風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)介紹

XE82-2000風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)介紹

2/3/20231一、XE82風力發(fā)電機組的組成和工作原理二、風力發(fā)電機組的輸出功率三、XE82風機控制系統(tǒng)的功能及組成四、XE82風機安全系統(tǒng)介紹五、BachmannM1PLC系統(tǒng)特點主要內(nèi)容2/3/20232一XE82風力發(fā)電機組的組成和

工作原理XE82風力發(fā)電機組的組成

XE82風力發(fā)電機組由葉輪、主軸承、同步發(fā)電機、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、變頻器、變壓器及其他輔助部件組成。工作原理葉輪將風能轉(zhuǎn)化為機械能，首先通過主軸承將機械能傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)化為電能，再通過風力機專用變頻器將發(fā)電機發(fā)出的頻率和幅值變化的交流電轉(zhuǎn)化為頻率和幅值均恒定的交流電，然后通過升壓變壓器轉(zhuǎn)化成風電場需要的電壓，最后通過變電站送入電網(wǎng)；為使葉輪能夠最大限度地獲得風能，需要使葉輪時刻處于迎風方向。偏航驅(qū)動系統(tǒng)的作用就是不斷調(diào)整機艙方向，使得風電機組在發(fā)電時，其葉輪始終處于迎風方向；當風速高于額定風速時，為了保證風力發(fā)電機工作在額定功率狀態(tài)，需要調(diào)整葉片的角度以使葉輪得到的風能與發(fā)電機的額定功率相匹配。變槳系統(tǒng)的作用就是在風速高于額定風速時，通過調(diào)節(jié)葉片角度使發(fā)電機始終工作在額定狀態(tài)。

2/3/20233二風力發(fā)電機組的輸出功率Pr風輪吸收的功率，Wρ

空氣密度，kg/m3R風輪的半徑，mV風速，m/sCp風力機的功率系數(shù)β槳距角λ葉尖速比（λ=Vtip/Vwind=ωR/V）ω風輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/sVtip

風輪葉尖速度，m/s由于空氣密度、葉輪半徑及風速均為不可控值，唯一可以控制的參量就是風力機功率系數(shù)（風能利用系數(shù)）Cp，其理論極限值為0.593。若在任何風速下，風機都運行在最大Cp值下，則可增加其輸出功率。2/3/20234三XE82風機控制系統(tǒng)的功能及組成風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的功能自動或手動啟動和停止風力發(fā)電機組；葉片變漿控制實現(xiàn)風機的功率限制和輪轂轉(zhuǎn)速限制；偏航控制實現(xiàn)風機最大面積迎風；風速和風向監(jiān)測；風機保護系統(tǒng)；緊急保護系統(tǒng)以及周期性緊急系統(tǒng)檢查；2/3/20235各種監(jiān)控功能（發(fā)電機定子溫度、軸承溫度、控制箱溫度、變漿電機溫度、電池等）；與變頻器控制系統(tǒng)的CANOPEN通訊和控制；輔助控制功能（油脂泵、維護剎車、鎖緊銷、冷卻風扇等）；操作界面接口：與本地操作界面通訊；2/3/20236風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的組成塔基控制柜

風機各控制功能、中央處理CPU及通訊風機本地監(jiān)控和操作機艙控制柜

機艙CAN主站主控制系統(tǒng)的遠程I/O站偏航控制及其他輔助控制功能輪轂控制柜

輪轂CAN從站變槳控制及其他輔助控制功能

2/3/20237風機控制系統(tǒng)框圖2/3/20238塔基控制柜（風力發(fā)電機主控柜）安裝在風力發(fā)電機的塔筒底部，用以實現(xiàn)風力發(fā)電機組的啟動和停機、偏航控制、輔助控制、保護和監(jiān)控，并且實現(xiàn)風機變漿控制、偏航控制和變頻器控制的協(xié)調(diào)；機艙控制柜安裝在風力發(fā)電機的機艙內(nèi)，主要處理機艙里的I/O信號，用以實現(xiàn)偏航控制、機艙的輔助控制、塔筒加速度監(jiān)控和發(fā)電機保護監(jiān)控；控制柜介紹2/3/20239輪轂控制柜安裝在風力發(fā)電機的輪轂內(nèi)，主要處理輪轂里的I/O信號，用以實現(xiàn)風機的變漿控制、輪轂輔助控制和緊急變漿； 風機主控系統(tǒng)柜和機艙控制柜的連接是通過光纖完成，它具有抗電磁干擾，且傳輸時間以微秒計的特性，與背板傳輸?shù)臅r間相當。機艙控制柜和輪轂控制柜的連接是通過滑環(huán)完成，采用的通訊協(xié)議是CANopen，通訊速率為500Kbits/s。2/3/202310 變頻器與主控系統(tǒng)的通訊也是采用通訊速率為500Kbits/s的CANopen通訊協(xié)議，使用的連接線是屏蔽銅電纜。 變頻器控制系統(tǒng)不是風機控制系統(tǒng)的一部分，它是一個自動控制系統(tǒng)，變頻器開關(guān)的閉合/斷開命令以及轉(zhuǎn)矩和速度給定是從風機主控系統(tǒng)發(fā)送到變頻器的，變頻器可以發(fā)送一個故障請求使風機停機。 本地操作面板的觸摸屏也不是風機控制和安全系統(tǒng)的一個非常重要的部件，這也就意味著觸摸屏關(guān)閉也不會影響風機的控制和安全系統(tǒng)，但一般情況下觸摸屏需要正常工作。2/3/202311

塔基控制柜組成1.PLC主站2.RTU（遠程接口單元）3.工業(yè)以太網(wǎng)交換機4.UPS電源5.觸摸屏（本地監(jiān)控及操作）6.各種按鈕、指示燈、小型斷路器、繼電器、加熱元件及端子板等

塔基控制柜2/3/202312PLC主站系統(tǒng)

⑴

CPU模塊（帶有以太網(wǎng)接口和CANMASTER接口）

.機組控制

.變頻器控制（CANBUS和硬接線）

.與RTU進行數(shù)據(jù)交換⑵

FM模塊（FASTBUS總線通訊模塊）

.與機艙PLC從站進行數(shù)據(jù)交換⑷

DI/O模塊

.處理各種外部開關(guān)量輸入/輸出，如：風機起動/停車、復位、變壓器各個開關(guān)的狀態(tài)、變頻器及冷卻裝置等外部開關(guān)信號⑸

AI/O模塊

.處理各種外部模擬量信號，如：變頻器冷卻裝置的入口和出口水壓、變壓器溫度等⑹

空模塊2/3/202313主控柜本地監(jiān)控系統(tǒng)(觸摸屏)

風力發(fā)電機本地參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示風速、轉(zhuǎn)速等信息概覽

啟動條件及步驟參數(shù)列表最近100次事件報告輪轂參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示機艙參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示發(fā)電機狀態(tài)顯示變頻器及水冷系統(tǒng)狀態(tài)顯示及參數(shù)設(shè)置電網(wǎng)狀態(tài)顯示發(fā)電量統(tǒng)計(年\月\日)(有功電量/無功電量)

可利用率統(tǒng)計風機運行時間統(tǒng)計故障及報警事件2/3/202314機艙控制柜 機艙控制柜組成1.機艙PLC站

電源模塊

FASTBUS從站模塊

CANBUS主站模塊以太網(wǎng)模塊（本地PC維護接口）

DIOAIO模塊2.塔基X-Y振動傳感器單元

3.緊急故障繼電器4.各種斷路器、繼電器、開關(guān)等2/3/202315機艙控制柜主要功能手動/自動偏航控制（包括液壓剎車）氣象站數(shù)據(jù)檢測（風速、風向、溫度）潤滑系統(tǒng)控制（主軸承、偏航軸承）發(fā)電機定子溫度及氣隙溫度檢測和保護煙霧檢測及報警扭纜檢測及控制與塔基PLC主站（FASTBUS）及輪轂PLC從站（CAN）通訊本地調(diào)試及維護接口2/3/202316輪轂操作盤TURN模式操作系統(tǒng)緊急停車輪轂鎖定操作輪轂維護進入顯示

2/3/202317輪轂控制柜六邊形柜體,分3個部分,每個部分負責一個葉片輪轂PLC站

CANSLAVE模塊輪轂轉(zhuǎn)速編碼器模塊葉片角度編碼器模塊

I/O模塊(DIO,AIO)伺服驅(qū)動單元緊急變槳蓄電池及監(jiān)視單元緊急變槳模塊超速保護繼電器小型斷路器,各種繼電器及端子板各種按鈕,指示燈及維護開關(guān)2/3/202318輪轂控制柜功能變槳及緊急收槳控制緊急收槳系統(tǒng)在線檢測超速保護輪轂速度檢測變槳軸承和變槳齒輪潤滑控制輪轂溫度監(jiān)視2/3/202319滑環(huán)裝置

滑環(huán)裝置的作用1.輪轂供電傳輸2.CAN總線傳輸3.超速傳感器安裝4.輪轂轉(zhuǎn)速傳感器安裝2/3/202320油脂泵裝置潤滑裝置主要由油脂泵、分配器、管路、油嘴等組成。輪轂內(nèi)的潤滑系統(tǒng)自動潤滑變槳軸承和變槳齒輪。變槳軸承（紅色）及變槳齒輪油脂（棕色）。2/3/202321鎖緊銷

輪轂（轉(zhuǎn)子）的制動和鎖緊：轉(zhuǎn)子的制動和鎖緊裝置主要由稀油液壓站，管路、盤式制動執(zhí)行機構(gòu)、液壓鎖緊銷等組成。風機運行過程中，當平均風速高于設(shè)定值或瞬時風速超過設(shè)定值時，輪轂處于制動或鎖緊狀態(tài)。在風機葉輪里進行檢查維護工作時，必須保證制動銷插上，使輪轂處于鎖緊狀態(tài)。2/3/202322終端限位開關(guān)主要用于變槳剎車保護2/3/202323避雷裝置主要用于雷電時提供雷電電流通道2/3/202324風速及風向傳感器風速計工作原理：風速計內(nèi)部裝有一運動軸承，與軸承連接處有一個帶有32個均勻分布孔的圓柱，這個圓柱帶有光學感應開關(guān)的發(fā)光二極管和光敏三極管。隨著軸承的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生一系列的脈沖序列信號，此脈沖信號與風速成一定的比例。利用一個積分器將脈沖信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號可以被解析成4-20mA的輸出信號。XE82風機所采集的是直接發(fā)生的脈沖信號，其脈沖頻率為10Hz。風向標工作原理：風向標內(nèi)部裝有一個6位的格雷碼盤，利用光學原理，風向標的角度可以實現(xiàn)0-359°的監(jiān)測。格雷碼盤的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部處理，變成一個二進制碼。此二進制碼被D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬電壓，最后被轉(zhuǎn)換成4-20mA信號輸出。2/3/202325偏航扭纜傳感器扭纜傳感器的組成：傳感器內(nèi)部裝有一個4.7KOhm的電位計和2個帶有凸輪的限位開關(guān)。主要作用：用來限制風機的偏航以保護電纜，風機設(shè)定的偏航角度為900°，當風機往同一方向偏航900°以后就會發(fā)出停機并解纜命令。2/3/202326變頻器及水冷裝置變頻器主要作用：將永磁發(fā)電機發(fā)出頻率無規(guī)則的電能轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)相匹配的電能饋入電網(wǎng)。水冷裝置作用：主要用來冷卻變頻器，將變頻器內(nèi)部的溫度降低以保證變頻器的正常運行。2/3/202327四XE82風機安全系統(tǒng)介紹風機安全系統(tǒng)的主要功能是維持風機在一個安全條件下。它阻止風機超速并且在發(fā)生故障、外部條件達到運行極限、自動重啟、或按下緊急停機時，使葉片回到順漿位置。對于XE82，必須使用兩個獨立的安全系統(tǒng)，且這兩個安全系統(tǒng)都是基于全范圍變漿控制系統(tǒng)。第一個安全系統(tǒng)使用一個直流伺服驅(qū)動器作為每個直流伺服電機的供電裝置。第二個安全系統(tǒng)使用電池作為每個直流伺服電機的供電裝置。2/3/202328兩個系統(tǒng)的切換功能通過緊急控制模塊控制，每個葉片有一個緊急控制模塊，它包括1個看門狗定時器，1個需要常變量脈沖的裝置（24V，看門狗周期為300ms）以確保接觸器開關(guān)在直流伺服電機驅(qū)動位置，一旦連續(xù)5個周期（1.5s）脈沖信號丟失，這個開關(guān)就會激活。在發(fā)生下列緊急情況下，看門狗信號丟失并且轉(zhuǎn)由電池向變漿電機供電：（1）PLC程序進入死循環(huán)，或沒有反應；（2）變漿伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障，包括角度或位置編碼器故障、驅(qū)動器故障、葉片位置偏差過大及變漿超時；2/3/202329（3）電網(wǎng)故障；（4）緊急按鈕按下；（5）獨立超速保護繼電器檢測到超速；（6）PLC遠程I/O故意撤銷看門狗信號，強迫發(fā)生一個故障以激發(fā)第二個安全系統(tǒng)（例如，驅(qū)動故障、葉片誤差或編碼器故障）。兩個葉片變漿到順漿位置就能確保風機在任何工況下都安全，即使在錯誤條件下第三個葉片仍然在工作位置。激活安全系統(tǒng)大部分都不會導致輪轂靜止，在大部分風況下，輪轂仍然以很低的速度旋轉(zhuǎn)（空轉(zhuǎn)）<2rpm。2/3/202330五BachmannM1PLC系統(tǒng)特點可靠的硬件，適合惡劣的現(xiàn)場環(huán)境

環(huán)境溫度：存儲溫度-400C-700C（低溫型）運行溫度：0-600C；相對