，以保障风力发电机的正常运行。齿轮箱在系统运作过程中起着传输的作用，风能向电能的转化必须在保证齿轮箱可以正常工作的基础上才能成功完成。因此这一设计对齿轮箱有着较高的要求，其中包括了对温度的控制、油量的控制以及空冷风扇、齿轮箱加热器等设备的控制。只有加强对这些设备的控制，保证齿轮箱达到工作的条件，才能促进整个系统的平稳运行。同时，在系统出现问题时，一定要及时停机对其进行维修，保证风力发电工作能够安全高效的进行。
3风力发电控制技术
3.1传统控制方法
传统控制方法是采用线性控制方法，控制是基于数学模型的基础上。当风速变化时，通过调节发电机电磁转矩或桨叶节距角，来使叶尖速比保持最优值，从而实现风能的最大捕获。它缺点是对于快速变化的风速，调节相对滞后，只能保证在线性化工作点附近的控制效果。对于多干扰、随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统并不适用。
3.2现代控制方法
现代控制方法可以很好的解决风力发电系统的多变量、随机性、非线性等问题，所以今年来现在控制方法在风电控制技术中得到了长足的发展。(1)滑膜变结构控制滑模变结构控制是一种不连续的开关型控制,它要求频繁、快速地切换系统的控制状态.因为风力发电机经常工作于正常与失速两种模态，而滑模变结构控制具有快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单和易于实现等优点，所以在风电系统中得到了广泛应用。(2)鲁棒控制鲁棒控制具有处理多变量问题的能力，对于具有建模误差、参数不准确和干扰位置系统的控制问题，在强稳定性的鲁棒控制中可得到直接解决。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆(3)自适应控制通过参考模型的建立，在自适应控制器中，通过测量系统的输入输出值，实时估计出控制过程中的参数，适时的修正参数来降低不确定性对系统的影响。在遇到干扰和电网不稳定时自适应控制器比PI控制器有许多优点，但实时参数的难以估计是一个主要的缺点，因为它要耗费大量的计算时间。(4)模糊控制模糊控制是一种典型的智能控制方法，广泛用于自然科学和社会科学的许多领域。模糊控制因为其非线性、自寻优、变结构等功能，而且风力发电机的精确数学模型难以建立，所以模糊控制非常适合于风力发电机组的控制。其最大的特点是将专家的知识和经验表示为语言规则用于控制，不依赖于被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被调节对象有较强的鲁棒性。近年来越来越受到风电研究人员的重视。
3.3偏航控制程序设计
风力发电机控制系统的偏航控制可以分为自动偏航控制和自动解缆控制。由于风的方向始终处于变化之中，偏航控制所实现的功能是如果当前的风向和风力发电机的风轮正对方向之间产生一个偏差角且该角度超过５°时，必须进行偏航控制，确保风力发电机正对风向，从而尽可能大地从风中获得能量。解缆控制是指当风力发电机朝一个方向连续偏航超过３圈（±１０８０°）时，为了防止内部电缆发生缠绕而导致风力发电机设备受损，需设计解缆控制程序，从而保证机组的安全、稳定运行。其程序流程图见图６。偏航控制主程序主要由参数计算程序、解缆控制程序、偏航控制子程序和停止偏航程序构成。其中参数计算程序的作用是根据安装在风力发电机机架上的风向标检测到的风向值和风机上的偏航码盘检测到的风机偏航角计算出当前的风向角与偏航角的差值。偏航控制是根据计算出的差值决定是否进行偏航控制。解缆控制则是根据已连续朝同一个方向进行偏航的角度值决定是否应该进行解缆控制。
3.4全自动启动程序设计
风力发电机全自动启动程序所实现的功能是按照开机步骤实施风机全自动开车，保证开车稳步进行。在开车过程中，叶片上的升力和阻力与桨距角之间呈现非线性关系，要保证随着桨距角的减小，风机的升力始终大于阻力，确保风机转速达到额定转速附近。与此同时，当风力发电机的输出功率达到一定的额定值之后，自动将风力发电机并入电网送电。全自动启动程序见图８。如果当前风速≥４ｍ／ｓ，则计数器加１，如果不满足则计数器清零。如果当计数器的值计满１０时，输出一个“风速１０ｓ大于４”的信号，并将计数器清零。这两句程序的作用是判断是否满足风速≥４ｍ／ｓ的条件，如果满足条件，则风力发电机开始执行偏航控制。
4基于PLC风力发电控制系统的设计方案
PLC是可编写程序的控制器,在PLC风力发电控制系统中,PLC作为系统的控制核心,可见其重要性。PLC风力发电控制系统的主要功能之一就是对风向的实时监控,通过对风向的监测判断来自动的调节叶片的工作位置和转速。基于PLC风力发电控制系统的设计方案要根据实际情况来制定,在充分了解风力发电原理的基础上,分别对PLC风力发电控制系统进行硬件和软件方面的设计。在硬件设计方面,我们不仅要了解PLC控制系统具体的芯片型号,还要对PLC控制的各个模块进行严格的选择,尽量满足协议要求和相对应的接口要求,在软件设计方面,我们也要注重整个控制系统的模块划分问题,尽量保证每一个功能模块都能最大限度的发挥作用。在软件模块中,人机界面的主要功能就是输入命令,通过命令来指挥完成不同的任务,除此之外,我们也可以进行更改参数的操作。其次是显示系统,此模块可以实时的显示一些运行状态供我们了解,如果出现了故障,此模块也会及时地显示出来,方便我们解决问题,维护系统的安全;数据采集模块的作用也很大,它主要是利用传感器来采集一些有关风向的数据信息,并把这些信息实时的传递给PLC这个控制核心中去,帮助PLC去调节装置,提高系统的工作效率;偏航控制模块可以根据风向的变化来进行偏航、解缆等操作,此过程一般需要4台偏航电机同时工作;液压系统的主要功能就是为高速轴刹车与偏航刹车提供应有的压力;齿轮箱控制模块主要针对的是齿轮箱的温度、油泵等,它可以有效地控制这些东西,为风力发电系统保驾护航;最后就是温度控制模块,它可以对风力发电系统各个运行机构的温度进行有效控制,以此来保证风力发电机的正常运行。采用可编程控制器PLC作为控制的核心,是比较明确的选择。基于PLC风力发电控制系统来制定设计方案,不仅可以降低系统故障的发生率,还可以提高系统控制器的可靠性,如今,我国计算机科学技术发展的极为迅速,采用面向对象的编程技术也将是未来最可靠的发展方向,丰富的功能函数方便了编程,并且编程还能实现复杂的控制思想,这在风力发电控制系统的设计上具有积极的意义。
结语
基于PLC的风力发电控制系统所设计的方案，不仅使系统发生故障的几率减少，还可以通过对各个板块的有力监控与调节，大幅度的提高风力发电系统的工作效率。希望本文所涉及到的相关理论可以对研究人员有所帮助，使其能够满足我国新能源开采所需要的高精准度控制需求。
参考文献:
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[2]王娟平,杜静,王秀丽.基于PLC的风力发电机组偏航控制系统设计[J].装备制造技术,2016(9):46-50.
[3]王桥．基于PLC与组态监控风力发电实验平台控制系统的设计[D].安徽工业大学,2016.
论文作者:范勇东
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/21
标签：控制系统论文; 风力发电论文; 系统论文; 齿轮箱论文; 风向论文; 风能论文; 偏航论文; 《电力设备》2018年第23期论文;