PLC调速系统对风电机组的偏航控制研究

摘 要

在水平轴风力发电机组的控制系统当中，偏航控制系统是一个十分重要的组成部分。在偏航控制系统当中，利用风向标和风向仪，从机舱当中向风电机组的控制器中传递获取的相关信息。然后有中央处理单元进行相应的处理和分析，从而确定是否需要运行偏航驱动装置，对风向和机舱的角度进行调整。通过这一过程，能够确保风轮的叶片始终朝着迎风的方向，从而确保在风力发电机组的运行过程当中，能够对风动能进行充分的利用。

【关键词】PLC调速系统 风电机组 偏航控制

在当前的工业领域当中，PLC是一种新型的工业控制装置，在运行和应用过程中具有维护方便、组合灵活、功能强大、可靠性高等特点，尤其在工业自动化生产领域当中，得到了十分广泛的应用。近年来，随着相关技术的发展，变频器作为一种交流电动机变频调速装置，经过不断的发展和优化，也得到了越来越广泛的应用，具有调速精度高、保护功能完善、易于实现复杂控制、过载能力强、响应速度快等特点。因此，通过结合PLC与变频器，构成变频闭环调速系统，从而对转角和转速进行良好的控制。

1 调速系统的构成及原理

在以PLC模拟量方式为基础的变频闭环调速偏航控制系统当中，主要包括了PLC、模拟量输入模块、模拟量输出模块、旋转编码器、电动机、变频器等部分。在该调速系统当中，光电旋转编码器同轴连接电动机，利用0伏到5伏的电压对电机的转速进行转换。然后向PLC模拟量模块的一路输入端进行反馈。在模拟量模块的另一路中，输入0伏到10伏的模拟量输入信号，此为给定量。在PLC内部，对转换电压与给定电压共同进行PID运算处理，然后利用PLC模拟量模块输出端子，对一路0伏到10伏的直流电压信号进行输出，以此对变频器的输出进行控制。通过这种方式能够实现闭环调速控制，从而满足精确、平稳的运行速度要求。

这一系统功能与偏航控制系统控制要求相一致，风向传感器向比较器传递风向信号，在比较当前机舱位置之后，向控制器传递比较值。控制器经过对比较值的计算，向执行器传递计算结果。执行器根据这一结果进行工作，对机舱角度进行调整，也就是开始进行偏航。霍尔传感器、光电编码器等监测装置将向比较器反馈偏航结果，然后重新比较其与风向给定值。通过不断重复这一流程，最终实现与风向给定值相一致的机舱实际方向，从而完成偏航控制的工作。

2 硬件选择及设置

2.1 PLC

在PLC的选择当中，结合被控对象的工艺要求、自诊断功能、扫描速度、I/O点数等客观因素，以及自身的性价比来进行选择。其中，德国西门子公司生产的PLC具有十分良好的性能，其数字量I/O点、模拟量I/O点、可连接扩展模块、I/O点最大扩展量等都能够满足实际的应用需求。同时，其程序和数据存储空间、高速计数器、高速脉冲输出、通信编程口等，也较为充足。并且还具有自由方式通信能力、MPI通信协议、PPI通信协议等功能。此外，相比于早期型号的PLC，还添加了数据记录、诊断LED、自正定PID、线形斜坡脉冲指令等新功能。

2.2 变频器

在选择变频器的过程中，应当充分的考虑到其容量方面的问题。在变频调速的过程中，由于供电频率之会发生变化，因此电机转速也会随之改变。变频器在与不同型号电动机配合使用的过程中，必须对其容量进行合理的选择。在实际选择过程中，可根据电动机的具体参数，来选择能够与之相匹配的变频器。如果由一台变频器对一台电机进行驱动，在选择变频器容量的时候，应当确保电动机的额定电流在变频器的额定电流之下，或是所选变频器能够适配功率更大的电动机。

2.3 模拟量模块

在PLC的模拟量处理过程中，主要是利用模拟量的输入和输出模块、以及相应的用户程序来实现的。模拟量模块在对传感器输出标准信号进行接收之后，将其转换为数字信号，并在PLC当中进行存储和处理。经过处理的最终结果对执行元件进行驱动。在实际应用中，所选择的模块可以是混合了输入输出功能的模块，能够同时连接多路模拟量输出和输入。在模拟量模块当中，主要的作用是对旋转编码器输出的反馈量，以及给定电压等信号进行采集。在实际应用当中，对于输入信号，还应当根据其范围进行整定。

2.4 旋转编码器

旋转编码器主要用于对转速进行测量。光点旋转编码器能够利用光电转换，将轴的角速度、角位移等机械量进行输出，并将其转换为相应的电脉冲，通过数字量的形式进行输出。在实际输出过程中，主要包括单路输出和双路输出等方式。其中涉及到了每转的供电电压、脉冲数等技术参数。其中，旋转编码器输出一组脉冲，即为单路输出，如果旋转编码器输出两组90度相位差的脉冲，则为双路输出。通过这两种脉冲输出，能够对旋转的方向和转速进行判断。

3 系统软件

在PLC调速系统当中，软件设计主要指的就是PLC的相关程序设计。在设计PLC程序的过程中，应当对给定量和反馈量这两路模拟输入量，以及按钮等外部开关信号输入进行接收。然后标准化整定这些模拟输入量，同时进行相应的PID计算。最后整定得出的计算结果，交由模拟量输出端子进行输出。通过这一步骤，实现PLC调速系统对风电机组的偏航控制。

4 结论

偏航控制系统是风电机组当中的重要组成之一，在风电机组的运行过程中，发挥了十分重要的作用。在偏航控制的过程当中，根据实际的需求，采用PLC调速系统进行控制，具有软启动性能良好、结构简单、带负载能力、配置灵活等优势，其稳态性和动态性都能够满足风电机组的实际运行需求，对于风力发电具有良好的意义。

参考文献

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作者简介

田文海（1982-），男，辽宁省葫芦岛市人。大学本科学历。毕业于东北大学；现为沈阳鼓风机集团自动控制系统工程有限公司中级工程师，主要研究方向为控制系统开发。

作者单位

沈阳鼓风机集团自动控制系统工程有限公司 辽宁省沈阳市 110142