風(fēng)機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1、風(fēng)機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的概述風(fēng)力發(fā)電機組是實現(xiàn)由風(fēng)能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程的裝置，風(fēng)輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風(fēng)能到機械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機和控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了從機械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的控制目標時，應(yīng)結(jié)合它們的運行方式重點實現(xiàn)以下控制目標：1. 控制系統(tǒng)保持風(fēng)力發(fā)電機組安全可靠運行，同時高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)。2. 控制系統(tǒng)采用計算機控制技術(shù)實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機組的運行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理，完成機組的最佳運行狀態(tài)管理和控制。3. 利用計算機智能控制實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制，定槳距恒速機組主要進行軟切入

2、、軟切出及功率因數(shù)補償控制，對變槳距風(fēng)力發(fā)電機組主要進行最佳尖速比和額定風(fēng)速以上的恒功率控制。4. 大于開機風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的條件下，風(fēng)力發(fā)電機組能軟切入自動并網(wǎng)，保證電流沖擊小于額定電流。對于恒速恒頻的風(fēng)機，當風(fēng)速在4-7 m/s之間，切入小發(fā)電機組（小于300KW）并網(wǎng)運行，當風(fēng)速在7-30 m/s之間，切人大發(fā)電機組（大于500KW）并網(wǎng)運行。主要完成下列自動控制功能：1）大風(fēng)情況下，當風(fēng)速達到停機風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)葉尖限速、脫網(wǎng)、抱液壓機械閘停機，而且在脫網(wǎng)同時，風(fēng)力發(fā)電機組偏航90。停機后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機組又可自動并入電網(wǎng)運行。2）為了避免小風(fēng)時發(fā)生

3、頻繁開、停機現(xiàn)象，在并網(wǎng)后10min內(nèi)不能按風(fēng)速自動停機。同樣，在小風(fēng)自動脫網(wǎng)停機后，5min內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。3）當風(fēng)速小于停機風(fēng)速時，為了避免風(fēng)力發(fā)電機組長期逆功率運行，造成電網(wǎng)損耗，應(yīng)自動脫網(wǎng)，使風(fēng)力發(fā)電機組處于自由轉(zhuǎn)動的待風(fēng)狀態(tài)。4）當風(fēng)速大于開機風(fēng)速，要求風(fēng)力發(fā)電機組的偏航機構(gòu)始終能自動跟風(fēng),跟風(fēng)精度范圍15。5）風(fēng)力發(fā)電機組的液壓機械閘在并網(wǎng)運行、開機和待風(fēng)狀態(tài)下，應(yīng)該松開機械閘，其余狀態(tài)下（大風(fēng)停機、斷電和故障等）均應(yīng)抱閘。6）風(fēng)力發(fā)電機組的葉尖閘除非在脫網(wǎng)瞬間、超速和斷電時釋放，起平穩(wěn)剎車作用。其余時間（運行期間、正常和故障停機期間）均處于歸位狀態(tài)。7）在大風(fēng)停機和超速停機的情況

4、下，風(fēng)力發(fā)電機組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖閘停機外，還應(yīng)該自動投入偏航控制，使風(fēng)力發(fā)電機組的機艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度，增加風(fēng)力發(fā)電機組脫網(wǎng)的安全度，待機艙轉(zhuǎn)約90后，機艙保持與風(fēng)向偏90跟風(fēng)控制，跟風(fēng)范圍15。8）在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下，風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)停止運行，此時控制系統(tǒng)不能供電。如果正在運行時風(fēng)力發(fā)電機組遇到這種情況，應(yīng)能自動脫網(wǎng)和抱閘停機，此時偏航機構(gòu)不會動作，風(fēng)力發(fā)電機組的機械結(jié)構(gòu)部分應(yīng)能承受考驗。9）風(fēng)力發(fā)電機組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)2.5 圈，系統(tǒng)已設(shè)計了正/反向扭纜計數(shù)器，超過時自動停機解纜，達到要求后再自動開機，恢復(fù)運行發(fā)電。10）風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)具有手動控制功

5、能（包括遠程遙控手操），手動控制時“自動”功能應(yīng)該解除，相反地投入自動控制時，有些“手動”功能自動屏蔽。11）控制系統(tǒng)應(yīng)該保證風(fēng)力發(fā)電機組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內(nèi)，一旦超過極限并出現(xiàn)危險情況，應(yīng)能自動處理并安全停機。二、控制系統(tǒng)的組成1. 電控系統(tǒng)從功能劃分主要包括正常運行控制、陣風(fēng)控制、最佳運行控制（最佳葉尖速比控制）、功率控制、安全保護控制、變槳距控制等部分。如圖1所示： 圖12. 從控制結(jié)構(gòu)上來劃分，電控系統(tǒng)可以分為以下四個部分，如圖2所示：1）電網(wǎng)級控制部分：主要包括總的有功和無功控制，遠程監(jiān)控等。2）整機控制部分：主要包括最大功率跟蹤控制，速度控制， 自動偏航控制等。3）變流

6、器部分：主要包括雙饋發(fā)電機的并網(wǎng)控制，有功無功解耦控制，亞同步和超同步運行控制等。4）變槳控制部分：又分為統(tǒng)一變槳控制和獨立變槳控制兩種，大型風(fēng)電機組大多采用了獨立變槳方式。（減少紊流對風(fēng)電機組的影響，平衡各個葉片的受力狀況以及系統(tǒng)安全保障冗余的考慮） 圖23. 在控制過程中，風(fēng)電機組將被控制在功率優(yōu)化區(qū)和功率限制區(qū)范圍內(nèi)，如圖3所示。1）功率優(yōu)化區(qū)：其中，區(qū)間A-B，C-D為固定轉(zhuǎn)速區(qū)；區(qū)間B-C為變速區(qū)， 在此區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)最佳葉尖速比控制。（運行點B,C的位置由風(fēng)電機組決定。）2）功率限制區(qū)：在此區(qū)間，通過變槳距的方式限制輸入功率為額定功率，但在陣風(fēng)控制時，輸入的瞬時功率會超過額定功率。在圖

7、3中，雙饋發(fā)電機的運行轉(zhuǎn)速范圍為：900轉(zhuǎn)/分-2000轉(zhuǎn)/分，額定轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)/分。當轉(zhuǎn)速在900轉(zhuǎn)/分-1800轉(zhuǎn)/分之間時，可以進行最佳葉尖速比控制；而高于1800轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速范圍用于陣風(fēng)控制，這樣不但可以減少陣風(fēng)對風(fēng)電機組主傳動鏈的沖擊，同時也可以降低對變槳距系統(tǒng)響應(yīng)速度的要求。 圖3 圖4 1.0兆瓦變速機組電控系統(tǒng) 圖5 1.0兆瓦變速機組電控系統(tǒng)圖6 1.5兆瓦變速機組電控系統(tǒng)三、控制系統(tǒng)主要參數(shù)（恒速恒頻）四、控制系統(tǒng)工作原理主開關(guān)合上后，風(fēng)力發(fā)電機組控制器準備自動運作。首先系統(tǒng)初始化，檢查控制程序、微控制器硬件和外設(shè)、傳感器來的脈沖及比較所選的操作參數(shù)，備份系統(tǒng)工作表，接

8、著就正式起動。起動的第一秒鐘內(nèi)，先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個計數(shù)器、輸出機構(gòu)初始工作狀態(tài)及晶閘管的開通角。所有這些完成后，風(fēng)力發(fā)電機組開始自動運行。用于風(fēng)輪的葉尖本來是90，現(xiàn)在恢復(fù)為0，風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動。計算機開始時刻監(jiān)測各個參數(shù)、輸入，判斷是否可以并網(wǎng)，判斷參數(shù)有否超過極限、執(zhí)行偏航、相位補償、機械制動或空氣制動。其中相位補償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在0.95-0.99之間。其詳細的控制系統(tǒng)工作原理流程框圖（見圖9-2）。五、風(fēng)力發(fā)電機組的基本控制策略(一) 風(fēng)力發(fā)電機組的工作狀態(tài) 風(fēng)力發(fā)電機組總是工作在如下狀態(tài)之一：運行狀態(tài)；暫停狀態(tài)；停機狀態(tài)；緊急停機狀態(tài)。每種工作狀態(tài)可看作風(fēng)力發(fā)電機組的一個活動

9、層次，運行狀態(tài)處在最高層次，緊停狀態(tài)處在最低層次。 為了能夠清楚地了解機組在各種狀態(tài)條件下控制系統(tǒng)是如何反應(yīng)的，必須對每種工作狀態(tài)作出精確的定義。這樣，控制軟件就可以根據(jù)機組所處的狀態(tài)，按設(shè)定的控制策略對調(diào)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、變槳距系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、晶閘管等進行操作，實現(xiàn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。 以下給出了四種工作狀態(tài)的主要特征及其簡要說明。(1) 運行狀態(tài)： 1)機械剎車松開； 2)允許機組并網(wǎng)發(fā)電； 3)機組自動調(diào)向； 4)液壓系統(tǒng)保持工作壓力；5)葉尖阻尼板回收或變槳距系統(tǒng)選擇最佳工作狀態(tài)；(2) 暫停狀態(tài)： 1)機械剎車松開； 2)液壓泵保持工作壓力； 3)自動調(diào)向保持工作狀態(tài)； 4)葉尖阻尼板回

10、收或變距系統(tǒng)調(diào)整槳葉節(jié)距角向90o方向； 5)風(fēng)力發(fā)電機組空轉(zhuǎn)。 這個工作狀態(tài)在調(diào)試風(fēng)力發(fā)電機組時非常有用，因為調(diào)試風(fēng)力機的目是要求機組的各種功能正常，而不一定要求發(fā)電運行。(3) 停機狀態(tài)： 1)機械剎車松開； 2)液壓系統(tǒng)打開電磁閥使葉尖阻尼板彈出，或變距系統(tǒng)失去壓力而實現(xiàn)機械旁路； 3)液壓系統(tǒng)保持工作壓力； 4)調(diào)向系統(tǒng)停止工作。(4) 緊急停機狀態(tài)： 1)機械剎車與氣動剎車同時動作； 2)緊急電路 (安全鏈) 開啟； 3)計算機所有輸出信號無效； 4)計算機仍在運行和測量所有輸入信號當緊停電路動作時，所有接觸器斷開，計算機輸出信號被旁路，使計算機沒有可能去激活任何機構(gòu)。 (二)工作狀

11、態(tài)之間轉(zhuǎn)變 定義了風(fēng)力發(fā)電機組的四種工作狀態(tài)之后，我們進一步說明各種工作狀態(tài)之間是如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。 按圖3-8箭頭所示，提高工作狀態(tài)層次只能一層一層地上升，而要降低工作狀態(tài)層次可以是一層或多層。這種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變方法是基本的控制策略，它主要出發(fā)點是確保機組的安全運行。如果風(fēng)力發(fā)電機組的工作狀態(tài)要往更高層次轉(zhuǎn)化，必須一層一層往上升，用這種過程確定系統(tǒng)的每個故障是否被檢測。當系統(tǒng)在狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中檢測到故障，則自動進入停機狀態(tài)。當系統(tǒng)在運行狀態(tài)中檢測到故障，并且這種故障是致命的，那么工作狀態(tài)不得不從運行直接到緊停，這可以立即實現(xiàn)而不需要通過暫停和停止。下面我們進一步說明當工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換時,系統(tǒng)是如何

12、工作的。1工作狀態(tài)層次上升 緊停停機 如果停機狀態(tài)的條件滿足，則：1)關(guān)閉緊停電路；2)建立液壓工作壓力；3)松開機械剎車。 停機暫停 如果暫停的條件滿足，則：1)起動偏航系統(tǒng)；2)對變槳距風(fēng)力發(fā)電機組，接通變槳距系統(tǒng)壓力閥。暫停運行 如果運行的條件滿足，則：1)核對風(fēng)力發(fā)電機組是否處于上風(fēng)向；2)葉尖阻尼板回收或變槳距系統(tǒng)投入工作；3)根據(jù)所測轉(zhuǎn)速，發(fā)電機是否可以切入電網(wǎng)。2工作狀態(tài)層次下降工作狀態(tài)層次下降包括3種情況：(1) 緊急停機。緊急停機也包含了3種情況，即：停止緊停；暫停緊停；運行緊停。其主要控制指令為：1)打開緊停電路；2)置所有輸出信號于無效；3)機械剎車作用；4)邏輯電路復(fù)位

13、。(2) 停機。停機操作包含了兩種情況，即：暫停停機；運行停機。暫停停機1)停止自動調(diào)向；2)打開氣動剎車或變槳距機構(gòu)回油閥 (使失壓)。 運行停機1)變槳距系統(tǒng)停止自動調(diào)節(jié)；2)打開氣動剎車或變槳距機構(gòu)回油閥 (使失壓)3)發(fā)電機脫網(wǎng)。(3) 暫停。主要控制指令為：1)如果發(fā)電機并網(wǎng)，調(diào)節(jié)功率降到0后通過晶閘管切出發(fā)電機；2)如果發(fā)電機沒有并入電網(wǎng)，則降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速至0。 (三) 故障處理 圖3-8所示的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程實際上還包含著一個重要的內(nèi)容：當故障發(fā)生時，風(fēng)力發(fā)電機組將自動地從較高的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到較低的工作狀態(tài)。故障處理實際上是針對風(fēng)力發(fā)電機組從某一工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到較低的狀態(tài)層次可能產(chǎn)生

14、的問題，因此檢測的范圍是限定的。 為了便于介紹安全措施和對發(fā)生的每個故障類型處理，我們給每個故障定義如下信息： 1 故障名稱； 2 故障被檢測的描述； 3 當故障存在或沒有恢復(fù)時工作狀態(tài)層次； 4 故障復(fù)位情況 (能自動或手動復(fù)位，在機上或遠程控制復(fù)位)。 (1)故障檢測?？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以檢測故障，故障由故障處理器分類，每次只能有一個故障通過，只有能夠引起機組從較高工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入較低工作狀態(tài)的故障才能通過。 (2)故障記錄。故障處理器將故障存儲在運行記錄表和報警表中。 (3)對故障的反應(yīng)。對故障的反應(yīng)應(yīng)是以下三種情況之一： 1)降為暫停狀態(tài)； 2)降為停機狀態(tài)

15、； 3)降為緊急停機狀態(tài)。 (4)故障處理后的重新起動。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)可能自動復(fù)位。 一般故障可以通過遠程控制復(fù)位，如果操作者發(fā)現(xiàn)該故障可接受并允許起動風(fēng)力發(fā)電機組，他可以復(fù)位故障。 有些故障是致命的，不允許自動復(fù)位或遠程控制復(fù)位，必須有工作人員到機組工作現(xiàn)場檢查，這些故障必須在風(fēng)力發(fā)電機組內(nèi)的控制面板上得到復(fù)位。 故障狀態(tài)被自動復(fù)位后10min將自動重新起動。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。 如果控制器出錯可通過自檢(WATCH DOG)重新起動。五、恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組控制系

16、統(tǒng)組成控制系統(tǒng)組成框圖，如圖9-1所示。這是定槳距雙速發(fā)電機型機組控制系統(tǒng)的組成，對于變槳距風(fēng)力發(fā)電機組只是發(fā)電機軟切人控制略有區(qū)別?？刂葡到y(tǒng)由微機控制器（ 包括監(jiān)控顯示運行控制器、并網(wǎng)控制器、發(fā)電機功率控制器）、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、控制輸出驅(qū)動電路模板（輸出伺服電動機、液壓伺服機構(gòu)、機電切換裝置）等系統(tǒng)組成。主要有空氣斷路器、控制切換接觸器、過電流、過電壓及避雷保護器件、電流、電壓及溫度的變換電路、發(fā)電機并網(wǎng)控制裝置、偏航控制系統(tǒng)、相位補償系統(tǒng)、停機制動控制裝置。傳感信號主要由信號接口電路完成，它們向計算機控制器提供電氣隔離標準信號。這些信號有模擬量20點、開關(guān)量60多點、頻率量10 多點

17、，信號的電壓和電流范圍一般為工業(yè)標準信號。1. 控制系統(tǒng)輸入信號系統(tǒng)監(jiān)測的參數(shù)有三相電壓、三相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)、輸出功率、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機繞組溫度、齒輪箱油溫、環(huán)境溫度、控制板溫度、機械制動閘片磨損及溫度、電纜扭絞、機艙振動、風(fēng)速儀和風(fēng)向標等。為了得到系統(tǒng)運行的情況，系統(tǒng)還需監(jiān)測各接觸器的開關(guān)、液壓閥壓力狀況、偏航運作和按鍵輸入等情況。而控制系統(tǒng)輸出控制的是并網(wǎng)晶閘管觸發(fā)、相補償、旁路接觸器的開合、空氣斷路器的開合、空氣制動、機械制動和偏航。這些控制輸出都需要狀態(tài)反饋，所以系統(tǒng)的輸入量包括20多點模擬量、10點頻率量、60 多點開關(guān)量。他們主要為系統(tǒng)的模擬輸入量：發(fā)電機和電網(wǎng)的三相電壓、三相電流和發(fā)電機繞組溫度、齒輪箱油溫、環(huán)境溫度、傳動機構(gòu)等旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的熱升溫度；頻率輸入量有風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、風(fēng)速儀、風(fēng)向儀，偏航正反向計數(shù)、扭纜正反向計數(shù)等；開關(guān)輸入量主要有按鍵信號16 個、制動閘片磨損、制動閘片熱、風(fēng)向標0、風(fēng)向標90、偏航順時針傳感、偏航逆時針傳感、機艙振動、偏航電動機過載、旁路接觸器