摘要：西门子提供的控制算法是基于ECN的控制策略，有别于传统的控制算法。ECN控制算法除了关注转速转矩控制外，不仅输出一种最大功率的结果，而是可以配置为降低风机的疲劳载荷、降低风机塔筒及主要部件的运行风险和降低停机时间等多个角度、多目标的控制算法。通过对算法参数调教，可以完成不同重点的控制指标。
关键词：PLC；风电机组；主控系统；设计
前言
我国十年前采用的老旧风电机组无论是在技术水平，还是质量水平上，与新机组相比都有很大差距，主要体现为性能差、发电量低。为了使机组在剩余服役期内创造更多的发电效益，改善老旧机组性能，提升机组发电量成为当前受到迫切关注的问题。随着技术不断革新，针对风电场老旧机组的发电量提升可以提供多种有效可行的方案，包括增高塔筒、加长叶片以捕获更多的风能，更改机组发电策略提高动态响应等。但是增高塔筒与叶片加长方案的工程量、改造投资均较大。相比之下，更改主控控制策略的方案更易于实施。因此，优化主控控制策略成为老旧机组提升发电量、降低成本且显著增加效益的一种可选方案。
1被控系统要求
1.1风机主流程
根据风机状态、启动停机命令和风速情况等，控制风机的启动、停止、发电以及并网等多个流程，并根据不同流程之间的切换进行主流程的跳转，根据风机故障进行风机的运行保护。
1.2偏航系统
根据风机状态和风向进行机舱对风角度的调整，追踪最大风能。同时，根据电缆缠绕进行扭缆保护和自动润滑系统控制等。
1.3变桨监控系统
根据主控算法进行变桨角度的调节命令发送和状态监测，同时根据变桨反馈的状态信息进行风机保护。
1.4控制算法
基于转速及转矩进行控制策略实现，控制风机运行在稳定的主轴转速下，同时尽量提高整机发电量。
1.5变流器监控系统
根据主控算法进行变流器转矩的调节，同时根据反馈的状态信息进行变流器监控。
1.6控制系统诊断
根据控制系统硬件及通信运行状态进行控制系统诊断，诊断模块运行状态和通信状态。
1.7辅助系统监控
针对辅助系统进行监控，如液压站、润滑系统、配电系统以及风速风向仪等传感器系统。
2风机控制系统整体架构
风机控制系统主要由嵌入式控制器IPC427E、SoftwareController软PLC控制器、IO从站ET200SP、CANopen网关模块、以太网交换机和Profinet网络构成。IPC427E作为控制系统核心，运行风机控制系统程序，通过ProfinetRT实时以太网连接IO从站。IO从站分布在塔底和机舱两个部分。IO从站可配置不同类型的输入输出模块，实现不同传感器及执行器的接入。因为塔底和机舱之间距离较远，所以通过以太网交换机实现光纤和以太网的交换，从而连接风机塔上和塔下两部分。因为风电行业很多设备基于CANopen通信总线，因此通过配置西门子CANopen网关，实现与第三方智能设备之间的通信。同时，可以通过配置Profibus网关，实现Profibus总线连接其他设备。
3控制系统软件开发和V型设计模式
目前，大多数风力发电机生产厂家还处于传统的制造业模式中，缺少数字化设计理念，产品的仿真环节与设计环节不统一。
很多厂家缺少系统建模及仿真，或者系统的建模和仿真不能给后期的系统设计提供数据依据，不能构成闭环过程。此控制系统软件架构的意义在于为风电OEM客户提供一套完整的数字化主控系统开发的解决方案，加快客户新机型的研发速度，降低样机调试的故障率，节省样机开发成本。现阶段，行业内很多企业已经开始从L型产品研发设计生产模型转变为V型设计模式。V型设计模型最重要的两个环节是软件在环和硬件在环。这两个环节可以大大缩短产品研发周期，增强产品出厂前的可靠性。对应到风电行业最重要的控制问题，是如何快速开发控制算法并应用于系统测试环节，同时完成控制策略在真实硬件环节中的测试。本套控制系统可根据客户以往的开发模式进行V型设计转变，通过硬件及软件架构为软件在环和硬件在环提供支撑。V型设计模式涉及的各个环节的定义如下。
（1）系统定义阶段.通过确定项目开发规范，完成软件、硬件设计的开发文档，明确控制系统要求，定义硬件功能和柜体结构等。
（2）设计、仿真阶段。通过开发软件对系统进行设计，设计完成后对控制系统进行建模，重点是对控制对象和控制逻辑进行设计开发，通过在设计阶段的软件建模帮助设计人员早期处理系统设计缺陷。
（3）快速原型阶段，又称为软件在环。通过控制系统的PLCSIMAdvance软件，加载设计阶段完成的软件部分，将无法在软件仿真阶段验证的算法等在此阶段的硬件仿真平台下进行执行和测试，同时配合软件环境中的仿真传感器和执行器等。此阶段由研发工程师进行相关测试，可以帮助研发设计人员处理系统指标和误差等问题。
（4）代码生成和软件测试阶段。系统经过软件在环测试后，整套控制系统的软件开发平台可以将所有的项目代码进行发布操作，将程序下载到控制系统的真实CPU中，并对代码执行情况进行完整的执行性情况测试和分析。此阶段通常在客户实验室中进行。
（5）硬件在环阶段。此阶段系统需要连接所有的PLC硬件模块、外部传感器和IO。CPU通过一套完整的硬件在环仿真器，测试控制系统的软件和硬件在各种工况下的运行情况，以检验其功能是否满足设计需求。此阶段通常在客户实验室中进行。
（6）系统标定和功能测试阶段。上一阶段测试后，再度完善系统的软件、硬件结构功能，将修正和改善后的控制器连接在真实硬件上。此阶段通常为风机的厂内调试，通过厂内测试进一步完善设计，出厂前整改发现的问题。
（7）现场测试阶段。此阶段完成风机的调试，并持续进行优化。根据现场将数据反馈给前端设计，为后续机型的设计和同类机型的优化积累宝贵数据基础和经验。
4控制算法
4.1 GainScheduling
针对变桨系统的非线性特性，设计GainScheduling环节，根据叶片推力系数及桨叶角度的线性度，调节闭环过程中的PI控制参数，从而增加在不同风速情况下的响应速度，避免超速和转速波动等情况。
4.2 PowerCurve
转矩控制+功率限制是目前控制算法中比较常见的方法。转矩控制经历了最早的查表法，现在主流的是PI闭环控制。ECN算法在保留经典的控制方法之外，加入了“thrust”代表载荷的参数，在保持相对多发电量输出的基础上，限制载荷上限，降低风机运行疲劳，保证风机运行安全。本系统算法在充分对比不同运行曲线的情况下，选择thrust、torque+powerlimited曲线输出，主要特点是载荷尖峰被削平，发电功率较优。
4.3 LQR控制闭环
基于LQR（线性二次型调节器）原则搭建转速控制闭环计算控制参数，从而实现最优化控制。针对3P/6P/9P干扰设计LTI（线性非时变）滤波器。有别于普通滤波器，LTI滤波器可针对变基准频率的变转速场合，适合应用于风机的主轴转速一直改变的控制。
结束语
依照文本的结论，通过plc技术设计可以有效提升风电场的发电量，且投入相对较少，收益可观，对于运行时间较长风电场的提质增效具有很好的借鉴意义。
参考文献：
[1]刘伟.风电机组传动系统维护与故障诊断[J].硅谷，2014（5）.
[2]白海存.风力发电机组批量性故障分析及处理[J].科技创新与应用，2016（4）.