風(fēng)機(jī)控制及保護(hù)系統(tǒng)

1、V80-2000KW 風(fēng)機(jī)的控制和保護(hù) 系統(tǒng) 維斯塔斯 V80-2.0MW 是三葉片風(fēng)輪、主 動(dòng)偏航、上風(fēng)向的變槳距風(fēng)機(jī)。維斯塔斯 的V80-2.0MW 風(fēng)機(jī)風(fēng)輪直徑為80 米，發(fā)電 機(jī)額定功率為2.0MW。風(fēng)機(jī)采用了 OptiTip （最佳槳角）和 OptiSpeedTM （最佳轉(zhuǎn)速）技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)可使風(fēng)機(jī) 風(fēng)輪以不同轉(zhuǎn)速（RPM）運(yùn)行， 確保風(fēng)機(jī) 以額定功率或接近額定功率發(fā)電。 風(fēng)機(jī)的主要系統(tǒng)有變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)。 風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)的方式控制風(fēng)機(jī) 的運(yùn)行，并使運(yùn)行參數(shù)保持在它們的正常范圍內(nèi)。 控制系統(tǒng)包括控制和監(jiān)測(cè)兩部分，

2、控制部分又分 為手動(dòng)和自動(dòng)。運(yùn)行人員可在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要進(jìn)行 手動(dòng)控制，自動(dòng)控制應(yīng)該在無(wú)人值守的條件下實(shí) 施運(yùn)行人員設(shè)置的控制策略，保證機(jī)組正常安全 運(yùn)行。監(jiān)測(cè)部分將各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)送到 控制器，經(jīng)過(guò)處理作為控制參數(shù)或作為原始記錄 儲(chǔ)存起來(lái)，在機(jī)組控制器的顯示屏上可以查詢(xún)。 控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是能自動(dòng)控制風(fēng)電機(jī) 組依照其特性運(yùn)行，自動(dòng)檢測(cè)故障，并根 據(jù)情況采取相應(yīng)的措施。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的 結(jié)構(gòu)載荷狀態(tài)、風(fēng)況、變槳變速風(fēng)電機(jī)組 的特點(diǎn)及其他外部條件，將風(fēng)電機(jī)組的運(yùn) 行情況分為以下幾類(lèi)：待機(jī)狀態(tài)、發(fā)電狀 態(tài)、大風(fēng)停機(jī)狀態(tài)、故障停機(jī)狀態(tài)、人工 停機(jī)狀態(tài)和緊急停機(jī)狀態(tài)。 控制系統(tǒng)利用DSP微處理機(jī)，在

3、正常運(yùn)行 狀態(tài)下，主要通過(guò)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中模擬量和 開(kāi)關(guān)量的采集、傳輸、分析，來(lái)控制風(fēng)電 機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率：如發(fā)生故障或其他異 常情況時(shí)能自動(dòng)的檢測(cè)、分析并確定原因， 自動(dòng)調(diào)整、排除故障或進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。 控制系統(tǒng)包括控制器和處理器。 風(fēng)機(jī)控制器稱(chēng)為維斯塔斯多處理器控制器 （VMP控制器），它包括一臺(tái)地面控制器、 一個(gè)用于VCS 控制器的控制板（VPC）、 一臺(tái)頂部控制器和一臺(tái)輪轂控制器，VCS 控制器和頂部控制器位于機(jī)艙內(nèi)，一條電 源/信號(hào)線(xiàn)和一條通信光纖將它們相連接。 VMP控制器連續(xù)收集有關(guān)風(fēng)機(jī)性能的如下參 數(shù)： 風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)速度、風(fēng)速、液壓壓力、溫 度、功率和發(fā)電量、槳距。 如果出現(xiàn)異?；蝈e(cuò)

4、誤，數(shù)據(jù)將被保存在操 作日志中和報(bào)警日志中，以便可以分析風(fēng) 機(jī)內(nèi)或電網(wǎng)的錯(cuò)誤。 地面控制器只包含地面處理器。該處理器與操作 面板集成。 在機(jī)艙內(nèi)，VCS 控制器和頂部控制器位于各自的 控制器柜內(nèi)。 頂部控制器運(yùn)行機(jī)艙內(nèi)事件，例如： 速度、偏航 和內(nèi)部溫度控制。 VCS控制發(fā)電機(jī)的切入和切出、電流和電壓的測(cè) 量和變頻器控制。 輪轂控制器監(jiān)視和控制變槳系統(tǒng)，包括控制全順 槳閥。 風(fēng)機(jī)處理器由輪轂處理器、頂部處理器、 地面處理器和VCP處理器(變頻處理器)構(gòu)成。 輪轂處理器功能： 輸入三個(gè)變槳系統(tǒng)的槳距角 輸入輪轂控制器和輪轂內(nèi)的溫度 輸入輪轂內(nèi)液壓控制信號(hào) 輸出到變槳系統(tǒng)閥 計(jì)算溫度、風(fēng)、發(fā)電機(jī)和

5、風(fēng)輪速度、槳距位置、液壓和風(fēng) 向 監(jiān)視變槳系統(tǒng)故障 輸入/計(jì)算/登記，雷電檢測(cè)系統(tǒng) 輸出GPS時(shí)間到頂部處理器，以實(shí)現(xiàn)與風(fēng)機(jī)時(shí)間同步 頂部處理器功能： 輸入溫度、發(fā)電機(jī)和風(fēng)輪速度、液壓、風(fēng)速和風(fēng) 向 輸入來(lái)自偏航控制、振動(dòng)、煙霧探測(cè)器等數(shù)字信 號(hào) 用于液壓泵和液壓冷卻的輸出 用于齒輪油冷卻/加熱和偏航的輸出 用于發(fā)電機(jī)冷卻/加熱的輸出 計(jì)算溫度、風(fēng)、發(fā)電機(jī)和風(fēng)輪速度、液壓和風(fēng)向 控制和檢查航空障礙 控制和檢查HELI起重機(jī) 輸出模擬信號(hào) 控制液壓系統(tǒng)（泵和閥） 控制自動(dòng)偏航系統(tǒng) 控制齒輪油、發(fā)電機(jī)和變頻器冷卻系統(tǒng) 控制機(jī)艙冷卻系統(tǒng) 與機(jī)艙內(nèi)操作面板通信 部分根據(jù)從輪轂和VCP處理器收到的數(shù)據(jù)，

6、監(jiān)視 風(fēng)機(jī)故障 安全系統(tǒng)：緊急停止，監(jiān)視器和超速保護(hù)(VOG)。 地面處理器功能： 監(jiān)視風(fēng)機(jī)故障，部分根據(jù)從頂部、輪轂和 VCP處理器收到的數(shù)據(jù) 與操作面板和遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)通信 控制和檢查高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備 監(jiān)視UPS 安全系統(tǒng)：緊急停止 VCP處理器功能： 登記/計(jì)算電流、電壓、功率、頻率和過(guò)零 檢測(cè) 控制和監(jiān)督變頻器 與地面/頂部處理器通信 對(duì)風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)和監(jiān)督。 并網(wǎng)發(fā)電時(shí)使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)同步，以限制浪涌電 流。 在各種故障情況下對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行操作。 機(jī)艙的自動(dòng)偏航。 OptiTip - 葉片變槳距控制。 噪聲控制。 監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境條件。 監(jiān)測(cè)電網(wǎng)。 功率范圍 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 接通電負(fù)荷 啟動(dòng)或關(guān)機(jī)

7、的過(guò)程 電網(wǎng)或負(fù)荷虧損時(shí)的關(guān)機(jī) 電纜線(xiàn)嚴(yán)重纏繞 風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)調(diào)節(jié) 由于風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)失效或內(nèi)部及外部損傷 或當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)不能保持正常工作 時(shí)，風(fēng)機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)起作用。 控制系統(tǒng)和一個(gè)獨(dú)立的可編程的安全繼電 器均可控制保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)和保護(hù) 系統(tǒng)出現(xiàn)沖突時(shí)，保護(hù)功能更優(yōu)先于控制 功能 。 超速 發(fā)電機(jī)超載或出現(xiàn)故障 過(guò)分震動(dòng) 電網(wǎng)失電、負(fù)載丟失時(shí)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)的關(guān)機(jī)故 障 電纜線(xiàn)非正常纏繞（由于偏航機(jī)艙旋轉(zhuǎn)造 成） 短路保護(hù) 過(guò)速保護(hù) 電磁兼容系統(tǒng) 雷電保護(hù)系統(tǒng) 接地保護(hù) 防腐蝕保護(hù) 短路保護(hù)應(yīng)能保證當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，或接近 于短路電流數(shù)值的電流出現(xiàn)時(shí)，可靠地切 斷電源。 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和主軸轉(zhuǎn)速由感應(yīng)式

8、傳感器進(jìn)行記錄， 并由風(fēng)機(jī)控制器進(jìn)行計(jì)算以防止出現(xiàn)過(guò)速和轉(zhuǎn)動(dòng) 故障。 風(fēng)機(jī)裝備有Vestas 過(guò)速保護(hù)（VOG）裝置，該裝 置是由一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)模塊來(lái)負(fù)責(zé)測(cè)量風(fēng)輪轉(zhuǎn) 速。一旦出現(xiàn)過(guò)速情況，Vestas 過(guò)速保護(hù)裝置將 激活三個(gè)葉片的緊急順槳位置（全順槳）。 觸發(fā)條件：20.8 rpm (風(fēng)輪轉(zhuǎn)速) / 2092 rpm(發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)速) 發(fā)電機(jī)RPM(轉(zhuǎn)速)和主軸(轉(zhuǎn)速)由風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng) 記錄和計(jì)算。風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分通過(guò)這種方式進(jìn)行 保護(hù)以防過(guò)速和旋轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。 萬(wàn)一控制系統(tǒng)未能控制風(fēng)輪速度，獨(dú)立的保護(hù)系 統(tǒng)必須使風(fēng)機(jī)停機(jī)。 外部過(guò)速監(jiān)控是 VOG（維斯塔斯過(guò)速保護(hù)）。 VOG 安裝于頂部控制器總成

9、上。 主軸和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由感應(yīng)傳感器記錄，理論上 說(shuō)就相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，這個(gè)開(kāi)關(guān)在鐵質(zhì)物體經(jīng)過(guò) 時(shí)就關(guān)閉。 測(cè)量發(fā)電機(jī)高速軸轉(zhuǎn)速的感應(yīng)式傳感器位于剎車(chē) 盤(pán)上，由24VDC 電源供電,信號(hào)類(lèi)型是PNP。 雷電保護(hù)系統(tǒng)（LPS）由三個(gè)主要部分成： 雷電接收器。 下引線(xiàn)系統(tǒng)。 接地系統(tǒng)。 全面的雷電保護(hù)分為外部和內(nèi)部保護(hù)系統(tǒng)， 考慮了直接遭遇雷擊的后果 每塊葉片上安裝一組接收器，并通過(guò)葉片 軸承的內(nèi)環(huán)電氣連接到輪轂上。按照II級(jí)雷 電保護(hù)等級(jí)的要求，主要的雷電電流通路 上的設(shè)計(jì)雷電電流峰值為150kA。 系統(tǒng)中使用的被附在封閉式開(kāi)關(guān)柜上的金屬 排與就地的等電位連接導(dǎo)體相連,反過(guò)來(lái)也 與雷電保護(hù)裝置中的

10、等電位連接導(dǎo)體相連。 特別是將有危險(xiǎn)的電纜防護(hù)起來(lái)并與就地 的等電位連接導(dǎo)體連接在一起。 接地系統(tǒng)應(yīng)該在建造地基時(shí)進(jìn)行安裝。至 少要從地基的接地極引出三個(gè)接頭連到塔 架的基座法蘭。這些接頭分布在基座法蘭 的整個(gè)周?chē)?，而這些接頭與法蘭是電氣連 接的。 Vestas 接地系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)： 高壓系統(tǒng)。 低壓系統(tǒng)。 防雷保護(hù)系統(tǒng)。 基礎(chǔ)接地。 風(fēng)機(jī)之間接地。 維斯塔斯接地系統(tǒng)由若干個(gè)互相連接的獨(dú)立接地 電極構(gòu)成，被用作安全接地以及功能接地。 維斯塔斯接地系統(tǒng)既是高電壓系統(tǒng)、低電壓系統(tǒng) 的接地系統(tǒng)，也是避雷保護(hù)系統(tǒng)的接地系統(tǒng)。而 且也是風(fēng)場(chǎng)內(nèi)高壓配電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)。 就風(fēng)機(jī)的避雷保護(hù)而言，維斯塔斯對(duì)

11、到本系統(tǒng)遠(yuǎn) 方大地的最低電阻（以歐姆計(jì)）沒(méi)有要求。用于 避雷保護(hù)系統(tǒng)的接地是基于維斯塔斯接地系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)和施工而設(shè)計(jì)的。 維斯塔斯避雷保護(hù)系統(tǒng)的主要部件是主接 地母線(xiàn)排，該母線(xiàn)排安裝在所有電纜進(jìn)入 風(fēng)機(jī)的入口位置，所有接地電極都連接到 這個(gè)主接地母線(xiàn)排。此外，所有進(jìn)入或引 出風(fēng)機(jī)的電纜都進(jìn)行等電位連接。 防腐蝕保護(hù)是根據(jù)周?chē)沫h(huán)境條件而設(shè)計(jì) 的。其策略是：根據(jù)外邊大氣溫度情況， 加熱機(jī)艙內(nèi)空氣，以降低相對(duì)濕度，幫助 保證防腐等級(jí)可控。 機(jī)艙處理器 (K900) （看門(mén)狗、偏航傳感器、 振動(dòng)傳感器）。 維斯塔斯超速保護(hù)裝置（VOG）（K405）。 剎車(chē)裝置里的熱敏電阻(K207)監(jiān)控剎車(chē)片。 所

12、有接觸器線(xiàn)圈的線(xiàn)圈電壓（K1920A）。 主緊急接觸器（K1920B）。 偏航系統(tǒng)主緊急接觸器（K1921）。 發(fā)電機(jī)和變頻器的主緊急接觸器 （K1923A+B）。 緊急變槳系統(tǒng)的主緊急接觸器 （K1924A+B）。 控制系統(tǒng)的反饋（K903）。 當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)打開(kāi)時(shí)，緊急變槳系統(tǒng)啟動(dòng)， 發(fā)電機(jī)斷開(kāi)。包括偏航系統(tǒng)在內(nèi)的所有主 緊急接觸器斷開(kāi)。安全系統(tǒng)通知頂部控制 器安全系統(tǒng)已經(jīng)打開(kāi)的事實(shí)。當(dāng)保護(hù)系統(tǒng) 啟動(dòng)時(shí)，高速軸（HSS）剎車(chē)未啟動(dòng)。 當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將自動(dòng)地從較 高的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到較低的工作狀態(tài)。故 障處理實(shí)際上是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從某一 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到較低的狀態(tài)層次可能產(chǎn)生 的問(wèn)題，

13、因此檢測(cè)的范圍是限定的。 為了便于介紹安全措施和對(duì)發(fā)生的每個(gè)故障類(lèi)型處理，我 們給每個(gè)故障定義如下信息： 1 故障名稱(chēng)； 2 故障被檢測(cè)的描述； 3 當(dāng)故障存在或沒(méi)有恢復(fù)時(shí)工作狀態(tài)層次； 4 故障復(fù)位情況 (能自動(dòng)或手動(dòng)復(fù)位，在機(jī)上或遠(yuǎn)程控制 復(fù)位)。 （1）故障檢測(cè)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)在頂部和地面的處理器都能夠 掃描傳感器信號(hào)以檢測(cè)故障，故障由故障處理器分類(lèi)，每 次只能有一個(gè)故障通過(guò)，只有能夠引起機(jī)組從較高工作狀 態(tài)轉(zhuǎn)入較低工作狀態(tài)的故障才能通過(guò)。 （2）故障記錄。故障處理器將故障存儲(chǔ)在運(yùn)行記錄表和 報(bào)警表中。 （3）對(duì)故障的反應(yīng)。對(duì)故障的反應(yīng)應(yīng)是以下 三種情況之一： 1)降為暫停狀態(tài)； 2)降為停

14、機(jī)狀態(tài)； 3)降為緊急停機(jī)狀態(tài)。 （4）故障處理后的重新起動(dòng) 在故障已被接受之前，工作狀態(tài)層不可能任意上升。 故障被接受的方式如下： 如果外部條件良好，一些外部原因引起的故障狀態(tài)可 能自動(dòng)復(fù)位。 一般故障可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制復(fù)位，如果操作者發(fā)現(xiàn)該 故障可接受并允許起動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，他可以復(fù)位故障。 有些故障是致命的，不允許自動(dòng)復(fù)位或遠(yuǎn)程控制復(fù)位， 必須有工作人員到機(jī)組工作現(xiàn)場(chǎng)檢查，這些故障必須在風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組內(nèi)的控制面板上得到復(fù)位。 故障狀態(tài)被自動(dòng)復(fù)位后10min將自動(dòng)重新起動(dòng)。 但一天發(fā)生次數(shù)應(yīng)有限定，并記錄顯示在控制面 板上。 如果控制器出錯(cuò)可通過(guò)自檢系統(tǒng)(WATCH DOG)檢測(cè)到故障并重新

15、起動(dòng)。 單擊 保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)有一個(gè)或多個(gè)能使風(fēng)輪由任意 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入停止或空轉(zhuǎn)狀態(tài)的裝置（機(jī) 械的、電動(dòng)的、氣動(dòng)的）。它們之中至少 有一個(gè)必須作用在低速軸上或風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪 上。須提供使風(fēng)輪在小于切出風(fēng)速的任意 風(fēng)速下由危險(xiǎn)的空轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為完全禁止?fàn)?態(tài)的方法。按緊急停機(jī)按鈕后，解除要求 應(yīng)有恰當(dāng)?shù)膭?dòng)作。緊急停機(jī)的解除不能導(dǎo) 致機(jī)組重新啟動(dòng)，啟動(dòng)須單獨(dú)進(jìn)行。 應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行檢查，以減少潛在失效造成的危險(xiǎn)。 無(wú)安全壽命期的零件或裝置，對(duì)可能傷害它的環(huán) 境和它自身狀態(tài)應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè);它們的失效應(yīng)引起機(jī) 器關(guān)機(jī)。有安全壽命設(shè)計(jì)的零件應(yīng)定期檢查。 能超越自動(dòng)控制系統(tǒng)使機(jī)器關(guān)機(jī)的緊急停機(jī)按鈕， 在每個(gè)重要的位置都應(yīng)設(shè)置。

16、（地面控制柜、機(jī) 艙控制柜、偏航環(huán)、主軸座） 保護(hù)功能和控制功能沖突時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮保護(hù)功 能。 由于內(nèi)部故障，或因達(dá)到風(fēng)力機(jī)安全極限發(fā)生跳 閘時(shí)，風(fēng)力機(jī)不應(yīng)自動(dòng)啟動(dòng)。 風(fēng)機(jī)裝備有一個(gè)超聲波風(fēng)傳感器（FT風(fēng)傳 感器），并配有內(nèi)置加熱器。它是集風(fēng)速 風(fēng)向傳感器于一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、小巧 的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)加熱補(bǔ)償，適用于低溫、 潮濕、沙石環(huán)境。 FT風(fēng)傳感器為風(fēng)機(jī)偏轉(zhuǎn) 控制（風(fēng)向）和風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)與關(guān)閉（風(fēng)速） 提供測(cè)量數(shù)據(jù)。 FT傳感器是風(fēng)機(jī)的基本組成部分。 它可以 測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，并把測(cè)量結(jié)果發(fā)給VMP （維斯塔斯多處理器）控制器。 VMP控制器根據(jù)所收到的測(cè)量結(jié)果控制偏 航齒輪將風(fēng)機(jī)偏轉(zhuǎn)入合適的方向。而且 VMP控制器使用風(fēng)速數(shù)據(jù)控制變槳系統(tǒng)以 優(yōu)化風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，如果風(fēng)速超過(guò)25m/s，則通 過(guò)變槳停止風(fēng)機(jī)。 FT的原理為“聲共