控制系统构造及原理讲义

1、风力发电技术 1 1控制系统控制系统2 2W2000W2000型风机控制系统型风机控制系统主要内容主要内容控制系统1安全保护2安全链3信号测量4一、控制系统 1 1、控制系统的总体结构、控制系统的总体结构 风力发电机组的控制系统采风力发电机组的控制系统采用微机控制用微机控制，属于离散型控制属于离散型控制。是将风向标、风速计、风轮转速，是将风向标、风速计、风轮转速，发电机的电压、频率、电流，电发电机的电压、频率、电流，电网的电压、电流、频率，发电机网的电压、电流、频率，发电机和增速齿轮箱等的温升，机舱和和增速齿轮箱等的温升，机舱和塔架的振动，电缆过缠绕等传感塔架的振动，电缆过缠绕等传感器的信号经

2、过模数转换输送给器的信号经过模数转换输送给微机，由微机根据设计程序发出微机，由微机根据设计程序发出各种控制指令。各种控制指令。一、控制系统一、控制系统 2 2、主控制器、主控制器 1 1）主控制器的构成主控制器的构成 风力发电机组的主控制器是控制系统的核心。它一方面与各个功能块相联系，风力发电机组的主控制器是控制系统的核心。它一方面与各个功能块相联系，接收信息，并通过分析计算发出指令。另一方面与远程控制单元通信，沟通信息接收信息，并通过分析计算发出指令。另一方面与远程控制单元通信，沟通信息及传递指令。及传递指令。主控制器一般分置于机舱控制柜和塔基控制柜中。主控制器一般分置于机舱控制柜和塔基控制

3、柜中。 一、控制系统 2 2）机舱控制柜机舱控制柜 机舱控制柜的功能是：机舱控制柜的功能是： 1) 1) 采集机舱内振动开关、油位、压差、磨损、发电机采集机舱内振动开关、油位、压差、磨损、发电机PTCPTC及接触器、及接触器、中间继电器和传感器的反馈等开关量信号；采集并处理风轮转速、发电机中间继电器和传感器的反馈等开关量信号；采集并处理风轮转速、发电机转速、风速风向、温度、振动等脉冲、模拟量信号。转速、风速风向、温度、振动等脉冲、模拟量信号。 2) 2) 通过接收变桨系统温度反馈和顺桨反馈，发送信号使变桨距系统紧通过接收变桨系统温度反馈和顺桨反馈，发送信号使变桨距系统紧急顺桨和复位。通过变桨距

4、系统急顺桨和复位。通过变桨距系统RS-485RS-485通信，控制桨距角变化，实现最大通信，控制桨距角变化，实现最大风能捕获和功率控制。风能捕获和功率控制。一、控制系统 3 3）塔基控制柜塔基控制柜 塔基控制柜的功能是：塔基控制柜的功能是： 1) 1) 控制器的处理模块控制器的处理模块(CPU(CPU模块模块) )位于塔基控制柜，主要完成数据采集及位于塔基控制柜，主要完成数据采集及I/OI/O信号信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱控制柜光纤通信，接处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱控制柜光纤通信，接收机舱信号，返回控制信号；与中央监控系统通信，传递信

5、息。收机舱信号，返回控制信号；与中央监控系统通信，传递信息。 2) 2) 对对变流器、变桨距系统、液压系统，偏航系统，润滑系统，齿轮箱及机组关变流器、变桨距系统、液压系统，偏航系统，润滑系统，齿轮箱及机组关键设备的温度及环境温度键设备的温度及环境温度等作监控；变流器和变桨距系统的耦合控制，与变流器通等作监控；变流器和变桨距系统的耦合控制，与变流器通信，实现机组变速恒频运行、有功及无功调节、功率控制、高速轴紧急制动、偏航信，实现机组变速恒频运行、有功及无功调节、功率控制、高速轴紧急制动、偏航自动对风、自动解缆、发自动对风、自动解缆、发电电机和主轴自动润滑、主要部件的除湿加热和散热器开停。机和主轴

6、自动润滑、主要部件的除湿加热和散热器开停。 3) 3) 对定子侧和转子侧的电压、电流测量，除了用于监控过电压、低电压、过电对定子侧和转子侧的电压、电流测量，除了用于监控过电压、低电压、过电流、低电流、三相不平衡外，也用于统计发电量，以及并网前后的相序检测。流、低电流、三相不平衡外，也用于统计发电量，以及并网前后的相序检测。 4 4）通过和机舱控制柜相连的信号线实现系统安全关机、紧急关机、安全链复位通过和机舱控制柜相连的信号线实现系统安全关机、紧急关机、安全链复位等功能。等功能。一、控制系统3 3、控制系统的功能、控制系统的功能 在运行的风速范围内，确保系统的稳定；在运行的风速范围内，确保系统的

7、稳定； 低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能；低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能； 高风速时，限制风能的捕获，保持输出功率为额定值；高风速时，限制风能的捕获，保持输出功率为额定值； 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功率的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功率的波动，避免共振；波动，避免共振； 减小功率传动链的暂态响应；减小功率传动链的暂态响应； 控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅； 确保机组输出电压和频率的稳定。确保机组输出电压和频率的稳定。一、控制系统 为了完成上述要求，控制系统必须为

8、了完成上述要求，控制系统必须根据风速信号自动进入起动状态、并网或从电网切出；根据风速信号自动进入起动状态、并网或从电网切出；根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制；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；根据风向信号自动对风；根据功率因数自动投入根据功率因数自动投入( (或切出或切出) )相应的补偿电容相应的补偿电容( (对于设置补偿电容的对于设置补偿电容的机组机组) )。当发电机脱网时，能确保机组安全关机；。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，

9、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，以反映风力发电机组的各项性能指根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标；标； 对于在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信的功能。对于在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信的功能。二、安全保护安全保护安全保护 风力发电机组的控制系统具有两种基本功能：风力发电机组的控制系统具有两种基本功能： 一个是运行管理功能，一个是运行管理功能， 一个是安全保护功能。一个是安全保护功能。 风力发电机组的安全保护系统包括风力发电机组的安

10、全保护系统包括 避雷系统避雷系统运行安全保护系统运行安全保护系统微控制器抗干扰保护系统微控制器抗干扰保护系统微控制器的自动检测功能微控制器的自动检测功能紧急故障安全链保护系统紧急故障安全链保护系统 接地保护系统接地保护系统二、安全保护1 1大风保护安全系统大风保护安全系统u 多数机组取多数机组取l0minl0min平均平均25m/s25m/s为切出风速，由于此时风的能量很大，为切出风速，由于此时风的能量很大，系统必须采取保护措施系统必须采取保护措施。u 在关机前对失速型风力发电机组，风轮叶片自动降低风能的捕获，在关机前对失速型风力发电机组，风轮叶片自动降低风能的捕获，风力发电机组的功率输出仍然

11、保持在额定功率左右风力发电机组的功率输出仍然保持在额定功率左右。u 对于变桨距风力发电机组，必须调解叶片桨距角，实现功率输出对于变桨距风力发电机组，必须调解叶片桨距角，实现功率输出的调节，限制最大功率的输出，保证发电机运行安全。的调节，限制最大功率的输出，保证发电机运行安全。u 当大风关机时，机组必须按照安全程序关机。关机后，风力发电当大风关机时，机组必须按照安全程序关机。关机后，风力发电机组一般采取偏航机组一般采取偏航9090。背风。背风。二、安全保护2 2电网失电保护电网失电保护 风力发电机组离开电网的支持是无法工作的。风力发电机组离开电网的支持是无法工作的。 一旦失电，空气动力制动和机械

12、制动系统动作，相当于执行紧急关一旦失电，空气动力制动和机械制动系统动作，相当于执行紧急关机程序。这时舱内和塔架内的照明可以维持机程序。这时舱内和塔架内的照明可以维持151520min20min。 对由于电网原因引起的停机，控制系统将在电网恢复正常供电对由于电网原因引起的停机，控制系统将在电网恢复正常供电l0minl0min后，自动恢复正常运行。后，自动恢复正常运行。二、安全保护 3 3参数越限保护参数越限保护1) 1)超速保护：超速保护： 当转速传感器检测到发电机或风轮转速超过额定转速的当转速传感器检测到发电机或风轮转速超过额定转速的110110时，时，控制器将给出正常关机指令；控制器将给出正

13、常关机指令； 防止风轮超速，采取硬件设置超速上限，此上限高于软件设置的超防止风轮超速，采取硬件设置超速上限，此上限高于软件设置的超速上限，一般在低速轴处设置叶轮转速传感器，一旦超出检测上限，就引速上限，一般在低速轴处设置叶轮转速传感器，一旦超出检测上限，就引发安全保护系统动作。发安全保护系统动作。 2) 2)超电压保护：超电压保护：超电压保护是指对电气装置元件遭到的瞬间高压冲击所进超电压保护是指对电气装置元件遭到的瞬间高压冲击所进行的保护，通常对控制系统交流电源进行隔离稳压保护，同时装置加高压行的保护，通常对控制系统交流电源进行隔离稳压保护，同时装置加高压瞬态吸收元件，提高控制系统的耐高压能力

14、。瞬态吸收元件，提高控制系统的耐高压能力。3) 3)超电流保护：超电流保护：控制系统所有的电器电路控制系统所有的电器电路( (除安全链外除安全链外) )都必须加过电流保都必须加过电流保护器，如熔丝、断路器等。护器，如熔丝、断路器等。二、安全保护 4 4振动保护振动保护 机组一般设有机组一般设有三级振动频率保护三级振动频率保护：振动开关、振动频率上限：振动开关、振动频率上限l l、振动、振动频率极限频率极限2 2，当振动开关动作时，系统将分级进行处理。，当振动开关动作时，系统将分级进行处理。5 5开机保护开机保护 采用机组开机正常顺序控制，对于定桨距失速异步风力发电机组采取采用机组开机正常顺序控

15、制，对于定桨距失速异步风力发电机组采取软切控制限制并网时对电网的电冲击；对于同步风力发电机，采取同步、软切控制限制并网时对电网的电冲击；对于同步风力发电机，采取同步、同相、同压并网控制，限制并网时的电流冲击。同相、同压并网控制，限制并网时的电流冲击。6 6关机保护关机保护 风力发电机组在小风、大风及故障时需要安全关机，关机的顺序应先风力发电机组在小风、大风及故障时需要安全关机，关机的顺序应先空气动力制动，然后，软切除脱网关机。软脱网的顺序控制与软并网的控空气动力制动，然后，软切除脱网关机。软脱网的顺序控制与软并网的控制基本一致。制基本一致。二、安全保护 2 2、微控制器抗干扰保护系统、微控制器

16、抗干扰保护系统 微控制器抗干扰保护系统的作用是使微机控制系统或控制装置既不因微控制器抗干扰保护系统的作用是使微机控制系统或控制装置既不因外界电磁干扰的影响而误动作或丧失功能，也不向外界发送过大的噪声干外界电磁干扰的影响而误动作或丧失功能，也不向外界发送过大的噪声干扰，以免影响其他系统或装置正常工作。扰，以免影响其他系统或装置正常工作。微控制器抗干扰保护系统要遵循的原则是：微控制器抗干扰保护系统要遵循的原则是： 抑制噪声源，直接消除干扰产生的原因；抑制噪声源，直接消除干扰产生的原因； 切断电磁干扰的传递途径，或提高传递途径对电磁干扰的衰减作用，切断电磁干扰的传递途径，或提高传递途径对电磁干扰的衰

17、减作用，以消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合；以消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合； 加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力，降低其噪声灵感度。加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力，降低其噪声灵感度。二、安全保护抗干扰措施有：抗干扰措施有： 进入微控制器所有输入信号和输出信进入微控制器所有输入信号和输出信号均采用光隔离器，实现微机控制系统内部号均采用光隔离器，实现微机控制系统内部与外界完全的电气隔离；与外界完全的电气隔离； 控制系统数字地和模拟地完全分开；控制系统数字地和模拟地完全分开； 控制器各功能板所有电源均采用隔离控制器各功能板所有电源均采用隔离电源；电源； 输入输出的信号线均采用带护套的抗输入输出的

18、信号线均采用带护套的抗干扰屏蔽线；干扰屏蔽线； 微控制器的系统电路板由带有屏蔽作微控制器的系统电路板由带有屏蔽作用的铁盒封装，以防外界的电磁干扰；用的铁盒封装，以防外界的电磁干扰； 采用有效的接地系统等。采用有效的接地系统等。二、安全保护 3 3、微控制器的自动检测功能、微控制器的自动检测功能 微控制器应能够对系统的故障进行自动检测。利用自动检测和修复微控制器应能够对系统的故障进行自动检测。利用自动检测和修复方法可以使微控制器的故障自动消除，或者使系统操作者能更快地发现方法可以使微控制器的故障自动消除，或者使系统操作者能更快地发现故障部件，迅速加以修复，以达到微控制器安全运行的目的。故障部件，

19、迅速加以修复，以达到微控制器安全运行的目的。三、安全链安全链安全链 安全链是独立于计算机系统的最后一级保护措施。将可能对风力发电安全链是独立于计算机系统的最后一级保护措施。将可能对风力发电机组造成致命伤害的故障节点串联成一个回路，一旦其中有一个动作，便机组造成致命伤害的故障节点串联成一个回路，一旦其中有一个动作，便会引起紧急关机反应。会引起紧急关机反应。 一般将如下传感器的信号串接在安全链中：一般将如下传感器的信号串接在安全链中：紧急关机按钮、控制器程紧急关机按钮、控制器程序监视器序监视器( (看门狗看门狗) )、液压缸压力继电器、扭缆传感器、振动传感器、控制、液压缸压力继电器、扭缆传感器、振

20、动传感器、控制器器DC24VDC24V电源失电等。电源失电等。 此外，如果控制计算机发生死机，风轮过转速或发电机过转速，也起此外，如果控制计算机发生死机，风轮过转速或发电机过转速，也起动安全链。紧急关机后，如果所有安全链相关的故障均已排除，只有手动动安全链。紧急关机后，如果所有安全链相关的故障均已排除，只有手动复位后才能闭合安全链，重新启动。复位后才能闭合安全链，重新启动。三、安全链四、信号测量信号测量信号测量1) 1)速度信号：速度信号：发电机转速、风轮转速、偏航转速和方向等。发电机转速、风轮转速、偏航转速和方向等。2) 2)温度信号：温度信号：主轴承温度、齿轮箱油温、液压油油温、齿轮箱轴承

21、温度、主轴承温度、齿轮箱油温、液压油油温、齿轮箱轴承温度、发电机轴承温度、发电机绕组温度、环境温度、电器柜内温度、制动器摩发电机轴承温度、发电机绕组温度、环境温度、电器柜内温度、制动器摩擦片温度等。擦片温度等。3) 3)位置信号：位置信号：桨距角、叶尖扰流器位置、风轮偏角等。桨距角、叶尖扰流器位置、风轮偏角等。4) 4)电气特性：电气特性：电网电流、电压、功率因数、电功率、电网频率、接地故障、电网电流、电压、功率因数、电功率、电网频率、接地故障、逆变器运行信息等。逆变器运行信息等。5) 5)液流特性：液流特性：液压或气压、液压油位等。液压或气压、液压油位等。6) 6)运动和力特性：运动和力特性

22、：振动加速度、轴转矩、齿轮箱振动、叶根弯矩等。振动加速度、轴转矩、齿轮箱振动、叶根弯矩等。7) 7)环境条件：环境条件：风速、风向、湿度等。风速、风向、湿度等。偏航系统1执行机构2传感器3控制系统4SEC-W2000型风机SEC-W2000SEC-W2000型风机型风机 SEC-W2000 SEC-W2000型风机是三叶片、变桨控制、上风向风机，额定功率为型风机是三叶片、变桨控制、上风向风机，额定功率为2MW2MW。u 变桨系统作为风机的低速轴刹车系统，每个叶片具有独立的电变桨控变桨系统作为风机的低速轴刹车系统，每个叶片具有独立的电变桨控制，各自备有蓄电池以保证失电安全。制，各自备有蓄电池以保

23、证失电安全。u 机械刹车是风机的二级刹车系统，安装在驱动链的高速轴侧。当低速机械刹车是风机的二级刹车系统，安装在驱动链的高速轴侧。当低速轴刹车系统失效时，机械刹车能够保证风机运行在允许的范围内。轴刹车系统失效时，机械刹车能够保证风机运行在允许的范围内。u 变桨系统和机械刹车由风机的控制系统和安全系统共同控制，安全系变桨系统和机械刹车由风机的控制系统和安全系统共同控制，安全系统优先于控制系统。统优先于控制系统。2.1 柜门面板操作2.1.1 2.1.1 塔底控制柜塔底控制柜塔底控制柜柜门面板由触摸屏、塔底控制柜柜门面板由触摸屏、指示灯、按钮和开关组成：指示灯、按钮和开关组成：2.1 柜门面板操作

24、2.1 柜门面板操作2.1.2 2.1.2 机舱控制柜机舱控制柜机舱控制柜柜门面板由嵌机舱控制柜柜门面板由嵌入式面板型入式面板型PCPC、指示灯、指示灯、按钮和开关组成：按钮和开关组成：2.1 柜门面板操作2.2 显示屏操作2.2.12.2.1登录及权限登录及权限2.2 显示屏操作2.2.2. 2.2.2. 实时数据监控实时数据监控2.2 显示屏操作2.2.2.1 2.2.2.1 天气天气u 瞬时风速，瞬时风速，m/sm/s；暴风警报；暴风警报；u 25s25s平均风向，平均风向，deg(deg() )；2.2.2.2 2.2.2.2 桨叶桨叶& &风轮风轮u 3 3个叶片的平

25、均桨距，个叶片的平均桨距，deg(deg() )；u 风轮转速，风轮转速，rpmrpm；2.2.2.3 2.2.2.3 机舱振动机舱振动u X X轴方向机舱振动，轴方向机舱振动，g g；u Y Y轴方向机舱振动，轴方向机舱振动，g g；2.2.2.4 2.2.2.4 环境温度环境温度u 机舱环境温度，机舱环境温度，；u 塔底环境温度，塔底环境温度，；u 机舱外温度，机舱外温度，；u 机舱控制柜温度，机舱控制柜温度，；u 塔底控制柜温度；塔底控制柜温度；2.2.2.5 2.2.2.5 齿轮箱齿轮箱u 齿轮箱低速轴风轮侧轴承温度，齿轮箱低速轴风轮侧轴承温度，；u 齿轮箱高速轴发电机侧轴承温度，齿轮

26、箱高速轴发电机侧轴承温度，；u 齿轮箱油温，齿轮箱油温，；u 齿轮箱冷却水温，齿轮箱冷却水温，；2.2.2.6 2.2.2.6 发电机发电机u 发电机定子温度发电机定子温度U U，；u 发电机定子温度发电机定子温度V V，；u 发电机定子温度发电机定子温度WW，；u 发电机前轴承温度，发电机前轴承温度，；u 发电机后轴承温度，发电机后轴承温度，；u 发电机进风口温度，发电机进风口温度，；u 发电机出风口温度，发电机出风口温度，；2.2 显示屏操作2.2.2.7 2.2.2.7 电网电网u 有功功率，有功功率，kWkW；u A A相电压，相电压，V V；u B B相电压，相电压，V V；u C

27、C相电压，相电压，V V；u 电网频率，电网频率，HzHz；2.2.2.8 2.2.2.8 风机控制风机控制u 风机运行模式显示，包括初始化模式、停机模式、待机模式、自检测模式、风机运行模式显示，包括初始化模式、停机模式、待机模式、自检测模式、空转模式、启动模式、切入模式、发电模式、共振模式、变桨润滑。空转模式、启动模式、切入模式、发电模式、共振模式、变桨润滑。u 风机自启动倒计时，风机自启动倒计时，s s；u 启动按钮，停机按钮，复位按钮；启动按钮，停机按钮，复位按钮；2.2.2.9 2.2.2.9 偏航偏航u 液压系统主压力，液压系统主压力，barbar；u 偏航位置，偏航位置，deg(d

28、eg() )；u 解缆报警；解缆报警；u 左偏航按钮，右偏航按钮，停止偏航按钮，自动偏航按钮；左偏航按钮，右偏航按钮，停止偏航按钮，自动偏航按钮；2.2 显示屏操作2.2.3. 2.2.3. 服务模式服务模式2.2 显示屏操作2.2.3.12.2.3.1手动变桨手动变桨( (权限权限:90):90) 风轮解锁后，打开风轮制动，改变桨距角设定值风轮解锁后，打开风轮制动，改变桨距角设定值( (默认默认8989) )，设定风，设定风轮转速，将手动变桨使能置位，然后按轮转速，将手动变桨使能置位，然后按STARTSTART按钮开始。结束手动变桨时，按钮开始。结束手动变桨时，按按STOPSTOP按钮停止，

29、桨距角会回到按钮停止，桨距角会回到8989。2.2.3.22.2.3.2手动维护手动维护( (权限权限:90):90) 点击准备操作设备相应的状态按钮，会弹出一个对话框，有关闭点击准备操作设备相应的状态按钮，会弹出一个对话框，有关闭(OFF)(OFF)，打开，打开(ON)(ON)和自动和自动(AUTO)(AUTO)三种选择，选定其中一种状态后，点击确三种选择，选定其中一种状态后，点击确定按钮。定按钮。ON/OFFON/OFF显示设备的实际状态显示设备的实际状态( (开开/ /关关) )。2.2 显示屏操作2.2 显示屏操作2.2.4 2.2.4 状态码记录状态码记录状态码记录界面包括状态码历史

30、列表和状态码统计列表。状态码记录界面包括状态码历史列表和状态码统计列表。2.2 显示屏操作2.2.5. 2.2.5. 输入输出列表输入输出列表(IO)(IO)点击点击IOIO列表按钮，显示列表按钮，显示DIDI和和DODO的状态。的状态。2.2 显示屏操作2.2.6. 2.2.6. 安全链安全链点击安全链按点击安全链按钮，显示安全钮，显示安全链的状态。当链的状态。当安全链正常时，安全链正常时，安全链显示颜安全链显示颜色为绿色；当色为绿色；当安全链断开时，安全链断开时，安全链显示颜安全链显示颜色为红色。色为红色。2.2 显示屏操作2.2.7. EtherCAT2.2.7. EtherCAT及及P

31、rofibusProfibus通讯通讯点击通讯状态按钮，显示机舱和塔底的点击通讯状态按钮，显示机舱和塔底的EthercatEthercat和和ProfibusProfibus的通讯状态。的通讯状态。2.2 显示屏操作2.2.8. 2.2.8. 历史数据统计历史数据统计 历史数据统计显示操作数据的历史记录，点击总报表，年报表和月报表按钮，历史数据统计显示操作数据的历史记录，点击总报表，年报表和月报表按钮，显示不同时间跨度的历史数据。显示不同时间跨度的历史数据。3 硬件描述3 3 硬件描述硬件描述 2MW 2MW风机控制系统由风机控制系统由塔底控制柜和机舱控制柜塔底控制柜和机舱控制柜两部分组成。两

32、部分组成。 硬件系统由倍福硬件系统由倍福(Beckhoff)(Beckhoff)系列总线端子构成，主要采用的总线端子有数字系列总线端子构成，主要采用的总线端子有数字量输入端子、数字量输出端子、模拟量输入端子、特殊功能端子、供电端子、安量输入端子、数字量输出端子、模拟量输入端子、特殊功能端子、供电端子、安全模块端子。这些总线端子与总线耦合器一起组成站点，各个站点之间通过通讯全模块端子。这些总线端子与总线耦合器一起组成站点，各个站点之间通过通讯线缆相连接，与变流柜从站、变桨从站以及线缆相连接，与变流柜从站、变桨从站以及CPUCPU模块构成整个风机的控制系统。模块构成整个风机的控制系统。3 硬件描述

33、1 1）塔底控制柜塔底控制柜 塔底控制柜主要塔底控制柜主要控制塔底柜冷却风扇、塔底通风风扇、变流器风扇及控制塔底柜冷却风扇、塔底通风风扇、变流器风扇及塔底主电源塔底主电源等执行机构；等执行机构； 塔底控制柜作为控制系统的主站，控制器采用德国倍福塔底控制柜作为控制系统的主站，控制器采用德国倍福(Beckhoff)(Beckhoff)公司公司的嵌入式的嵌入式PCPC，信号采集通过总线端子模块实现。，信号采集通过总线端子模块实现。 塔底控制柜配有触摸屏一台，预装塔底控制柜配有触摸屏一台，预装WinCEWinCE系统，用于系统管理和监控。系统，用于系统管理和监控。 塔底控制柜的通讯接口有两个塔底控制柜

34、的通讯接口有两个：u 一个一个ProfibusProfibus通讯接口，实现与变流柜之间的通讯；通讯接口，实现与变流柜之间的通讯；u 一个多模光纤通讯接口，实现与机舱控制柜之间的通讯。一个多模光纤通讯接口，实现与机舱控制柜之间的通讯。3 硬件描述2 2）机舱控制柜）机舱控制柜 机舱控制柜主要控制机舱控制柜主要控制液压站、齿轮箱、发电机、风轮、偏航及风扇、液压站、齿轮箱、发电机、风轮、偏航及风扇、照明照明等执行机构。等执行机构。 机舱控制柜按照数字量与模拟量的划分方式，将总线端子模块分为了机舱控制柜按照数字量与模拟量的划分方式，将总线端子模块分为了两个站点，实现了对机舱内相关物理量的监测与处理。

35、两个站点，实现了对机舱内相关物理量的监测与处理。 机舱控制柜配有嵌入式面板型机舱控制柜配有嵌入式面板型PCPC一台，预装一台，预装WinXPWinXP系统，作为系统，作为HMIHMI，对系统进行管理和监控。对系统进行管理和监控。 机舱控制柜有两个通讯接口机舱控制柜有两个通讯接口： 一个是与塔底控制柜实现光纤通讯的模块；一个是与塔底控制柜实现光纤通讯的模块； 一个是一个是ProfibusProfibus通讯接口，实现与变桨系统之间的通讯。通讯接口，实现与变桨系统之间的通讯。4 软件描述4.1 4.1 运行状态运行状态2MW2MW风机控制器的主流程中包括十一种运行模式：风机控制器的主流程中包括十一

36、种运行模式：p 初始化模式初始化模式p 停机模式停机模式p 服务模式服务模式p 待机模式待机模式p 自检测模式自检测模式p 空转模式空转模式p 启动模式启动模式p 切入模式切入模式p 发电模式发电模式p 共振模式共振模式p 变桨润滑模式。变桨润滑模式。4.1 运行状态4.1.2 4.1.2 初始化模式初始化模式 当风力发电机组控制器在当风力发电机组控制器在重新启动、参数修改、程序更改重新启动、参数修改、程序更改等情况发等情况发生之后，需要进入初始化模式。生之后，需要进入初始化模式。执行初始化程序读取参数文件，如果文件读取错误，将置出状态代码执行初始化程序读取参数文件，如果文件读取错误，将置出状

37、态代码“初始初始化文件错误化文件错误”；将读取到的参数赋给相对应的运行变量；将读取到的参数赋给相对应的运行变量；初始化完成，进入停机模式。初始化完成，进入停机模式。4.1 运行状态4.1.3 4.1.3 停机模式停机模式由状态代码产生停机程序，机组将进入停机模式，在停机模式下：由状态代码产生停机程序，机组将进入停机模式，在停机模式下：对于能够自动复位的状态代码，通过自动复位可进行复位；对于能够自动复位的状态代码，通过自动复位可进行复位；可以通过手动复位的方式对状态代码进行复位，不同的状态代码对应了不同可以通过手动复位的方式对状态代码进行复位，不同的状态代码对应了不同的复位权限；的复位权限；可以

38、通过可以通过SCADASCADA系统对风机进行手动复位；系统对风机进行手动复位；操作操作“服务开关服务开关”，风机可实现服务模式和停机模式之间的切换；，风机可实现服务模式和停机模式之间的切换；执行复位后，如果停机程序执行复位后，如果停机程序11，则风机进入待机模式。，则风机进入待机模式。4.1 运行状态4.1.4 4.1.4 服务模式服务模式 服务模式用于对风机进行维护和试运行，当机舱控制柜门或塔底控制服务模式用于对风机进行维护和试运行，当机舱控制柜门或塔底控制柜门上的维护钥匙开关打开时，系统进入服务模式。柜门上的维护钥匙开关打开时，系统进入服务模式。 当维护钥匙开关锁定时，系统退出服务模式进

39、入停机模式。当维护钥匙开关锁定时，系统退出服务模式进入停机模式。4.1 运行状态4.1.5 4.1.5 待机模式待机模式执行自动偏航；执行自动偏航；如果如果60s60s平均风速大于平均风速大于3m/s3m/s，启动倒计时程序。倒计时时间由自启动倒计时和，启动倒计时程序。倒计时时间由自启动倒计时和高速轴刹车倒计时剩余时间之间较大的数值作为倒计时时间。启动倒计时后，高速轴刹车倒计时剩余时间之间较大的数值作为倒计时时间。启动倒计时后，当风速大于当风速大于3m/s3m/s时倒计时计数器减时倒计时计数器减1 1，当风速小于，当风速小于3m/s3m/s时，倒计时计数器加时，倒计时计数器加1 1；当机组执行

40、了紧急停机程序，则高速轴刹车倒计时激活，设置倒计时时间为当机组执行了紧急停机程序，则高速轴刹车倒计时激活，设置倒计时时间为120s120s。当风轮转速小于。当风轮转速小于1rpm1rpm时，倒计时开始。倒计时满时，倒计时开始。倒计时满120s120s后，高速轴刹车倒后，高速轴刹车倒计时关闭，高速轴刹车倒计时剩余时间置计时关闭，高速轴刹车倒计时剩余时间置0 0；按下柜门面板或按下柜门面板或HMIHMI上的上的“启动按钮启动按钮”，则可跳过自启动倒计时。但是如果，则可跳过自启动倒计时。但是如果高速轴刹车倒数计时剩余时间大于高速轴刹车倒数计时剩余时间大于0 0，则必须要等到高速轴刹车倒计时完成后，则

41、必须要等到高速轴刹车倒计时完成后才能进入自检测模式。才能进入自检测模式。4.1 运行状态4.1.6 4.1.6 自检测模式自检测模式在自检测程序模式下，控制器将在自检测程序模式下，控制器将对变桨系统进行测试，主要包括对变桨系统进行测试，主要包括变桨速度、变桨位置以及高速轴变桨速度、变桨位置以及高速轴刹车检测刹车检测。用户可以选择在自检测程序开始用户可以选择在自检测程序开始之前，通过之前，通过HMIHMI上的按钮选择跳上的按钮选择跳过测试，如果进入了自检测程序，过测试，如果进入了自检测程序，检测过程将不能中途退出。检测过程将不能中途退出。在所有的部件完成测试之后，风在所有的部件完成测试之后，风机

42、转入空转模式。机转入空转模式。4.1 运行状态4.1.6.1 4.1.6.1 自检程序自检程序1 1液压风轮制动阀关闭；液压风轮制动阀关闭；如果在如果在20s20s内，平均桨距位置大于内，平均桨距位置大于7272，状态代码状态代码“自检自检1 1故障故障”激活；激活；如果在如果在20s20s内，平均桨距位置在内，平均桨距位置在70702 2范范围内，则进入自检程序围内，则进入自检程序2 2。4.1.6.2 4.1.6.2 自检程序自检程序2 2如果液压系统主压力小于如果液压系统主压力小于135bar135bar或大于或大于170bar170bar，或风轮转速大于，或风轮转速大于1rpm1rpm

43、，状态代码，状态代码“自检自检2 2故障故障”激活；进入自检程序激活；进入自检程序3 3。4.1 运行状态4.1.6.3 4.1.6.3 自检程序自检程序3 3液压风轮制动阀打开；液压风轮制动阀打开；检查每个转速信号的输入值，要求：检查每个转速信号的输入值，要求：风轮转速风轮转速1 1大于大于0.1rpm0.1rpm，风轮转速风轮转速2 2大于大于0.1rpm0.1rpm如果不满足上述条件，则如果不满足上述条件，则“自检自检3 3故障故障”激活；激活；自检测完成。自检测完成。4.1 运行状态4.1.7 4.1.7 空转模式空转模式设定最大变桨速度为设定最大变桨速度为1010/s/s，设定桨距角

44、最小值为，设定桨距角最小值为3535，设定转速最大值为，设定转速最大值为2rpm2rpm；在在120s120s内，如果风轮转速大于内，如果风轮转速大于1.7rpm1.7rpm持续持续8s8s，则进入启动模式；，则进入启动模式；如果控制器在空转模式下超过如果控制器在空转模式下超过2424小时，或者小时，或者10min10min平均风速小于平均风速小于3m/s3m/s，则退出，则退出空转模式，回到待机模式。空转模式，回到待机模式。4.1 运行状态4.1.8 4.1.8 启动模式启动模式设定风轮转速设定值设定风轮转速设定值= =风轮转速风轮转速+1+1；如果风轮转速大于风轮转速设定值，则重复过程如果

45、风轮转速大于风轮转速设定值，则重复过程2 2，直至提升风，直至提升风轮转速至并网转速；轮转速至并网转速；控制风轮转速，使得风轮转速介于切入转速控制风轮转速，使得风轮转速介于切入转速0.5rpm0.5rpm范围内，范围内，维持维持5s5s之后，控制器向变流器发出并网信号，进入之后，控制器向变流器发出并网信号，进入“切入发电切入发电机模式机模式”；如果风轮转速小于切入转速持续如果风轮转速小于切入转速持续120s120s，则退出启动模式转入空，则退出启动模式转入空转模式；转模式；如果风轮转速介于共振频率转速上下限之间持续如果风轮转速介于共振频率转速上下限之间持续20s20s，则退出启，则退出启动模式

46、转入空转模式。动模式转入空转模式。4.1 运行状态4.1.9 4.1.9 切入模式切入模式设定最大变桨速度为设定最大变桨速度为1010/s/s；控制风轮转速在切入转速控制风轮转速在切入转速0.5rpm0.5rpm范围内；范围内；控制器向变流器发出励磁指令，变流器收到励磁指令后对发电机进行控制器向变流器发出励磁指令，变流器收到励磁指令后对发电机进行励磁，并且检查主断路器或接触器两端的电压和频率，确认符合并网励磁，并且检查主断路器或接触器两端的电压和频率，确认符合并网条件后进行并网，将并网信号反馈给控制器；条件后进行并网，将并网信号反馈给控制器；控制器收到变流器发出的并网确认信号后，确认该信号并且

47、进入发电控制器收到变流器发出的并网确认信号后，确认该信号并且进入发电模式；模式；4.1 运行状态4.1.10 4.1.10 发电模式发电模式设定最大变桨速度为设定最大变桨速度为1010/s/s，桨距角位置和风轮转速设定值通过计算求，桨距角位置和风轮转速设定值通过计算求得；得；根据转矩表向变流器输出转矩要求和功率因数；根据转矩表向变流器输出转矩要求和功率因数；当风机出于发电模式下，如果以下条件任意一个满足则风力发电机组当风机出于发电模式下，如果以下条件任意一个满足则风力发电机组脱网并转入空转模式：脱网并转入空转模式：u10min10min平均风速小于平均风速小于3m/s3m/s，持续，持续120

48、s120su有功功率为负值，持续有功功率为负值，持续120s120su风轮转速小于风轮转速小于8.3rpm8.3rpmu如果风轮转速介于共振频率转速上下限之间持续如果风轮转速介于共振频率转速上下限之间持续20s20s，则进入共振模式。，则进入共振模式。4.1 运行状态4.1.11 4.1.11 共振模式共振模式对于对于SEW 93-70SEW 93-70的风机，由于塔架共振频率不能避免，因此需要加入的风机，由于塔架共振频率不能避免，因此需要加入共振模式，避免风机长时间工作在塔架共振频率范围内。共振模式，避免风机长时间工作在塔架共振频率范围内。在共振模式下，设定风轮转速设定值为共振频率转速下限，

49、最大变桨在共振模式下，设定风轮转速设定值为共振频率转速下限，最大变桨速度为速度为10/s10/s。在共振模式下，如果桨距角大于共振频率桨距角初始值持续在共振模式下，如果桨距角大于共振频率桨距角初始值持续20s20s，则退，则退出共振模式出共振模式4.1.12 4.1.12 变桨润滑模式变桨润滑模式变桨润滑程序在待机模式、空转模式和发电模式下执行；变桨润滑程序在待机模式、空转模式和发电模式下执行；在空转模式或者发电模式下，如果桨距角变化值超过在空转模式或者发电模式下，如果桨距角变化值超过24h24h小于小于1515，则，则执行变桨润滑程序；执行变桨润滑程序；4.2 制动系统4.2 4.2 制动系

50、统制动系统 制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，通过风轮刹车片制动，制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，通过风轮刹车片制动，由液压系统执行。制动功能按照失效保护的原则进行，即失电时处于由液压系统执行。制动功能按照失效保护的原则进行，即失电时处于制动保护状态。制动保护状态。 制动系统将制动程序分为三个级别：制动系统将制动程序分为三个级别：正常停机正常停机(1)(1)、快速停机、快速停机(2)(2)、紧急、紧急停机停机(3)(3)。对轻级别的故障风机将会给出报警信号，在停机程序中定义。对轻级别的故障风机将会给出报警信号，在停机程序中定义为为0 0。u 风机在运行过程中，如果在同一个时间

51、激活很多个状态代码，那么风风机在运行过程中，如果在同一个时间激活很多个状态代码，那么风机将执行这些状态代码中级别最高的制动程序。机将执行这些状态代码中级别最高的制动程序。u 当某一个制动程序执行时间超过设定值时，将启动高一级别的制动程当某一个制动程序执行时间超过设定值时，将启动高一级别的制动程序，这样就避免了制动失败时对风机造成的影响，提高了风机安全的序，这样就避免了制动失败时对风机造成的影响，提高了风机安全的可靠性。当正常停机程序或快速停机程序失败时，将启动紧急停机程可靠性。当正常停机程序或快速停机程序失败时，将启动紧急停机程序。序。4.2 制动系统4.2.1 4.2.1 正常停机正常停机

52、当当出现温度越限、避雷器故障、振动故出现温度越限、避雷器故障、振动故障、齿轮箱故障、发电机电刷故障、执障、齿轮箱故障、发电机电刷故障、执行设备保护信号断开、风速计或风向标行设备保护信号断开、风速计或风向标失效等故障失效等故障时系统将执行正常停机。时系统将执行正常停机。桨叶以桨叶以4 4/s/s的速度变桨至的速度变桨至8989。当风轮转速低于当风轮转速低于8.3rpm8.3rpm时或瞬时输出功时或瞬时输出功率小于率小于0kW(0kW(延时延时2s)2s)或或30s30s平均输出功率平均输出功率小于小于0kW(0kW(延时延时0.5s)0.5s)或或10m10m平均输出功率平均输出功率小于小于0k

53、W(0kW(延时延时0s)0s)时，变流器脱网。时，变流器脱网。当风轮转速低于当风轮转速低于2rpm2rpm时，正常停机结束。时，正常停机结束。4.2 制动系统4.2.2 4.2.2 快速停机快速停机 当出现电网故障、通信故障、变流器当出现电网故障、通信故障、变流器并网断路器故障、熔断器故障、液压并网断路器故障、熔断器故障、液压压力故障、风轮转速超限等故障时系压力故障、风轮转速超限等故障时系统将执行快速停机。统将执行快速停机。桨叶以桨叶以5.55.5/s/s的速度变桨至的速度变桨至8989。当风轮转速低于当风轮转速低于8.3rpm8.3rpm时或瞬时输出时或瞬时输出功率小于功率小于0kW(0k

54、W(延时延时2s)2s)或或30s30s平均输出功平均输出功率小于率小于0kW(0kW(延时延时0.5s)0.5s)或或10m10m平均输出平均输出功率小于功率小于0kW(0kW(延时延时0s)0s)时，变流器脱网。时，变流器脱网。当风轮转速低于当风轮转速低于2rpm2rpm时，快速停机结时，快速停机结束。束。4.2 制动系统4.2.3 4.2.3 紧急停机紧急停机 当出现当出现变流器并网故障、变桨系统变流器并网故障、变桨系统故障、风轮转速超限、安全链断开、故障、风轮转速超限、安全链断开、制动程序制动程序1 1或或2 2超时超时等故障时系统将等故障时系统将执行紧急停机。执行紧急停机。变流器脱网

55、。变流器脱网。桨叶以桨叶以7 7/s/s的速度变桨至的速度变桨至8989。当风轮转速小于当风轮转速小于5rpm5rpm时，液压系统时，液压系统执行风轮制动。执行风轮制动。当风轮转速低于当风轮转速低于2rpm2rpm时，紧急停机时，紧急停机结束。结束。4.3 变桨系统4.3 4.3 变桨系统变桨系统变桨控制器的控制区域划分为三块变桨控制器的控制区域划分为三块：u I I为低风速区为低风速区：变桨控制器未激活，变桨控制器未激活，变桨角度维持在一个最小的桨矩角变桨角度维持在一个最小的桨矩角上。上。u II II为中风速区为中风速区：对进行风轮转速进对进行风轮转速进行行PIDPID控制。控制。u II

56、IIII为高风速区为高风速区：负载处于满载，达负载处于满载，达到额定功率状态到额定功率状态，风轮转速保持在风轮转速保持在额定转速，此时的桨矩角一般在桨额定转速，此时的桨矩角一般在桨矩控制器控制的桨矩角的矩控制器控制的桨矩角的1010范范围内。围内。4.3 变桨系统变桨控制流程变桨控制流程 进行变桨之前，预先设定变进行变桨之前，预先设定变桨加速度和速度，并检测故障信桨加速度和速度，并检测故障信号是否复位，变桨充电器电池是号是否复位，变桨充电器电池是否报错，若一切正常，则变桨系否报错，若一切正常，则变桨系统进入普通模式，调用变桨控制统进入普通模式，调用变桨控制器。据当前的风速来查表插值计器。据当前

57、的风速来查表插值计算变桨目标位置进行变桨。风机算变桨目标位置进行变桨。风机复位或者风机初始化，变桨系统复位或者风机初始化，变桨系统进入普通模式，设定变桨目标位进入普通模式，设定变桨目标位置。置。4.3 变桨系统桨距控制桨距控制桨距控制的主要目的在于通过对转速偏差的桨距控制的主要目的在于通过对转速偏差的PIDPID调节来良好地控制风轮转速。调节来良好地控制风轮转速。首先为防止变桨过程中风轮转速过速，通过首先为防止变桨过程中风轮转速过速，通过10s10s平均风速风况下的最小桨距角；平均风速风况下的最小桨距角；然后通过实际转速与转速设定值的偏差，分别计算然后通过实际转速与转速设定值的偏差，分别计算P

58、IDPID各环节的输出；各环节的输出；之后根据当前桨距角位置求得变桨非线性因数；之后根据当前桨距角位置求得变桨非线性因数；通过变桨非线性因数与通过变桨非线性因数与PIDPID调节器的输出，决定变桨速度和桨距位置设定点；调节器的输出，决定变桨速度和桨距位置设定点；最后与当前风况下的最小桨距角相比较，输出桨距位置设定点。最后与当前风况下的最小桨距角相比较，输出桨距位置设定点。4.4 偏航系统4.4 4.4 偏航系统偏航系统4.4.1 4.4.1 自动偏航自动偏航4.4.1.1 4.4.1.1 自动偏航启动自动偏航启动 在自动偏航下，控制系统将自动计算机舱位置与风向位置的偏差，并且进行在自动偏航下，

59、控制系统将自动计算机舱位置与风向位置的偏差，并且进行修正。除了下面的状态和程序，自动偏航都可以执行：修正。除了下面的状态和程序，自动偏航都可以执行：偏航全局故障；偏航全局故障；偏航解缆故障；偏航解缆故障；风向标故障；风向标故障；液压系统故障；液压系统故障；服务模式激活；服务模式激活；30s30s平均风速小于偏航风速最小值平均风速小于偏航风速最小值(2.5m/s)(2.5m/s)；安全系统故障；安全系统故障；如果左偏航与右偏航的条件同时满足，风机将不会执行自动偏航。如果左偏航与右偏航的条件同时满足，风机将不会执行自动偏航。4.4 偏航系统4.4.1.2 4.4.1.2 自动偏航的方向自动偏航的方

60、向设定偏航控制参数设定偏航控制参数如果如果60s60s平均风速持续平均风速持续25s25s大于设定大于设定值则判断为高风速情况，选择针对值则判断为高风速情况，选择针对高风速情况的偏航控制参数。如果高风速情况的偏航控制参数。如果60s60s平均风速持续平均风速持续25s25s小于或等于设小于或等于设定值，则判断为低风速情况，采用定值，则判断为低风速情况，采用针对低风速情况的控制参数。针对低风速情况的控制参数。参考风向标的标准位置参考风向标的标准位置180180度，将度，将60s60s风向平均值和所设定的偏差进风向平均值和所设定的偏差进行比较。如果风向标的平均值在一行比较。如果风向标的平均值在一定时间内超过设定值