基于PLC控制的風能發電站風電場運行監測系統

摘要：針對風能發電站在運行過程中具有隨機性、不確定性的特點，本文提出了采用西門子PLC S7-1200控制來對風電場運行進行監測，通過偏航控制、槳距控制、轉速控制、風機全自動啟動和運行狀態監測，能實現對風能發電站的電網、風況和機組的運行狀況進行監測和記錄，對出現的異常情況能夠自行判斷并采取相應的保護措施，并根據記錄的偏航角、槳距角、風速等風力發電機組的各項性能運行參數，生成系統穩態和干擾響應曲線。實驗結果表明，該檢測系統能確保風機的穩定運行，提高了風能的利用效率，大大緩解能源危機。

關鍵詞：PLC 風電場 電網 監測 發電機

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0027-01

隨著經濟的持續推進和居民生活質量的提高，大量不可再生資源例如石油、煤炭讓生態系統擔負了很大的壓力，此外造成生態系統很大負擔的還有火力發電廠所排放的廢棄物。風力發電作為一個無污染且再生的資源，對于發電行業有很大的促動和改善動力。由于科技水平的巨大提高，以及微型計算機和編程能力的提高，這對于風電控制的研究又提供了新的途徑。

針對以往風電控制中的部分不足，為此本文設計了一種基于PLC控制的風電場運行監測系統，該監測系統能對電網、風況和機組的運行狀況進行監測和記錄，對出現的異常情況能夠自行判斷并采取相應的保護措施，能確保風機穩定運行，可提高風能利用效率，大大緩解能源危機改善環境，推動了我國新能源的不斷發展。

1 基本原理

1.1 風力機的特性

假設風力機的槳葉是可變距的并且是剛性的。風輪吸收的功率為：

式中：為風輪吸收的功率；為空氣密度；為風輪掃掠面積；為功率系數；為葉尖速比；為槳葉節距角；為風速。

由上面的公式得到，對于給定的系統，風速保持恒定，在風速給定的情況下，功率系數決定了風機功率，提高值，相應的風機功率也會提高。要想導出最佳功率與轉速的立方成正比：則必須把轉速換成風速，這樣才能得出功率和轉速存在函數關系，即。

綜上所述，變速風力發電機組存在兩個局限性：轉速局限性，體現在全部旋轉部件的機械強度存在局限性；功率局限性，體現在全部電路及電力電子器件存在局限性。

1.2 風力機的轉矩-速度特性

如圖1，變速風力發電機組通過兩個運行段構成，若低于額定風速運行，它并非一直在最大線上運行。

2 系統硬件組成

系統硬件組成如圖2所示。上位機通過Profinet工業以太網與S7-1200的以太網接口連接，控制器的通訊模塊CM1243-5通過一根PROFIBUS線與PM125進行連接，PM125連接到E-WT對象的方式是將DT5019串口轉換器里的RS485信號轉換為USB串口信號傳輸到E-WT對象上。

3 監控畫面

在上位機完成的監控界面中，我們從圖3中可以看出，數字量監控模塊上，風機的偏航電機1、2、3、4處于綠色顯示狀態，標明風機的各偏航電機處于運行狀態，電纜扭轉處于紅色顯示狀態，標明偏航電纜正常，并未扭轉。模擬量監控模塊上，通過使用柱形圖，很直觀的顯示了風電機組各部分的模擬量信號，如風輪轉速、發電機溫度以及發電機效率等。

4 結語

本文完成了基于PLC控制的風電場運行監測系統的研究。通過對信號的采集和處理、偏航控制、槳距控制、轉速控制、風機全自動啟動和運行狀態監測，完成了對電網、風況和機組的運行狀況進行監測和記錄，保證了風力發電機組安全可靠運行、獲取最大能量和提供高質量的電能，能夠很好地處理風的高度可變性、間歇性和不可預測性。

參考文獻

[1]趙勇強.風力發電技術發展狀況與趨勢分析[J].中國科技產業，2006：69-71.

[2]蘇紹蜀.風力發電機設計及運行維護[M].北京：中國電力出版社，2007：1-8.

[3]李勇東.風力發電的發展現狀和前景[J].電氣時代，2008（3）：15-19.

[4]王新坤.風力發電機偏航系統控制[D].內蒙古科技大學，2005.

[5]唐利忠.風力偏航系統的設計與控制[D].華北電力大學科技學院機械工程系，2011.

[6]廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

收稿日期：2016-09-07

作者簡介：陳琴（1965—），女，上海人，大學本科，上海電氣電站集團電站工程公司，工程師，研究方向：機電設備安裝工程及監測監控。