基于PLC的燃煤發電機組引風機變頻調速控制

摘 要：由于傳統引風機控制系統多采用定速運行方式，無法根據實際需求靈活調節，導致能耗較高且調節精度有限，因此本文提出基于PLC技術的燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法。選擇SIEMENS S7-200型號PLC，并基于PLC的PID指令功能模塊，以爐膛內負壓為控制目標，計算輸出控制信號，將控制信號輸入變頻器中。變頻器根據該信號調整引風機的電源頻率，從而改變燃煤發電機組引風機的轉速。試驗結果表明，本文設計方法不僅能夠保障燃煤發電機組引風機變頻調速的控制效果，還能顯著降低能耗，具有較高的應用價值。

關鍵詞：PLC技術；燃煤發電機組；引風機；變頻調速

中圖分類號：TM 921" " " " " 文獻標志碼：A

引風機是燃煤發電機組中的關鍵輔機之一，其主要功能是將燃燒過程中產生的煙氣抽出，從而保證爐膛內壓力呈穩定狀態，煤料燃燒順利進行。然而，傳統的定速運行方式使引風機在運行過程中無法根據實際需求靈活調整轉速，造成能量浪費等問題，特別是在機組負荷變化較大的情況下，這種浪費尤為明顯。因此，對燃煤發電機組引風機進行變頻調速控制，對提高機組能效、減少能耗具有重要意義。變頻調速技術是一種新型節能手段，具有優越的速度調節能力與電能節約效益，在眾多領域中得到了廣泛應用。文獻[1]針對感應電機變頻調速問題，提出一種基于虛擬阻抗的控制方法，可以提升電機變頻調速的穩定性，但是該方法的實施效果受電機參數變化的影響，實際應用中無法保障控制效果。文獻[2]針對異步電機變頻調速問題，設計了一種模型預測直接轉矩的控制算法，可以有效降低電機運行損耗，但是該方法的參數敏感性較高，實際應用中的控制效果易受外界因素影響。文獻[3]針對礦用電動機變頻調速問題，設計了一種無速度傳感器矢量控制策略，可以降低能源損耗，但是這種方法涉及復雜的硬件設備，實際應用中需要較高成本。盡管我國學者針對傳統變頻調速控制方法的研究取得了一定研究成果，但是這些方法在燃煤發電機組引風機控制應用中仍存在一些問題和挑戰，因此本文提出一種基于可編程邏輯控制器（PLC）技術的燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法，期望能夠為電力行業節能減排、實現可持續發展提供有力支持。

1 基于PLC技術的燃煤發電機組引風機變頻調速控制

1.1 PLC選型

可編程邏輯控制器（PLC）是一個注重實時操作和可靠運行的數字化運算系統，因此本文引入PLC技術進行燃煤發電機組引風機變頻調速控制[4]。本文綜合考慮燃煤發電機組引風機變頻調速控制的實際需求，選擇SIEMENS S7-200型號PLC，它具有卓越的高性能、高可靠性以及易于編程的特點。不僅支持眾多類型擴展模塊，而且提供了例如RS-485、以太網等多個通信接口，便于與其他設備間進行遠程數據傳輸。針對燃煤發電機組引風機變頻調速控制的具體需求，本文詳細規劃了PLC的I/O接口分配信息，見表1。

在SIEMENS S7-200型號的PLC中，本文共設置了16個數字量的I/O點，完全能夠滿足燃煤發電機組引風機變頻調速控制的實際需求。與此同時，本文選擇的PLC還集成了眾多功能模塊，其中PID指令功能模塊尤為突出，采用簡單的參數設置即可實現PID控制功能，無須額外的編程或硬件配置，顯著降低了變頻調速控制技術實現的復雜度和成本。

1.2 PID功能計算輸出控制信號

在SIEMENS S7-200 PLC中，PID指令功能模塊是實現燃煤發電機組引風機變頻調速閉環控制的核心[5]。該模塊主要根據變頻器實際與期望輸出間的偏差信號計算相應的控制量。在實際控制中，為了消除或減少這種偏差，需要進行比例（P）、積分（I）和微分（D）等運算。具體來說，在本文設計的燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法中，以燃煤發電機組鍋爐的爐膛內負壓為控制目標，PID功能利用實際測量的爐膛負壓值與預設的負壓值間的偏差信號，如公式（1）所示。

ε（t）=X（t）-Y（t） （1）

式中：ε（t）表示燃煤發電機組鍋爐爐膛內負壓的實際測量值X（t）與預設值Y（t）間的偏差信號。

基于公式（1）所求的爐膛內負壓偏差信號，本文進行了一系列算法運算，以此獲取并輸出變頻器所需控制信號，如公式（2）所示。

（2）

式中：U（t）表示變頻器所需控制信號；ηp表示比例系數；μI、μD分別表示積分與微分常數。

公式（2）所求信號即可作為燃煤發電機組引風機變頻調速的控制信號。與此同時，為了更深入地理解PID控制器的動態特性，本文先對控制律進行了拉普拉斯變換，如公式（3）所示。

（3）

式中：s表示Laplace變換中的復變量；E（s）表示輸入量偏差信號的拉普拉斯變換。

進而在公式（3）所示變換后的控制律基礎上，可以獲得一個如公式（4）所示的傳遞函數。

（4）

式中：F（s）表示控制器的傳遞函數；ηI、ηD分別表示積分與微分系數。

如公式（4）所示，PID控制器的性能較大程度上取決于ηP、ηI、ηD這3個參數的合理設置。因此，在實際的燃煤發電機組引風機變頻調速控制中，可以采用試錯法進行PID控制器參數整定，即觀察控制器在不同參數組合下的響應，逐步調整ηP、ηI、ηD的值，直到達到滿意的控制效果。

最后，在PLC的PID指令功能模塊中設置最佳參數，根據上述公式實時計算控制量。當實際爐膛負壓偏離預設值時，PID功能模塊會立即感知這一偏差，并根據預設的ηP、ηI、ηD值計算出相應的控制信號，將該信號輸出至執行機構（變頻器），用于調節引風機的轉速。

1.3 變頻器控制引風機調速

當PLC的PID指令功能模塊計算并輸出爐膛負壓的控制信號后，本文將該控制信號輸入變頻器中[6]。變頻器是連接燃煤發電機組電源與引風機的電動機間的橋梁，其核心功能是根據外部控制信號調節輸出電源的頻率與電壓，從而對電動機轉速進行平滑調節。一般來說，引風機采用異步電動機進行驅動，該電機的轉速計算如公式（5）所示。

V=60P（1-λ）/N （5）

式中：V表示引風機電動機的轉速；P表示引風機電源的工頻；λ表示引風機電動機的轉差率（無量綱）；N表示引風機電動機的極對數。

如公式（5）所示，燃煤發電機組引風機的電動機轉速V與電源頻率P、轉差率λ和極對數N間存在明確的線性關系，因此改變其中一個參數，即可進行電動機轉速調整。由于極對數N是個定值，當電動機設計完成后就不再變化，而轉差率λ是個變化幅度極小的值，如果將這2個參數應用于電動機轉速控制中，無法取得理想控制效果，因此本文調整了電源頻率P，進行燃煤發電機組引風機電動機轉速的線性控制。在實際應用中，當變頻器接收到S7-200 PLC的PID指令功能模塊計算輸出的控制信號后，即可根據該信號調整引風機電動機的電源頻率。具體來說，當需要提升爐膛內負壓時，PID輸出的控制信號會相應增加，變頻器會根據這個控制信號確定需要提高的電源頻率，先利用整流器將相應電量的工頻交流電轉換為直流電，再對其進行濾波處理，進而采用逆變器將其轉換為交流電，此時該交流電的頻率可控，輸入引風機的異步電動機中，能夠改變轉速，促使引風機的運行狀態符合設定要求。

2 試驗分析

2.1 試驗準備

完成基于PLC技術的燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法的理論設計后，本文以某250MW燃煤發電機組的引風機為試驗對象，進而對比試驗，其主要技術指標參數見表2。

基于上述試驗對象，為了保證試驗結果的準確性和可比性，設定的試驗條件如下所示。保證燃煤發電機組鍋爐所取各工況煤質基本穩定；鍋爐燃用煤種為常用煤種；鍋爐安全燃燒，各個輔機均正常穩定運轉；主要輔機電度表均工作正常，試驗前必須校準引風機電能表。在滿足以上試驗條件的基礎上，根據我國《電站鍋爐風機現場試驗規程》，進行燃煤發電機組引風機變頻調速控制試驗。試驗分為3組，分別采用基于PLC技術的燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法（試驗組方法）、基于模糊邏輯的燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法（對照組一方法）和基于虛擬阻抗的燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法（對照組二方法），同時記錄并對比試驗結果。

2.2 控制效果分析

為驗證燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法的控制效果，設定爐膛負壓從0kPa升至0.7kPa，分別采用試驗組方法和對照組中的2種方法進行引風機變頻調速控制，并在MATLAB軟件中生成爐膛負壓控制仿真曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出，在燃煤發電機組引風機變頻調速控制中，試驗組方法在快速性與準確性上均優于對照組中的2種方法，并且對負載擾動的適應性也較好。具體來說，在燃煤發電機組鍋爐的爐膛壓力從0kPa升至0.7kPa的過程中，試驗組方法僅需要經150s即可將爐膛負壓穩定在設定值，比對照組中的2種方法分別縮短了100s、50s；壓力震蕩幅度不大，超調量僅7.1%，比對照組分別降低了7.19%、12.9%。因此，基于PLC技術的燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法是有效且優越的，具有收斂速度快、上升和調節時間短等優勢，該方法的控制效果比其他2種控制方式更理想。實際應用中，當面對風壓波動時，該方法能夠迅速調整引風機轉速，保持爐膛負壓穩定，進而改進燃燒條件。

2.3 節能效果分析

為了進一步驗證燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法的節能效果，并避免試驗結果的偶然性，本次試驗選定純凝狀態下燃煤發電機組的50%、60%、70%、80%、90%、100%負荷作為試驗負荷，在不同試驗負荷下，分別采用試驗組方法和對照組中的2種方法進行引風機變頻調速控制，統計并整理各方法控制下引風機消耗的有功功率，如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著燃煤發電機組負荷工況不斷增加，在試驗組方法和對照組中2種方法控制下，引風機消耗的有功功率均呈上升狀態。但是在試驗組方法下，引風機的有功功率一直處于較低水平上。在最大250MW的燃煤發電機組負荷工況下，采用試驗組方法控制引風機時，僅消耗有功功率1586kW，比對照組中2種方法分別減少了85kW、103kW。因此，基于PLC技術的燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法不僅能夠促使鍋爐爐膛內部風壓波動減少，改進鍋爐運行的穩定性，而且能夠顯著提升引風機的節能效果。

3 結語

本文研究聚焦于燃煤發電機組引風機變頻調速控制方法的探索與實踐，引入PLC技術，結合先進的PID控制算法，實現了引風機轉速的精確調節。試驗結果表明，該方法不僅能夠提高燃煤發電機組的運行穩定性和可靠性，而且能夠顯著降低引風機的能耗，為電力行業節能減排提供有力支持。然而本文研究也存在一些局限性，例如控制策略的優化、系統魯棒性的提升等方面仍有待進一步探索。未來，本文將繼續深化研究，探索更智能、高效的控制算法，以提高燃煤發電機組引風機變頻調速控制系統的性能。

參考文獻

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[2]曾建航，趙德成.智能跑步機異步電機變頻調速直接轉矩控制[J].機械設計與制造，2024（1）：280-284.

[3]劉文壯，劉建功，王毅穎，等.礦用高頻隔離型變頻調速無速度傳感器矢量控制[J].工礦自動化，2022，48（8）：100-106.

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[6]趙雪杉，潘效軍.基于RBF的深度調峰機組電機變頻控制優化[J].組合機床與自動化加工技術，2022（3）：72-75.