基于PLC的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制

摘 要：由于傳統(tǒng)引風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)多采用定速運(yùn)行方式，無法根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)節(jié)，導(dǎo)致能耗較高且調(diào)節(jié)精度有限，因此本文提出基于PLC技術(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法。選擇SIEMENS S7-200型號(hào)PLC，并基于PLC的PID指令功能模塊，以爐膛內(nèi)負(fù)壓為控制目標(biāo)，計(jì)算輸出控制信號(hào)，將控制信號(hào)輸入變頻器中。變頻器根據(jù)該信號(hào)調(diào)整引風(fēng)機(jī)的電源頻率，從而改變?nèi)济喊l(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)方法不僅能夠保障燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的控制效果，還能顯著降低能耗，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；燃煤發(fā)電機(jī)組；引風(fēng)機(jī)；變頻調(diào)速

中圖分類號(hào)：TM 921" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引風(fēng)機(jī)是燃煤發(fā)電機(jī)組中的關(guān)鍵輔機(jī)之一，其主要功能是將燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣抽出，從而保證爐膛內(nèi)壓力呈穩(wěn)定狀態(tài)，煤料燃燒順利進(jìn)行。然而，傳統(tǒng)的定速運(yùn)行方式使引風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中無法根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整轉(zhuǎn)速，造成能量浪費(fèi)等問題，特別是在機(jī)組負(fù)荷變化較大的情況下，這種浪費(fèi)尤為明顯。因此，對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，對(duì)提高機(jī)組能效、減少能耗具有重要意義。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型節(jié)能手段，具有優(yōu)越的速度調(diào)節(jié)能力與電能節(jié)約效益，在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]針對(duì)感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速問題，提出一種基于虛擬阻抗的控制方法，可以提升電機(jī)變頻調(diào)速的穩(wěn)定性，但是該方法的實(shí)施效果受電機(jī)參數(shù)變化的影響，實(shí)際應(yīng)用中無法保障控制效果。文獻(xiàn)[2]針對(duì)異步電機(jī)變頻調(diào)速問題，設(shè)計(jì)了一種模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩的控制算法，可以有效降低電機(jī)運(yùn)行損耗，但是該方法的參數(shù)敏感性較高，實(shí)際應(yīng)用中的控制效果易受外界因素影響。文獻(xiàn)[3]針對(duì)礦用電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速問題，設(shè)計(jì)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(fù)雜的硬件設(shè)備，實(shí)際應(yīng)用中需要較高成本。盡管我國學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)變頻調(diào)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(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)控制應(yīng)用中仍存在一些問題和挑戰(zhàn)，因此本文提出一種基于可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法，期望能夠?yàn)殡娏π袠I(yè)節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

1 基于PLC技術(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制

1.1 PLC選型

可編程邏輯控制器（PLC）是一個(gè)注重實(shí)時(shí)操作和可靠運(yùn)行的數(shù)字化運(yùn)算系統(tǒng)，因此本文引入PLC技術(shù)進(jìn)行燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制[4]。本文綜合考慮燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制的實(shí)際需求，選擇SIEMENS S7-200型號(hào)PLC，它具有卓越的高性能、高可靠性以及易于編程的特點(diǎn)。不僅支持眾多類型擴(kuò)展模塊，而且提供了例如RS-485、以太網(wǎng)等多個(gè)通信接口，便于與其他設(shè)備間進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。針對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制的具體需求，本文詳細(xì)規(guī)劃了PLC的I/O接口分配信息，見表1。

在SIEMENS S7-200型號(hào)的PLC中，本文共設(shè)置了16個(gè)數(shù)字量的I/O點(diǎn)，完全能夠滿足燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制的實(shí)際需求。與此同時(shí)，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(shù)設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)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(diào)速控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和成本。

1.2 PID功能計(jì)算輸出控制信號(hào)

在SIEMENS S7-200 PLC中，PID指令功能模塊是實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速閉環(huán)控制的核心[5]。該模塊主要根據(jù)變頻器實(shí)際與期望輸出間的偏差信號(hào)計(jì)算相應(yīng)的控制量。在實(shí)際控制中，為了消除或減少這種偏差，需要進(jìn)行比例（P）、積分（I）和微分（D）等運(yùn)算。具體來說，在本文設(shè)計(jì)的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法中，以燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐的爐膛內(nèi)負(fù)壓為控制目標(biāo)，PID功能利用實(shí)際測量的爐膛負(fù)壓值與預(yù)設(shè)的負(fù)壓值間的偏差信號(hào)，如公式（1）所示。

ε（t）=X（t）-Y（t） （1）

式中：ε（t）表示燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐爐膛內(nèi)負(fù)壓的實(shí)際測量值X（t）與預(yù)設(shè)值Y（t）間的偏差信號(hào)。

基于公式（1）所求的爐膛內(nèi)負(fù)壓偏差信號(hào)，本文進(jìn)行了一系列算法運(yùn)算，以此獲取并輸出變頻器所需控制信號(hào)，如公式（2）所示。

（2）

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

公式（2）所求信號(hào)即可作為燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的控制信號(hào)。與此同時(shí)，為了更深入地理解PID控制器的動(dòng)態(tài)特性，本文先對(duì)控制律進(jìn)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(fù)變量；E（s）表示輸入量偏差信號(hào)的拉普拉斯變換。

進(jìn)而在公式（3）所示變換后的控制律基礎(chǔ)上，可以獲得一個(gè)如公式（4）所示的傳遞函數(shù)。

（4）

式中：F（s）表示控制器的傳遞函數(shù)；ηI、ηD分別表示積分與微分系數(shù)。

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(gè)參數(shù)的合理設(shè)置。因此，在實(shí)際的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制中，可以采用試錯(cuò)法進(jìn)行PID控制器參數(shù)整定，即觀察控制器在不同參數(shù)組合下的響應(yīng)，逐步調(diào)整ηP、ηI、ηD的值，直到達(dá)到滿意的控制效果。

最后，在PLC的PID指令功能模塊中設(shè)置最佳參數(shù)，根據(jù)上述公式實(shí)時(shí)計(jì)算控制量。當(dāng)實(shí)際爐膛負(fù)壓偏離預(yù)設(shè)值時(shí)，PID功能模塊會(huì)立即感知這一偏差，并根據(jù)預(yù)設(shè)的ηP、ηI、ηD值計(jì)算出相應(yīng)的控制信號(hào)，將該信號(hào)輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)（變頻器），用于調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.3 變頻器控制引風(fēng)機(jī)調(diào)速

當(dāng)PLC的PID指令功能模塊計(jì)算并輸出爐膛負(fù)壓的控制信號(hào)后，本文將該控制信號(hào)輸入變頻器中[6]。變頻器是連接燃煤發(fā)電機(jī)組電源與引風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)間的橋梁，其核心功能是根據(jù)外部控制信號(hào)調(diào)節(jié)輸出電源的頻率與電壓，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。一般來說，引風(fēng)機(jī)采用異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算如公式（5）所示。

V=60P（1-λ）/N （5）

式中：V表示引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；P表示引風(fēng)機(jī)電源的工頻；λ表示引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率（無量綱）；N表示引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

如公式（5）所示，燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速V與電源頻率P、轉(zhuǎn)差率λ和極對(duì)數(shù)N間存在明確的線性關(guān)系，因此改變其中一個(gè)參數(shù)，即可進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整。由于極對(duì)數(shù)N是個(gè)定值，當(dāng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)完成后就不再變化，而轉(zhuǎn)差率λ是個(gè)變化幅度極小的值，如果將這2個(gè)參數(shù)應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制中，無法取得理想控制效果，因此本文調(diào)整了電源頻率P，進(jìn)行燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線性控制。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)變頻器接收到S7-200 PLC的PID指令功能模塊計(jì)算輸出的控制信號(hào)后，即可根據(jù)該信號(hào)調(diào)整引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的電源頻率。具體來說，當(dāng)需要提升爐膛內(nèi)負(fù)壓時(shí)，PID輸出的控制信號(hào)會(huì)相應(yīng)增加，變頻器會(huì)根據(jù)這個(gè)控制信號(hào)確定需要提高的電源頻率，先利用整流器將相應(yīng)電量的工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再對(duì)其進(jìn)行濾波處理，進(jìn)而采用逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電，此時(shí)該交流電的頻率可控，輸入引風(fēng)機(jī)的異步電動(dòng)機(jī)中，能夠改變轉(zhuǎn)速，促使引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)符合設(shè)定要求。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

完成基于PLC技術(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法的理論設(shè)計(jì)后，本文以某250MW燃煤發(fā)電機(jī)組的引風(fēng)機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)而對(duì)比試驗(yàn)，其主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見表2。

基于上述試驗(yàn)對(duì)象，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性，設(shè)定的試驗(yàn)條件如下所示。保證燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐所取各工況煤質(zhì)基本穩(wěn)定；鍋爐燃用煤種為常用煤種；鍋爐安全燃燒，各個(gè)輔機(jī)均正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；主要輔機(jī)電度表均工作正常，試驗(yàn)前必須校準(zhǔn)引風(fēng)機(jī)電能表。在滿足以上試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國《電站鍋爐風(fēng)機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制試驗(yàn)。試驗(yàn)分為3組，分別采用基于PLC技術(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法（試驗(yàn)組方法）、基于模糊邏輯的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法（對(duì)照組一方法）和基于虛擬阻抗的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法（對(duì)照組二方法），同時(shí)記錄并對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 控制效果分析

為驗(yàn)證燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法的控制效果，設(shè)定爐膛負(fù)壓從0kPa升至0.7kPa，分別采用試驗(yàn)組方法和對(duì)照組中的2種方法進(jìn)行引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制，并在MATLAB軟件中生成爐膛負(fù)壓控制仿真曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出，在燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制中，試驗(yàn)組方法在快速性與準(zhǔn)確性上均優(yōu)于對(duì)照組中的2種方法，并且對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的適應(yīng)性也較好。具體來說，在燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐的爐膛壓力從0kPa升至0.7kPa的過程中，試驗(yàn)組方法僅需要經(jīng)150s即可將爐膛負(fù)壓穩(wěn)定在設(shè)定值，比對(duì)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(diào)量僅7.1%，比對(duì)照組分別降低了7.19%、12.9%。因此，基于PLC技術(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法是有效且優(yōu)越的，具有收斂速度快、上升和調(diào)節(jié)時(shí)間短等優(yōu)勢，該方法的控制效果比其他2種控制方式更理想。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)面對(duì)風(fēng)壓波動(dòng)時(shí)，該方法能夠迅速調(diào)整引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，進(jìn)而改進(jìn)燃燒條件。

2.3 節(jié)能效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法的節(jié)能效果，并避免試驗(yàn)結(jié)果的偶然性，本次試驗(yàn)選定純凝狀態(tài)下燃煤發(fā)電機(jī)組的50%、60%、70%、80%、90%、100%負(fù)荷作為試驗(yàn)負(fù)荷，在不同試驗(yàn)負(fù)荷下，分別采用試驗(yàn)組方法和對(duì)照組中的2種方法進(jìn)行引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制，統(tǒng)計(jì)并整理各方法控制下引風(fēng)機(jī)消耗的有功功率，如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著燃煤發(fā)電機(jī)組負(fù)荷工況不斷增加，在試驗(yàn)組方法和對(duì)照組中2種方法控制下，引風(fēng)機(jī)消耗的有功功率均呈上升狀態(tài)。但是在試驗(yàn)組方法下，引風(fēng)機(jī)的有功功率一直處于較低水平上。在最大250MW的燃煤發(fā)電機(jī)組負(fù)荷工況下，采用試驗(yàn)組方法控制引風(fēng)機(jī)時(shí)，僅消耗有功功率1586kW，比對(duì)照組中2種方法分別減少了85kW、103kW。因此，基于PLC技術(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法不僅能夠促使鍋爐爐膛內(nèi)部風(fēng)壓波動(dòng)減少，改進(jìn)鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性，而且能夠顯著提升引風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果。

3 結(jié)語

本文研究聚焦于燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制方法的探索與實(shí)踐，引入PLC技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅能夠提高燃煤發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，而且能夠顯著降低引風(fēng)機(jī)的能耗，為電力行業(yè)節(jié)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(yōu)化、系統(tǒng)魯棒性的提升等方面仍有待進(jìn)一步探索。未來，本文將繼續(xù)深化研究，探索更智能、高效的控制算法，以提高燃煤發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的性能。

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