風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)介紹

XE82-2000風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)介紹

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

工作原理XE82風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成

XE82風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由葉輪、主軸承、同步發(fā)電機(jī)、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(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，首先通過(guò)主軸承將機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)風(fēng)力機(jī)專用變頻器將發(fā)電機(jī)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(guò)升壓變壓器轉(zhuǎn)化成風(fēng)電場(chǎng)需要的電壓，最后通過(guò)變電站送入電網(wǎng)；為使葉輪能夠最大限度地獲得風(fēng)能，需要使葉輪時(shí)刻處于迎風(fēng)方向。偏航驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用就是不斷調(diào)整機(jī)艙方向，使得風(fēng)電機(jī)組在發(fā)電時(shí)，其葉輪始終處于迎風(fēng)方向；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)能與發(fā)電機(jī)的額定功率相匹配。變槳系統(tǒng)的作用就是在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)葉片角度使發(fā)電機(jī)始終工作在額定狀態(tài)。

2/3/20233二風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率Pr風(fēng)輪吸收的功率，Wρ

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

風(fēng)輪葉尖速度，m/s由于空氣密度、葉輪半徑及風(fēng)速均為不可控值，唯一可以控制的參量就是風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)（風(fēng)能利用系數(shù)）Cp，其理論極限值為0.593。若在任何風(fēng)速下，風(fēng)機(jī)都運(yùn)行在最大Cp值下，則可增加其輸出功率。2/3/20234三XE82風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的功能及組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)和停止風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；葉片變漿控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的功率限制和輪轂轉(zhuǎn)速限制；偏航控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)最大面積迎風(fēng)；風(fēng)速和風(fēng)向監(jiān)測(cè)；風(fēng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)；緊急保護(hù)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(jī)定子溫度、軸承溫度、控制箱溫度、變漿電機(jī)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(hù)剎車、鎖緊銷、冷卻風(fēng)扇等）；操作界面接口：與本地操作界面通訊；2/3/20236風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的組成塔基控制柜

風(fēng)機(jī)各控制功能、中央處理CPU及通訊風(fēng)機(jī)本地監(jiān)控和操作機(jī)艙控制柜

機(jī)艙CAN主站主控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)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(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖2/3/20238塔基控制柜（風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控柜）安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒底部，用以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)和停機(jī)、偏航控制、輔助控制、保護(hù)和監(jiān)控，并且實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變漿控制、偏航控制和變頻器控制的協(xié)調(diào)；機(jī)艙控制柜安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙內(nèi)，主要處理機(jī)艙里的I/O信號(hào)，用以實(shí)現(xiàn)偏航控制、機(jī)艙的輔助控制、塔筒加速度監(jiān)控和發(fā)電機(jī)保護(hù)監(jiān)控；控制柜介紹2/3/20239輪轂控制柜安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪轂內(nèi)，主要處理輪轂里的I/O信號(hào)，用以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變漿控制、輪轂輔助控制和緊急變漿； 風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)柜和機(jī)艙控制柜的連接是通過(guò)光纖完成，它具有抗電磁干擾，且傳輸時(shí)間以微秒計(jì)的特性，與背板傳輸?shù)臅r(shí)間相當(dāng)。機(jī)艙控制柜和輪轂控制柜的連接是通過(guò)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(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的一部分，它是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，變頻器開(kāi)關(guān)的閉合/斷開(kāi)命令以及轉(zhuǎn)矩和速度給定是從風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)發(fā)送到變頻器的，變頻器可以發(fā)送一個(gè)故障請(qǐng)求使風(fēng)機(jī)停機(jī)。 本地操作面板的觸摸屏也不是風(fēng)機(jī)控制和安全系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的部件，這也就意味著觸摸屏關(guān)閉也不會(huì)影響風(fēng)機(jī)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(yuǎn)程接口單元）3.工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)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(jī)組控制

.變頻器控制（CANBUS和硬接線）

.與RTU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換⑵

FM模塊（FASTBUS總線通訊模塊）

.與機(jī)艙P(yáng)LC從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換⑷

DI/O模塊

.處理各種外部開(kāi)關(guān)量輸入/輸出，如：風(fēng)機(jī)起動(dòng)/停車、復(fù)位、變壓器各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)、變頻器及冷卻裝置等外部開(kāi)關(guān)信號(hào)⑸

AI/O模塊

.處理各種外部模擬量信號(hào)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)本地參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示風(fēng)速、轉(zhuǎn)速等信息概覽

啟動(dòng)條件及步驟參數(shù)列表最近100次事件報(bào)告輪轂參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示機(jī)艙參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示發(fā)電機(jī)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(jì)(年\月\日)(有功電量/無(wú)功電量)

可利用率統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)故障及報(bào)警事件2/3/202314機(jī)艙控制柜 機(jī)艙控制柜組成1.機(jī)艙P(yáng)LC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(hù)接口）

DIOAIO模塊2.塔基X-Y振動(dòng)傳感器單元

3.緊急故障繼電器4.各種斷路器、繼電器、開(kāi)關(guān)等2/3/202315機(jī)艙控制柜主要功能手動(dòng)/自動(dòng)偏航控制（包括液壓剎車）氣象站數(shù)據(jù)檢測(cè)（風(fēng)速、風(fēng)向、溫度）潤(rùn)滑系統(tǒng)控制（主軸承、偏航軸承）發(fā)電機(jī)定子溫度及氣隙溫度檢測(cè)和保護(hù)煙霧檢測(cè)及報(bào)警扭纜檢測(cè)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(hù)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(hù)進(jìn)入顯示

2/3/202317輪轂控制柜六邊形柜體,分3個(gè)部分,每個(gè)部分負(fù)責(zé)一個(gè)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(dòng)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(hù)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(hù)開(kāi)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(cè)超速保護(hù)輪轂速度檢測(cè)變槳軸承和變槳齒輪潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑系統(tǒng)自動(dòng)潤(rùn)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(dòng)和鎖緊：轉(zhuǎn)子的制動(dòng)和鎖緊裝置主要由稀油液壓站，管路、盤式制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓鎖緊銷等組成。風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)平均風(fēng)速高于設(shè)定值或瞬時(shí)風(fēng)速超過(guò)設(shè)定值時(shí)，輪轂處于制動(dòng)或鎖緊狀態(tài)。在風(fēng)機(jī)葉輪里進(jìn)行檢查維護(hù)工作時(shí)，必須保證制動(dòng)銷插上，使輪轂處于鎖緊狀態(tài)。2/3/202322終端限位開(kāi)關(guān)主要用于變槳?jiǎng)x車保護(hù)2/3/202323避雷裝置主要用于雷電時(shí)提供雷電電流通道2/3/202324風(fēng)速及風(fēng)向傳感器風(fēng)速計(jì)工作原理：風(fēng)速計(jì)內(nèi)部裝有一運(yùn)動(dòng)軸承，與軸承連接處有一個(gè)帶有32個(gè)均勻分布孔的圓柱，這個(gè)圓柱帶有光學(xué)感應(yīng)開(kāi)關(guān)的發(fā)光二極管和光敏三極管。隨著軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一系列的脈沖序列信號(hào)，此脈沖信號(hào)與風(fēng)速成一定的比例。利用一個(gè)積分器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)可以被解析成4-20mA的輸出信號(hào)。XE82風(fēng)機(jī)所采集的是直接發(fā)生的脈沖信號(hào)，其脈沖頻率為10Hz。風(fēng)向標(biāo)工作原理：風(fēng)向標(biāo)內(nèi)部裝有一個(gè)6位的格雷碼盤，利用光學(xué)原理，風(fēng)向標(biāo)的角度可以實(shí)現(xiàn)0-359°的監(jiān)測(cè)。格雷碼盤的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理，變成一個(gè)二進(jìn)制碼。此二進(jìn)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(hào)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(gè)4.7KOhm的電位計(jì)和2個(gè)帶有凸輪的限位開(kāi)關(guān)。主要作用：用來(lái)限制風(fēng)機(jī)的偏航以保護(hù)電纜，風(fēng)機(jī)設(shè)定的偏航角度為900°，當(dāng)風(fēng)機(jī)往同一方向偏航900°以后就會(huì)發(fā)出停機(jī)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(jī)發(fā)出頻率無(wú)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(lái)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(yùn)行。2/3/202327四XE82風(fēng)機(jī)安全系統(tǒng)介紹風(fēng)機(jī)安全系統(tǒng)的主要功能是維持風(fēng)機(jī)在一個(gè)安全條件下。它阻止風(fēng)機(jī)超速并且在發(fā)生故障、外部條件達(dá)到運(yùn)行極限、自動(dòng)重啟、或按下緊急停機(jī)時(shí)，使葉片回到順漿位置。對(duì)于XE82，必須使用兩個(gè)獨(dú)立的安全系統(tǒng)，且這兩個(gè)安全系統(tǒng)都是基于全范圍變漿控制系統(tǒng)。第一個(gè)安全系統(tǒng)使用一個(gè)直流伺服驅(qū)動(dòng)器作為每個(gè)直流伺服電機(jī)的供電裝置。第二個(gè)安全系統(tǒng)使用電池作為每個(gè)直流伺服電機(jī)的供電裝置。2/3/202328兩個(gè)系統(tǒng)的切換功能通過(guò)緊急控制模塊控制，每個(gè)葉片有一個(gè)緊急控制模塊，它包括1個(gè)看門狗定時(shí)器，1個(gè)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(kāi)關(guān)在直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置，一旦連續(xù)5個(gè)周期（1.5s）脈沖信號(hào)丟失，這個(gè)開(kāi)關(guān)就會(huì)激活。在發(fā)生下列緊急情況下，看門狗信號(hào)丟失并且轉(zhuǎn)由電池向變漿電機(jī)供電：（1）PLC程序進(jìn)入死循環(huán)，或沒(méi)有反應(yīng)；（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(dòng)器故障、葉片位置偏差過(guò)大及變漿超時(shí)；2/3/202329（3）電網(wǎng)故障；（4）緊急按鈕按下；（5）獨(dú)立超速保護(hù)繼電器檢測(cè)到超速；（6）PLC遠(yuǎn)程I/O故意撤銷看門狗信號(hào)，強(qiáng)迫發(fā)生一個(gè)故障以激發(fā)第二個(gè)安全系統(tǒng)（例如，驅(qū)動(dòng)故障、葉片誤差或編碼器故障）。兩個(gè)葉片變漿到順漿位置就能確保風(fēng)機(jī)在任何工況下都安全，即使在錯(cuò)誤條件下第三個(gè)葉片仍然在工作位置。激活安全系統(tǒng)大部分都不會(huì)導(dǎo)致輪轂靜止，在大部分風(fēng)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(diǎn)可靠的硬件，適合惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

環(huán)境溫度：存儲(chǔ)溫度-400C-700C（低溫型）運(yùn)行溫度：0-600C；相對(duì)