plc可以提高风力涡轮机的性能

大多数风力涡轮机使用机械式风速计和风标来测量风力条件，风速和风向数据被发送到涡轮机控制器。然而，原始设备制造商(OEM)的监测和控制系统存在许多固有的脆弱性，导致维护成本高，涡轮动力性能差。

驾驭风

布法罗峡风电场位于德克萨斯州中部，由296个风力涡轮机组成(见图1)，从2006年到2008年分三个阶段建造。第一阶段包括67台1.8兆瓦的涡轮机;第二阶段155台1.5兆瓦涡轮机;第三阶段是74台2.3兆瓦的涡轮机。该风电场的容量为524兆瓦，目前是世界第七大风电场。它每年产生超过160万兆瓦/小时的清洁可再生能源。

第一个问题是传感器使用移动部件。风速计使用“杯”来测量风速，风向标使用风向标尾部来测量矢量变化或风向。物理检查显示许多传感器出现故障，其中大多数故障与轴承问题有关，导致精度下降和仪器寿命缩短。增加轴承滚动阻力也会影响风测量精度，因此涡轮效率，因为这些数据用于优化涡轮性能。冬季的天气使传感器暴露在外的机械部件结冰，增加了维护工作量。

其中一个品牌的涡轮机在严寒天气中受到的影响最大。少量的水分，再加上冰冻的温度，就会导致风速计和风向标锁定，有效地关闭涡轮机。另一个品牌有加热传感器，这是稍微可以忍受冬天的天气，但经历了一个更低的平均时间之间的轴承故障，由于温度较高的传感器轴承。

第二个问题是传感器性能。研究和测试证明，在高湍流或存在陡风切变条件时，杯形和叶片型传感器是不准确的，并且由于高湍流的转子洗涤，不适合在转子顺风处使用。

正常运行时，转子加速度随风速逐渐增大。然而，当风速计由于局部故障而少报风速时，转子加速度增加，表明大量的风能(约10%)没有转化为电能。相反，这些能量通过主轴承和传动系统被吸收，然后通过转子运动消散。

风速计轴承通常会随着时间的推移获得滚动阻力，直到它们完全抓住。理想情况下，当涡轮识别到由于滚动阻力增加而导致的异常负载时，它将在完全发作之前发生故障。然而，在许多情况下，涡轮机从未认识到这个问题，风速计的这种局部故障比完全故障更具破坏性，因为它可以破坏风力涡轮机传动系统。

完善制度

风力涡轮机需要有关风力条件的准确信息才能安全运行，因为风力数据对于记录湍流和保护涡轮机至关重要。当风速计的转速不能快速变化时，就像轴承故障时的情况一样，湍流不能准确测量。涡轮控制系统调整桨距和转子速度不同，取决于湍流的程度，以保护叶片和传动系统的疲劳，由于使用不良的叶片翼型。糟糕的风速计测量等于不正确的调整，这增加了疲劳。

准确的风向也很重要。功率输出急剧下降，一旦涡轮机超过+/-10度错位。当与邻近具有良好风向标的涡轮机进行比较时，发现产量减少了20%，这可能是由于通用电气涡轮机的风向标部分失效。这一实现表明，测量应用更适合超声仪器，这将提供更准确和可靠的指示风条件。

将风测量机械传感器替换为一个超声波传感器(见图2)，并使用可编程逻辑控制器(PLC)对传感器信号进行转换，更好地控制风力涡轮机。

信号需要从超声波传感器转换成涡轮控制器可以使用的形式。没有可用的超声波传感器提供了各种涡轮控制器所需的具体和各种形式的信息。因此，安装了一个Modbus适配器，它接受超声波传感器信号的输入，并通过Modbus将其发送到PLC。

PLC作为涡轮机的仿真器;也就是说，根据水轮机的品牌/型号，编写特定的梯形程序来模拟每个水轮机控制器所需的数字逻辑传感器信号。我们还能够创建算法来提供非线性修正动力学，如机舱传递函数和偏航偏差。所有的设备，加上一个240瓦的电源，适合到涡轮机舱，连同现有的OEM涡轮控制器(见图3)。

利用激光雷达(一种光探测和测距技术)来验证预期性能，并继续应用统计工具和方法，该团队意识到它可以进一步提高涡轮机的性能。偏航偏差(对准)和风速修正(机舱传递函数)具有内在的动态和非线性。这些数据使工程师能够在涡轮机控制系统解释之前编写算法来纠正扭曲的风速和风向数据，从而增加能量捕获并减少传动系统的疲劳。

来自plc的数据被传输到控制中心(见图4)，工程师在控制中心进行统计分析，对plc和涡轮机控制器进行编程，并分析数据以在故障发生之前预测故障。

经过验证的结果

虽然系统仍在微调中，但初步结果包括提高了气象精度，减少了运行停机时间，减少了涡轮传动系统的疲劳负荷，同时提高了涡轮效率。

特里斯坦李他是德克萨斯州布法罗盖普AES公司的性能工程师。埃里克·r·艾斯勒主编，石油与天然气工程，eeissler@cfemedia.com．

关键概念

• 物理移动传感器对于风力涡轮机来说并不理想。
• 测量需要准确，以确保正常的功能;否则不当的驱动会导致严重的损坏。
• 准确的风向也很重要。功率输出急剧下降，一旦涡轮机超过+/-10度错位。

考虑一下这个

在设置风力涡轮机时，重要的是对PLC、传感器和执行器进行适当校准，以确保最佳性能。

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