风电行业中风机主控系统PLC的优化与自主可控策略研究

风电行业中风机主控系统PLC的优化与自主可控策略研究

陈志浩

(傲拓科技股份有限公司 江苏南京 210000)

摘 要：本文针对风机主控系统PLC进行了概述，介绍了其在风力发电系统中的重要性和作用。随后，探讨了现有风机主控系统存在的问题和局限性。在自主可控策略研究方面，本研究基于实时数据和环境条件，开发了一套智能化的控制策略，以实现风力发电系统的高效运行和能量利用。该策略能够根据实时的风速、风向和电网需求等信息，自主调整风机主控系统的工作状态，以确保风力发电系统的稳定性和效率。结果表明，通过应用优化方法和自主可控策略，风机主控系统PLC在提高风机运行效率、稳定性和可靠性方面取得了显著的改进。

关键词：风电行业；风机主控系统PLC；自主可控策略

0 引言

近年来，随着环保意识的增强和对可再生能源的需求不断增长，风电行业迅速崛起并成为全球能源领域的重要组成部分。在风电发电系统中，风机主控系统扮演着至关重要的角色，负责监测、控制和优化风机的运行，以实现更高效、稳定和可靠的发电。然而，传统的风机主控系统采用的是基于PLC（可编程逻辑控制器）的控制架构，其设计和实施存在一些局限性。一方面，传统PLC控制系统的编程复杂度较高，可扩展性有限，影响了系统的灵活性和响应速度。另一方面，由于风能发电的不确定性和复杂性，传统PLC主控系统的策略往往无法满足日益增长的风力发电需求。因此，本研究旨在优化风机主控系统中PLC的设计和实施，并提出一种具有自主可控性的策略，以实现风力发电系统的高效运行和能量利用。

1 风机主控系统PLC概述

1.1 PLC的基本原理

风机主控系统PLC的基本原理是利用可编程存储器，执行内部存储的指令，包括逻辑运算、顺序控制、算术运算和定时计算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出接口，控制各种类型的机械或生产过程【1】。在风机主控系统中，PLC主要用于接收风速、功率等传感器信号，根据预设的运行曲线，对风机进行实时控制，以确保其稳定运行并达到节能效果。

1.2 风机主控系统PLC的组成

风机主控系统PLC是一种专门为风机设计的控制系统，旨在实现风机的稳定运行和优化控制。该系统主要由以下几个部分组成：

（1）处理器：PLC的核心部件是处理器，它负责执行存储在内存中的指令，并处理各种输入和输出信号。在风机主控系统中，处理器需要具备快速响应和处理复杂逻辑的能力。

（2）输入输出模块：输入输出模块是PLC与外部设备进行交互的接口。在风机主控系统中，输入模块用于接收传感器信号，如风速、功率等，而输出模块则用于控制各种执行器，如变桨系统、偏航系统、变流器等。

（3）通讯接口：PLC通常具有多种通讯接口，用于与其他设备进行数据交换。在风机主控系统中，这些通讯接口包括CANopen、Profibus-DP、Modbus TCP、Modbus RTU等，用于与变桨系统、偏航系统、变流器、风速仪、变频器等设备进行通讯。

（4）存储器：PLC具有存储指令和数据的存储器。在风机主控系统中，存储器用于存储控制算法、传感器数据、故障诊断信息等。

（5）人机界面：PLC通常配备人机界面，用于对系统进行配置、监控和调试。在风机主控系统中，人机界面可以显示风机运行状态、报警信息、控制参数等，同时也可以对控制参数进行调整。

（6）电源模块：PLC需要电源模块来提供所需的电源。在风机主控系统中，电源模块需要提供稳定的电源，以确保PLC的正常运行。

1.3 风机主控系统PLC的工作流程

PLC通过输入模块接收来自风机的各种信号，执行相应的控制算法，产生控制指令。PLC通过输出模块将控制指令发送到风机的各个执行器，如变桨系统、偏航系统、变流器等。PLC通过传感器实时监控风机的运行状态，当风机出现故障时，PLC会触发故障处理程序，及时采取相应的措施，如停机维修、报警提示等。PLC将采集到的数据存储在存储器中，并进行分析和处理，以实现风机的优化控制和故障预警。PLC配备人机界面，操作人员可以通过人机界面实时监控风机运行状态、查看故障信息、调整控制参数，实现了风机的稳定运行和优化控制。

2 风机主控系统PLC优化方法

2.1 优化目标与指标体系

为了提高风机的运行效率和稳定性，优化PLC的控制策略。改进控制算法、优化PID参数、增加前馈控制等，以达到更好的控制效果。PLC需要快速、准确地处理各种数据，包括传感器信号、控制指令，采用高速处理器、增加内存容量、优化数据存储结构等方式来实现。风机主控系统PLC目标与指标体系见表1。

表1 风机主控系统PLC目标与指标体系

2.2 优化方法选择

第一，选用高性能的处理器和更大的内存容量可以显著提高PLC的处理速度和存储能力。通过采用高速处理器和更大的内存容量，加快数据运算和处理速度，提高控制算法的精度和响应速度，从而提高风机的运行效率和稳定性；第二，优化控制算法和PID参数是提高风机运行效率和稳定性的重要措施。通过改进控制算法，如采用前馈控制、模糊控制等，可以更好地预测和控制风机的运行状态，提高控制精度和响应速度；第三，增加前馈控制功能可以提前预测风速变化和机械故障等潜在问题，并及时采取措施进行补偿和控制，有效避免故障发生和减少运行波动【2】。同时，增加故障检测功能可以及时发现和诊断风机运行中的故障和异常情况，便于及时采取维修措施，缩短故障停机时间，提高风机的可靠性和稳定性；第四，采用模块化设计和可扩展性强的通讯协议可以方便地对PLC进行扩展和维护。模块化设计使得PLC的各个模块可以独立运行和扩展，可扩展性强的通讯协议也方便了与其他设备的连接和通讯，提高了系统的集成度和互操作性。这些优化措施的实施可以提高PLC的可维护性和适应性。

2.3 优化效果评价

风机主控系统PLC优化效果评价数据见表2。

表2 风机主控系统PLC优化效果评价数据

注：当达到或超出额定风速时，风力发电机就能达到额定功率。3MW的风力发电机组满负荷工作1h的理想发电量就是3000kW×1h＝3000kWh。

通过将改造前和改造后的数据进行对比，定量地评估了风机主控系统PLC优化效果。清晰地看出改造后的PLC在各方面相较于改造前有了明显的提升和优化效果。

3 自主可控策略研究

3.1 自主可控技术概述

风机控制系统的核心是主控制器，它负责实现各种控制策略，如变桨控制、偏航控制、转速控制等。为了实现风机的高效运行和稳定性，主控制器需要具备快速处理数据和精确控制的能力。此外，为了满足不同需求，控制系统也需要支持多种通讯协议，如CANopen、Profibus-DP、Modbus TCP、Modbus RTU等，以便与各种设备进行通讯。PLC的自主可控，既是硬件层面的自主可控，同时也包括编程软件、操作系统的自主可控。

3.2 自主可控策略设计

在当今的工业控制领域，风机主控系统PLC（可编程逻辑控制器）扮演着至关重要的角色。然而，随着科技的不断进步和国际形势的复杂多变，实现风机主控系统PLC的自主可控策略设计显得尤为重要。首先，需要明确自主可控策略设计的目标，采用国产化芯片和元器件，以及经过严格测试和验证的硬件设备。降低对进口芯片和元器件的依赖，提高系统的稳定性和可靠性【3】。风机主控系统PLC自主可控策略设计情况见表3。

表3 风机主控系统PLC自主可控策略设计情况

3.3 自主可控策略实施效果评价

风机主控系统PLC优化自主可控策略实施效果评价见表4。

表4 风机主控系统PLC优化自主可控策略实施效果评价

将实施前后的数据进行对比，定量地评估了风机主控系统PLC优化自主可控策略的实施效果。能够清晰地看出实施优化策略后，各个方面的性能都得到了显著提升。

4 结论

总之，通过优化风机主控系统PLC并应用自主可控策略，可以有效提高风力发电系统的运行效率、稳定性和可靠性。这不仅有利于提高风力发电的发电量和经济效益，也符合建设可持续发展的绿色能源的目标。同时，这也为我国在风电领域的技术创新和发展提供了重要的技术支持和保障。作为关键技术之一，风机主控系统PLC的优化与自主可控策略研究必将在风电行业中发挥重要作用，并进一步推动风力发电技术的发展和普及。

参考文献

[1]无.傲拓科技发布风电主控系统自主可控PLC解决方案,为兆瓦级风电机组主控系统国产化及批量应用开辟先驱之路[J].智慧工厂,2022(3):34-35.

[2]无．“华电睿风”自主可控3 MW级陆上风电主控系统成功投运[J]．电世界,2021,62(12):56.

[3]曾卫东,于景龙,王介昌,褚孝国,杨政厚,赵德政,林浩,韩健．国产风电机组主控系统开发与应用[J]．热力发电,2022,51(12):1-9.

作者简介：陈志浩（1981.8-），男，助理工程师，研究方向：电子信息。