风力发电机组控制系统介绍

2020/2/281XE82-2000风力发电机组控制系统介绍2020/2/282一、XE82风力发电机组的组成和工作原理二、风力发电机组的输出功率三、XE82风机控制系统的功能及组成四、XE82风机安全系统介绍五、BachmannM1PLC系统特点主要内容2020/2/283一XE82风力发电机组的组成和工作原理XE82风力发电机组的组成XE82风力发电机组由叶轮、主轴承、同步发电机、变桨系统、偏航系统、主控制系统、变频器、变压器及其他辅助部件组成。工作原理叶轮将风能转化为机械能，首先通过主轴承将机械能传递给发电机，发电机把机械能转化为电能，再通过风力机专用变频器将发电机发出的频率和幅值变化的交流电转化为频率和幅值均恒定的交流电，然后通过升压变压器转化成风电场需要的电压，最后通过变电站送入电网；为使叶轮能够最大限度地获得风能，需要使叶轮时刻处于迎风方向。偏航驱动系统的作用就是不断调整机舱方向，使得风电机组在发电时，其叶轮始终处于迎风方向；当风速高于额定风速时，为了保证风力发电机工作在额定功率状态，需要调整叶片的角度以使叶轮得到的风能与发电机的额定功率相匹配。变桨系统的作用就是在风速高于额定风速时，通过调节叶片角度使发电机始终工作在额定状态。2020/2/284二风力发电机组的输出功率Pr风轮吸收的功率，Wρ空气密度，kg/m3R风轮的半径，mV风速，m/sCp风力机的功率系数β桨距角λ叶尖速比（λ=Vtip/Vwind=ωR/V）ω风轮旋转角速度，rad/sVtip风轮叶尖速度，m/s由于空气密度、叶轮半径及风速均为不可控值，唯一可以控制的参量就是风力机功率系数（风能利用系数）Cp，其理论极限值为0.593。若在任何风速下，风机都运行在最大Cp值下，则可增加其输出功率。32)(21VRCPpr2020/2/285三XE82风机控制系统的功能及组成风力发电机组控制系统的功能自动或手动启动和停止风力发电机组；叶片变浆控制实现风机的功率限制和轮毂转速限制；偏航控制实现风机最大面积迎风；风速和风向监测；风机保护系统；紧急保护系统以及周期性紧急系统检查；2020/2/286各种监控功能（发电机定子温度、轴承温度、控制箱温度、变浆电机温度、电池等）；与变频器控制系统的CANOPEN通讯和控制；辅助控制功能（油脂泵、维护刹车、锁紧销、冷却风扇等）；操作界面接口：与本地操作界面通讯；2020/2/287风力发电机组控制系统的组成塔基控制柜风机各控制功能、中央处理CPU及通讯风机本地监控和操作机舱控制柜机舱CAN主站主控制系统的远程I/O站偏航控制及其他辅助控制功能轮毂控制柜轮毂CAN从站变桨控制及其他辅助控制功能2020/2/288风机控制系统框图2020/2/289塔基控制柜（风力发电机主控柜）安装在风力发电机的塔筒底部，用以实现风力发电机组的启动和停机、偏航控制、辅助控制、保护和监控，并且实现风机变浆控制、偏航控制和变频器控制的协调；机舱控制柜安装在风力发电机的机舱内，主要处理机舱里的I/O信号，用以实现偏航控制、机舱的辅助控制、塔筒加速度监控和发电机保护监控；控制柜介绍2020/2/2810轮毂控制柜安装在风力发电机的轮毂内，主要处理轮毂里的I/O信号，用以实现风机的变浆控制、轮毂辅助控制和紧急变浆；风机主控系统柜和机舱控制柜的连接是通过光纤完成，它具有抗电磁干扰，且传输时间以微秒计的特性，与背板传输的时间相当。机舱控制柜和轮毂控制柜的连接是通过滑环完成，采用的通讯协议是CANopen，通讯速率为500Kbits/s。2020/2/2811变频器与主控系统的通讯也是采用通讯速率为500Kbits/s的CANopen通讯协议，使用的连接线是屏蔽铜电缆。变频器控制系统不是风机控制系统的一部分，它是一个自动控制系统，变频器开关的闭合/断开命令以及转矩和速度给定是从风机主控系统发送到变频器的，变频器可以发送一个故障请求使风机停机。本地操作面板的触摸屏也不是风机控制和安全系统的一个非常重要的部件，这也就意味着触摸屏关闭也不会影响风机的控制和安全系统，但一般情况下触摸屏需要正常工作。2020/2/2812塔基控制柜组成1.PLC主站2.RTU（远程接口单元）3.工业以太网交换机4.UPS电源5.触摸屏（本地监控及操作）6.各种按钮、指示灯、小型断路器、继电器、加热元件及端子板等塔基控制柜2020/2/2813PLC主站系统⑴CPU模块（带有以太网接口和CANMASTER接口）.机组控制.变频器控制（CANBUS和硬接线）.与RTU进行数据交换⑵FM模块（FASTBUS总线通讯模块）.与机舱PLC从站进行数据交换⑷DI/O模块.处理各种外部开关量输入/输出，如：风机起动/停车、复位、变压器各个开关的状态、变频器及冷却装置等外部开关信号⑸AI/O模块.处理各种外部模拟量信号，如：变频器冷却装置的入口和出口水压、变压器温度等⑹空模块①CPU模块③照明②通讯模块（主）④DIO248⑤AIO288⑦通道交换机⑧24VDC⑾温度监控器⑥PLC备用模块⑨5VDC⑩保险开关⑿继电器开关⒀紧急继电器2020/2/2814主控柜本地监控系统(触摸屏)风力发电机本地参数设置及状态显示风速、转速等信息概览启动条件及步骤参数列表最近100次事件报告轮毂参数设置及状态显示机舱参数设置及状态显示发电机状态显示变频器及水冷系统状态显示及参数设置电网状态显示发电量统计(年\月\日)(有功电量/无功电量)可利用率统计风机运行时间统计故障及报警事件2020/2/2815机舱控制柜机舱控制柜组成1.机舱PLC站电源模块FASTBUS从站模块CANBUS主站模块以太网模块（本地PC维护接口）DIOAIO模块2.塔基X-Y振动传感器单元3.紧急故障继电器4.各种断路器、继电器、开关等2020/2/2816机舱控制柜主要功能手动/自动偏航控制（包括液压刹车）气象站数据检测（风速、风向、温度）润滑系统控制（主轴承、偏航轴承）发电机定子温度及气隙温度检测和保护烟雾检测及报警扭缆检测及控制与塔基PLC主站（FASTBUS）及轮毂PLC从站（CAN）通讯本地调试及维护接口2020/2/2817轮毂操作盘TURN模式操作系统紧急停车轮毂锁定操作轮毂维护进入显示2020/2/2818轮毂控制柜六边形柜体,分3个部分,每个部分负责一个叶片轮毂PLC站CANSLAVE模块轮毂转速编码器模块叶片角度编码器模块I/O模块(DIO,AIO)伺服驱动单元紧急变桨蓄电池及监视单元紧急变桨模块超速保护继电器小型断路器,各种继电器及端子板各种按钮,指示灯及维护开关2020/2/2819轮毂控制柜功能变桨及紧急收桨控制紧急收桨系统在线检测超速保护轮毂速度检测变桨轴承和变桨齿轮润滑控制轮毂温度监视2020/2/2820滑环装置滑环装置的作用1.轮毂供电传输2.CAN总线传输3.超速传感器安装4.轮毂转速传感器安装2020/2/2821油脂泵装置润滑装置主要由油脂泵、分配器、管路、油嘴等组成。轮毂内的润滑系统自动润滑变桨轴承和变桨齿轮。变桨轴承（红色）及变桨齿轮油脂（棕色）。②电动润油泵①限位开关2020/2/2822锁紧销轮毂（转子）的制动和锁紧：转子的制动和锁紧装置主要由稀油液压站，管路、盘式制动执行机构、液压锁紧销等组成。风机运行过程中，当平均风速高于设定值或瞬时风速超过设定值时，轮毂处于制动或锁紧状态。在风机叶轮里进行检查维护工作时，必须保证制动销插上，使轮毂处于锁紧状态。液压系统2020/2/2823终端限位开关主要用于变桨刹车保护2020/2/2824避雷装置主要用于雷电时提供雷电电流通道2020/2/2825风速及风向传感器风速计工作原理：风速计内部装有一运动轴承，与轴承连接处有一个带有32个均匀分布孔的圆柱，这个圆柱带有光学感应开关的发光二极管和光敏三极管。随着轴承的转动会产生一系列的脉冲序列信号，此脉冲信号与风速成一定的比例。利用一个积分器将脉冲信号转换为电压信号，电压信号可以被解析成4-20mA的输出信号。XE82风机所采集的是直接发生的脉冲信号，其脉冲频率为10Hz。风向标工作原理：风向标内部装有一个6位的格雷码盘，利用光学原理，风向标的角度可以实现0-359°的监测。格雷码盘的数据经过内部处理，变成一个二进制码。此二进制码被D/A转换器变成模拟电压，最后被转换成4-20mA信号输出。2020/2/2826偏航扭缆传感器扭缆传感器的组成：传感器内部装有一个4.7KOhm的电位计和2个带有凸轮的限位开关。主要作用：用来限制风机的偏航以保护电缆，风机设定的偏航角度为900°，当风机往同一方向偏航900°以后就会发出停机并解缆命令。2020/2/2827变频器及水冷装置变频器主要作用：将永磁发电机发出频率无规则的电能转换成与电网相匹配的电能馈入电网。水冷装置作用：主要用来冷却变频器，将变频器内部的温度降低以保证变频器的正常运行。2020/2/2828四XE82风机安全系统介绍风机安全系统的主要功能是维持风机在一个安全条件下。它阻止风机超速并且在发生故障、外部条件达到运行极限、自动重启、或按下紧急停机时，使叶片回到顺浆位置。对于XE82，必须使用两个独立的安全系统，且这两个安全系统都是基于全范围变浆控制系统。第一个安全系统使用一个直流伺服驱动器作为每个直流伺服电机的供电装置。第二个安全系统使用电池作为每个直流伺服电机的供电装置。2020/2/2829两个系统的切换功能通过紧急控制模块控制，每个叶片有一个紧急控制模块，它包括1个看门狗定时器，1个需要常变量脉冲的装置（24V，看门狗周期为300ms）以确保接触器开关在直流伺服电机驱动位置，一旦连续5个周期（1.5s）脉冲信号丢失，这个开关就会激活。在发生下列紧急情况下，看门狗信号丢失并且转由电池向变浆电机供电：（1）PLC程序进入死循环，或没有反应；（2）变浆伺服系统出现故障，包括角度或位置编码器故障、驱动器故障、叶片位置偏差过大及变浆超时；2020/2/2830（3）电网故障；（4）紧急按钮按下；（5）独立超速保护继电器检测到超速；（6）PLC远程I/O故意撤销看门狗信号，强迫发生一个故障以激发第二个安全系统（例如，驱动故障、叶片误差或编码器故障）。两个叶片变浆到顺浆位置就能确保风机在任何工况下都安全，即使在错误条件下第三个叶片仍然在工作位置。激活安全系统大部分都不会导致轮毂静止，在大部分风况下，轮毂仍然以很低的速度旋转（空转）2rpm。2020/2/2831五BachmannM1PLC系统特点可靠的硬件，适合恶劣的现场环境环境温度：存储温度-400C-700C（低温型）运行温度：0-600C；相对湿度：5-95%；适合于振动环境高性能的CPU，大容量的存储器Intel80386EX，133MHZ，8M内存，最大64M程序存储区，适合于复杂的算法，兼具传统DCS和PLC的优点灵活的通讯方式，简洁的网络结构支持CAN、FASTBUS、ProfiBus等现场总线及工业以太网通讯方式，支持双绞线和光纤通讯介质多种可编程的I/O模块I/O模块可灵活进行编程设置，降低了现场处理问题的时间2020/2/2832谢谢!