风力发电机组的控制系统

•3.1风力发电机组控制系统的控制策略和功能•3.2风力发电机组的基本组成•3.3风力发电机组控制系统的基本组成•3.4变桨距系统•3.5偏航系统•3.6液压系统•3.7安全保护系统•3.8控制系统的设计第3章风力发电机组的控制系统•控制目标：保证系统的可靠运行能量利用率最大电能质量高机组寿命长•常规控制策略：在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大能量高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组输出的功率为额定值减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出的功率波动，避免共振减小功率传动链的暂态响应控制器简单，控制代价小调节机组功率，确保机组输出的电压和频率稳定3.1控制系统的控制策略和功能•控制系统要实现的基本功能：根据风速信号自动加入起动状态、并网或从电网切除；根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制；根据风向信号自动对风；迎风装置根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮相啮合的小齿轮转动，使机舱始终对准风向方向根据功率因数自动投入（或切出）相应的补偿电容。3.1控制系统的控制策略和功能•控制系统要实现的基本功能：当发电机脱网时，能确保机组安全关机；在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行监测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图表，以及风力发电机组的各项性能指标；能实现远程通信。3.1控制系统的控制策略和功能•独立运行的风力发电机组水平轴独立运行的风力发电机组由风轮、尾舵、发电机、支架、电缆、充电器、逆变器、蓄电池组成3.2风力发电机组的基本组成•并网运行的风力发电机组并网运行的发电机组由风轮（包括叶片和轮毂）、增速箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成248135116971012叶片轮毂主轴承主轴偏航电机塔筒齿轮箱机舱底盘联轴器发电机主控柜机舱罩3.2风力发电机组的基本组成1.轮毂轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。3.2风力发电机组的基本组成1.轮毂同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。在设计中应保证足够的强度。2.叶片：捕获风能并将风力传送到转子轴心。3.2风力发电机组控制系统的基本组成定桨距叶片的叶根与轮毂直接相连，连接结构主要有法兰式，螺纹件预埋式，钻孔组装式三种。叶片和轮毂的链接变桨距风力发电机组叶片通过变距轴承与轮毂连接。风机叶片设计短片3.调速或限速装置•从原理上看，有三类：第一类使风轮偏离主风向；第二类是利用气动阻力；第三类改变叶片的桨距角。4.塔架•风力机塔架载有机舱及转子。可以是管状的塔架（安全），也可是是格子状的塔架（便宜）。按结构不同，塔架可分为：拉索式塔架桁架式塔架锥筒式塔架5.机舱•包容着风力机的关键设备，包括齿轮箱，发电机。维护人员可通过风力机塔进入机舱。双馈式机组机舱底盘多用铸件多用焊接件机舱壳体机舱壳体由机舱底盘、机舱罩和整流罩组成。塔架叶片轮毂主轴齿轮箱发电机机舱电气控制柜风向标风速仪偏航电机整流罩机舱底盘机舱罩6主传动功能：是将风力机的动力传递给发电机组成：主轴、主轴承、齿轮箱、联轴器等。7.风力发电机•种类有很多：异步发电机，同步发电机，开关磁阻发电机，轴向磁场发电机等。6主传动8.偏航装置•借助电动机转动机舱，以使风轮转子叶片正对着风。偏航装置由电子控制器根据风向标感觉的风向来操作。•风力发电机的液压系统属于风力发电机的一种动力系统，主要功能是为变桨控制装置、安全桨距控制装置、偏航驱动和控制装置、停机制动装置提供液压驱动力。它是为风力发电机上一切使用液压作为驱动力装置提供动力。•在定桨距风力发电机组中，液压系统的主要任务是驱动风力发电机的气动刹车和机械刹车；•在变桨距风力发电机组中，主要控制变距机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制机械刹车机构。9.液压系统3.2风力发电机组的基本组成10.电子控制系统由传感器、执行机构和软/硬件处理器系统组成。不断监控风力机状态……11.风速计及风向标：用于测量风速及风向。12.冷却系统：有风冷和水冷。一、控制系统的总体结构控制系统的总体结构控制系统的结构与功能监视电网、风况和机组运行数据。并网、脱网控制。机组优化控制。一般采用微机控制。3.3风力发电机组控制系统的构成风力发电机组控制系统：由传感器、执行机构和软/硬件处理器系统组成。传感器一般包括：风速仪，风向标，转速传感器，电量采集传感器，桨距角位置传感器，各种限位开关，振动传感器，温度和油位指示器，液压系统压力传感器，操作开关和按纽等。执行机构一般包括：液压驱动装置或电动变桨距执行机构，发电机转矩控制器，发电机接触器，刹车装置和偏航电机等。处理系统：通常由计算机或微型控制器和可靠性高的硬件安全链组成，以实现风机运行过程中的各种控制功能，同时必须满足当严重故障发生时，能够保障风力发电机组处于安全状态。3.3风力发电机组控制系统的构成整个系统由主控制系统、机舱偏航控制系统、叶轮变桨控制系统组成，各子系统通过通讯母线系统互联在一起。采用分布式I/O方式：主控+远程I/O站PLC控制器组成实时多任务操作系统。所有控制逻辑、控制策略、控制算法全部由PLC完成，执行单元按照PLC输出的控制量进行动作。3.3风力发电机组控制系统的基本组成具体的控制内容包括：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制，实现最大功率点跟踪控制，功率因数控制，偏航控制，自动解缆，并网和解列控制，停机制动控制，安全保护系统，就地监控、远程监控。3.3风力发电机组控制系统的基本组成信号采集在风力发电机组运行过程中，必须对相关物理量进行测量，并根据测量结果发出相应信号，将信号传递到主控系统，作为主控系统发出控制指令的依据。需要检测的信号速度信号；温度信号；位置信号电气特性；液流特性；运动和力特性；环境条件3.3风力发电机组控制系统的基本构成主控系统及控制策略实现机组的发电控制，是风机控制的核心。负责所有任务的处理：主控电源分配/转换、风机的起/停；协调偏航控制、变桨控制、变流器控制；所有的辅助功能控制、保护、监视等。主控制系统主控系统硬件大型风电机组系统硬件由塔基控制器模块组和机舱控制器模块组组成。主控系统安装在塔基的主控制柜中。偏航控制系统（机舱控制柜）偏航控制系统控制策略主要完成机舱/轮毂电源分配/转换，机舱偏航远程I/O，机舱辅助功能控制，塔基加速度监控（振动）及发电机的温度保护等。偏航控制器由机舱顶部的风向标激活，风向标测量风向给偏航控制系统提供输入信号。通过控制器参数的设定，使偏航载荷最小化。偏航速度设定为0.5°/s。风向标的测量信号滤波后如果超过15°，风力发电机组即开始偏航对风。风向标输出信号为0，风向即为0°。29/15人机界面人机界面是计算机与操作人员的交互窗口。其主要功能是风力发电机组运行操作、状态显示、故障监测和数据记录。一、运行操作1.机组起停及复位2.手动操作3.控制参数修改二、状态显示三、故障监测变桨系统的主要功能是通过调节桨叶对气流的攻角，改变风力机的能量转换效率从而控制风力发电机组的功率输出，变桨系统还在机组需要停机时提供空气动力制动。变桨执行机构是变速恒频风力发电机组控制系统的一个重要组成部分，通常采用液压驱动或电驱动，在设计阶段需要考虑两种方式的优点和缺点。主要有三种组合形式：1、液压变桨距系统；2、电动变桨距系统；3、电-液结合的变桨距系统。3.4变桨距系统3.4变桨距系统一、液压变桨距系统液压变桨距系统以液压伺服阀作为功率放大环节，以液体压力驱动执行机构。组成如下：液压变桨距系统的组成控制策略核心--变桨角度反馈闭环控制，角度设定依赖于叶轮转速。角度设定与反馈的偏差信号送入变桨角度伺服控制器，从而控制桨叶角度及叶轮转速亦即发电机输出的电气功率。3.4变桨距系统32变桨距控制执行系统原理二、电动变桨距系统1、总体结构电动变桨距系统以伺服电机驱动齿轮系实现变距调节功能，可以使3个叶片独立实现变桨距。3.4变桨距系统2、单元组成单个叶片变桨距装置一般包括控制器、伺服驱动器、伺服电动机、减速机、变距轴承、传感器、角度限位开关、蓄电池、变压器等。伺服电动机：变桨距系统常用的伺服电动机有异步电动机、无刷直流电动机和三相永磁同步电动机。变距轴承：对于电动机驱动齿轮式变距的机组来说，一般选用有内齿的4点接触球式转盘轴承，变距轴承的内外圈分别与风轮的叶片和轮毂用螺栓连接。35三、电-液变桨距系统特点是电液伺服系统中使用交流伺服电机而不是电液伺服阀。因此具有电动机控制灵活和液压出力大的双重优点。四、变桨距系统的控制变桨距系统的控制是由控制器来实现的。控制器一方面控制执行机构完成变桨距的动作，另一方面还要通过现场总线实现与主控制器的通信。控制器的核心部件是微处理器或PLC。(1)开环控制即将桨距角由顺桨状态(一般90°)按照一定的顺控程序置为最大风能利用系数的角度(一般2°～3°)，以获得最大起动力矩。(2)闭环控制通过变桨距控制使转速以一定升速率上升至同步转速，进行升速闭环控制；为了对电网产生尽可能小的冲击，控制器也同时用于并网前的同步转速控制。变桨距系统3.5偏航系统水平轴风力机风轮绕垂直轴的旋转叫偏航。偏航系统可以分为被动偏航系统和主动偏航系统。一、偏航系统的功能由于风向经常改变，如果风轮扫掠面和风向不垂直，不但功率输出减少，而且承受的载荷更加恶劣。偏航系统的功能就是跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。3.5偏航系统二、偏航系统的组成和工作原理偏航系统是一个自动控制系统，其组成和工作原理如下图。393.5偏航系统偏航系统结构偏航系统的执行机构一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航液压回路等部分组成。1、偏航轴承偏航轴承的内外圈分别与机组的塔体和机舱用螺栓连接。2、偏航驱动偏航系统用在对风、解缆时，驱动机舱相对于塔筒旋转，一般为驱动电机或液压驱动单元，安置在机舱中，通过减速机驱动输出轴上的小齿轮，小齿轮与固定在塔筒上的大齿圈啮合，驱动机舱偏航，啮合齿轮可以在塔筒外，也可以在塔筒内。3、偏航制动偏航制动的功能是使偏航停止，同时可以设置偏航运动的阻尼力矩，以使机舱平稳转动。第二节偏航系统偏航系统偏航系统由控制器来实现偏航系统的控制。人工操作信号交换偏航控制器四、偏航系统的控制1.偏航控制的硬件偏航系统2.偏航控制的软件偏航控制系统由于采用计算机控制，因此必须依赖控制软件。偏航系统工作流程(1)自动偏航功能(2)手动偏航功能(3)自动解缆功能(4)90°侧风功能3、偏航传感器（1）解绕传感器（2）偏航方向传感器3.6液压系统功能：以有压液体为介质，实现动力传输和运动控制的机械单元。优点：传动平稳、功率密度大、易实现无级调速、易更换元器件和过载保护可靠等。图5-30风力发电机组液压站主要用于：控制变距机构，空气动力制动；机械制动；偏航驱动与制动；齿轮箱润滑油液的冷却和过滤；发电机水冷；变流器的温度控制；开关机舱和驱动起重机等。3.6液压系统•动力元件：将机械能转换为液体压力能，如液压泵。一、液压元件•控制元件：控制系统压力、流量、方向以及进行信号转换和放大，作为控制元件的主要是各类液压阀。•执行元件：将流体的压力能转换为机械能，驱动各类机构，如液压缸。•辅助元件：保证系统正常工作除上述3元件外的装置。油箱、过滤器、蓄能器、热交换器等。3.6液压系统1.液压泵液压泵是能量转换装置，向液压系统输送压力油，推动执行元件。齿轮泵a)解剖图b)原理图液压泵的图形符号a)定量泵b)变量泵一、液压元件(1)液压泵分类及工作原理：按结构可分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵等3.6液压系统(1)方向控制阀控制液压系统的油流方向，接通或断开油路，控制执行机构的起动、停止或改变运动方向。1)单向阀普通单向阀(逆止阀):控制油液沿一个方向流动，不能反向流动。图5-33单向阀a)