课件1：电气系统组成 华锐风电公司sl1500风力发电机组培训课件

1,电气系统组成,2,风力发电机组的工作原理,原理：风轮在风力的推动产生旋转，实现了风能向机 械能的转换，旋转的风轮通过传动系统驱动发电机旋转，并在控制系统的作用下实现发电机的并网及电能的输出，完成机械能向电能的转换，这就是风力发电机将风能转换成电能的原理。,3,并网型风力发电机组由以下部分组成,1、 风轮(叶片和轮毂) 2、 传动系统 3、 偏航系统 4、 变浆系统 5、 液压系统 6、 制动系统 7、 发电机 8、 控制与安全系统 9、 塔筒 10、基础 11、机舱,4,1、风轮(叶片和轮毂),捕获风能的关键设备。一般由3个叶片组成，所捕获的风能大小直接决定风轮的转速。,5,2、传动系统,风轮与发电机的连接纽带。齿轮箱是其关键部件。通过齿轮箱，风轮的低转速才能使发电机以接近额定的转速旋转，达到并网发电的目的。,6,3、偏航系统,使风轮的扫掠面始终与风向垂直，以最大限度地提升风轮对风能的捕获能力，并同时减少风轮的载荷。,7,4、变浆系统,通过调整叶片的角度，使风力发电机组获得最为理想的能量,当风速变化时，特别时超过额定风速后，调整叶片的角度，控制风力发电机组的转速和功率，维持机组工作在最佳状态。,8,5、液压系统,为变矩机构和制动系统提供动力来源。,9,6、制动系统,使风轮减速和停止运转的系统。,10,7、发电机,其作用是将风轮的机械能转化为电能。,11,8、控制与安全系统,控制系统包括控制和监测两部分。监测部分将采集到的数据送到控制器，控制器以此为依据完成对风力发电机组的偏航控制、功率控制、开停机控制等控制功能。,12,9、塔筒,风力发电机组的支撑部件。它使风轮到达设计中规定的高度。其内部还是动力电缆、控制电缆、通讯电缆和人员进出的通道。,13,10、基础,为钢筋混凝土结构，承载整个风力发电机组的重量。基础周围设置有预防雷击的接地系统。,14,11、机舱,风力发电机组的机舱承担容纳所有的机械部件，承受所有外力（包括静负载及动负载）的作用。,15,整个电气系统主要包括以下组成部分: 供电系统 变频器 发电机 偏航系统 变桨系统 UPS系统 水冷系统 油冷润滑系统 制动系统 加热系统,16,变压器,17,变频器,变频器主要参数:,系统功率：1500 KW 变频器功率：500 KVA 额定电压：690 VAC， 10% 电源频率：50 Hz， 2Hz 连接电压：1000-1100 VDC 转子最高有效电压：700 VAC 操作频率：3 kHz 功率因数：容性0.95感性0.90 滑差范围：30%(注：滑差就是发电机电压和系统电压频率的差（频差）， 发电机并网时,要求滑差应小于允许值。) 电压不对称度：2%(注：程序内极限差20VAC) 电流不对称度：10%,18,控制特性 双DSP(80MHz)PWM控制 3kHz PWM脉宽调制 CPLD硬件保护和信号通道 多路运算开关 数字信号输入输出,硬件保护 过电流 超温 IGBT 欠饱和 母线过电压 电源监视,变频器特性,19,网侧变频器与机侧变频器实现的功能,电网侧变频器 控制直流母线电压 预充电 网侧接触器同步 电网监视,发电机侧变频器发电机力矩控制 功率因数调节 发电机定子电压控制 速度监视 Crowbar 触发,20,变频器工作过程,（1）预充电(S2)：防止高频滤波器件过流。由LSC 的J6-2 号端子发出230VAC给预充电接触器K340.2 的A1 号端子，预充电接触器吸合，变频器直流母排充电至975VDC 左右，网侧变频器工作，母排直流电压经网侧变频器逆变使A 点电压渐升为690VAC，且电流值为57A。如果没有预充电环节，直接吸合网侧接触器，大压差会使A 点瞬间过电流。,21,变频器工作过程,（2）网侧变频器启动(S6)。由LSC 的J8-2 号端子发出230VAC 给网侧接触器，网侧接触器K340.4 闭合，同时预充电接触器断开，能量从电网经网侧变频器至直流母排，母排电压为1050VDC，网侧变频器提供系统所需无功能量，包括变压器、高频滤波装置等。在此状态时，由LSC 的J8-2 号端子发出230VAC 同时也给了定子接触器K150.1，但定子接触器不吸合，此时定子接触器等待GSC 的J8-2端子发出24VDC 给定子接触器，只有2 个信号电压同时满足时，定子接触器才能吸合。,22,工作过程,（3） 机侧变频器启动(S7)。网侧变频器电流80A 左右，机侧变频器电流20A左右。此时，GSC 给发电机转子励磁，GSC 根据发电机并网所需的条件来不断调节GSC 发出的电压、频率等。,23,变频器工作过程,（4） 同步(S7-syn)。风机转速达到1300rpm，机侧变频器注入140A 电流，发电机定子侧电压达到690VAC。处于此状态时，由LSC 从电网获得的电压、频率等参数与GSC 从发电机定子侧获得的参数进行比较，此过程最多可持续1 分钟。,24,变频器工作过程,（5） 定子接触器闭合，发电(S8)。定子电压幅值、相位、频率与电网电压近乎一致，由GSC 的J8-2 端子发出24VDC 给定子接触器，定子接触器闭合，风机并网发电。,25,风能流向,26,发电机,双馈异步发电机定义及系统组成,双馈异步发电机的定义：双馈异步发电机是恒频发电机的一种，发电机的定子和转子直接或间接与电网相连，并进行能量交换。双馈异步风力发电机系统组成如下页图所示，图中省略了变压器、滤波器等构件。其中定子通过并网开关直接接入电网，转子通过变频器接入电网。转子上装配有光电编码器。,27,双馈异步发电机的系统组成图,28,发电机,双馈异步发电机的基本参数,工作制： 连续 相数： 三相 额定功率： 1520 KW 额定转速： 1800 r/min 转速范围： 1000-2000 r/min 中心高： 500 mm 额定功率下的效率：97% 额定功率因数： 1 定子绕组连接方式：三角形 定子额定电压： 690 V 定子额定电流： 1064 A 定子额定频率： 50 Hz,29,转子类型： 绕线式 转子绕组接线方式：星型 转子额定电压： 419 V 转子堵转电压： 2018 V 最大转子电流： 450 A 绝缘等级： H 级 结构型式： IM B3 极数： 4 极 冷却方式： 机壳水泠 绕组温升限值： 105 K 转向： 从输出轴方向观察为逆时针 防护等级： IP54 重量： 不大于 6350 kg,30,当发电机转速小于定子旋转磁场同步转速1500rpm时，发电机处于亚同步状态，此时转子通过变频器从电网中吸收功率，定子直接馈送电能给电网；当发电机转速大于旋转磁场的同步转速1500rpm时，发电机处于超同步运行状态，此时转子通过变频器馈送电能给电网，定子直接馈送电能给电网；当发电机转速等于旋转磁场的同步转速1500rpm时，发电机作为同步电机运行，转子有功几乎为零，既不从电网吸收有功率也不向电网馈送有功。变频器向转子提供接近于直流的无功励磁电流。当发电机转速变化时，通过调整转子的频率响应变化，可使定子电流频率保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现了变速恒频控制。,发电机运行过程,31,偏航系统位于塔筒与主机架之间，由四组驱动装置、偏航卡爪、滑动衬垫和大齿圈等零部件组成（见下图）。大齿圈与塔筒紧固在一起，偏航驱动装置和偏航卡爪均与主机架连接在一起，外部有玻璃钢罩体的保护，大齿圈上下布置滑动衬垫。偏航装置根据风速风向仪测得的风速风向信号，通过同步控制的四组驱动装置绕着偏航齿圈转动机舱。偏航系统设置有限位开关，能够自动解缆。,偏航系统,32,偏航控制系统,偏航控制系统由风速风向仪、偏航计数器、偏航驱动以及NCC300 柜内的偏航变频器组成。偏航变频器主要为偏航电机和偏航计数器等提供电源，实现变频启动，减小电流对于电机启动时的冲击。偏航变频器将偏航系统各传感器相关信息反馈给PLC，并根据PLC 程序指令控制偏航电机的工作。,1、偏航条件：风速风向仪将检测的风向传送到PLC 内，当风向与机舱角度达到12 度， 根据预定程序，PLC 向偏航变频器输入偏航指令。然后，变频器向偏航电机提供动力，并检查各传感器的工作状态，根据偏航计数器记录的角度，准确偏航。,2、偏航限制：当偏航角度超过700时，机组则进行反向解缆，用于保护电缆，防止扭损。机组偏航时，偏航功率不能低于4KW。机组静止时，机舱最大位置改变不大于1 度。,3、偏航制动：当偏航结束时，偏航变频器停止向偏航电机供电。此时，每台偏航电磁刹车将提供约8100NM 的制动力矩，定位机舱。同时，根据偏航计数器的记录，确定机组停机定位状态。,33,偏航系统上的传感器,风速风向仪是偏航系统最重要的组成部分之一，它的主要作用是用来测量风速和风向。,偏航计数器是安装在主机架与大齿圈之间软件上测量偏航时角度,硬件上限制偏航角度。机组在偏航时，大齿圈带动计数器上的白色塑料小齿轮转动，通过计数器自身编码器计量偏航角度。当超过700时，软件极限报警被触发，将停止偏航，防止电缆扭损。硬件上超过720 时触发报警。,34,变桨系统,变桨系统作为主要的制动系统使用，可以在额定功率范围内对风机速度进行控制。变桨系统包括三个驱动装置，有变浆电机，变浆减速机和变桨轴承，可以实现每个叶片单独调整。,变桨系统可实现的功能如下：当风速超过额定风速时，通过控制叶片角度来控制风机的速度和功率；当机组产生故障时，叶片可作为空气动力制动装置使机组安全停机；当风速低于额定风速时，通过调整叶片角度从风中吸收更多的风能。,35,变桨系统的工作过程,36,变桨系统中的传感器,37,变桨系统的手动模式,由于三支叶片分别由独立的3 套变桨控制单元来控制，因此我们既可以同时控制3支叶片变桨，也可以通过手动控制盒对每支叶片进行独立变桨。手动模式通过连接手动操作盒来设置，且手动模式要优先于其他控制方式。,38,变桨系统主要有以下几种停机方式： 正常停机 快速停机 安全停机 紧急停机 超速停机,变桨系统的停机方式,39,滑环,滑环是联系机舱控制柜和变桨控制柜的重要纽带，其安装在齿轮箱的一侧是静止的，靠近轮毂的一侧是随轮毂的转动而旋转的。轮毂内各电气系统的电源、PLC 发送给变桨控制系统的控制信号、变桨控制系统反馈给PLC 的状态信号，都是通过滑环来传输，同时滑环还有检测轮毂转速、过压保护等其他功能。,40,UPS系统,UPS 电池系统是风力发电机组的后备电源。当发生电网故障造成供电中断时，由UPS 系统继续为控制系统和变桨系统提供电源，保证风力发电机组的正常停车。,41,机舱内UPS 电池系统主要由30块额定电压为12VDC的电池串联组成，单块电池容量为5Ah；整个系统包括充放电回路、电压检测回路、电池组和加热回路等部分。其中充放电回路和电压检测回路等位于机舱控制柜NCC310 内，电池组和加热回路等位于发电机尾部BAT300 柜内。,UPS系统,42,水冷系统,水冷系统由水泵装置、冷却器、储能器、温控阀、手动阀、压力表及连接管路等组成。它主要对发电机,变频器和控制柜进行冷却。水泵工作后，冷却水经发电机、变频器、冷却器构成冷却水循环回路。泵入口处的温控换向阀通过检测冷却介质的温度自动转换冷却介质流向，使冷却介质通过冷却器或不通过冷却器。水温低于25时冷却介质不通过冷却器，当水温高于25时温控换向阀的阀芯开始动作，一部分冷却介质通过冷却器，随着温度的逐渐升高，阀芯的开口度也逐渐增大，通过冷却器的介质流量也逐渐增大；当水温达到30时冷却介质全部通过冷却器。对于流向水泵的水，在流经压力传感器时，如果压力过低，加压容器就会工作补充压力；如果压力足够则直接流向水泵。水泵出口处设有安全阀，当冷却水压力超过设定值3 bar 时，安全阀动作，用以维持系统压力的稳定。,43,44,控制柜冷却循环图,45,油冷润滑系统,润滑供油系统：润滑供油系统由泵-电机组、过滤器、阀及管路等组成，用于润滑系统所需的压力和流量，并控制系统的清洁度。其工作原理见油冷循环图。,46,油泵上的安全阀设定压力为12bar,以防止压力过高损坏系统元件。当润滑油温度低或当过滤器滤芯压差大于4bar 时，滤芯上的单向阀打开，液压油只经过50m 的粗过滤；当温度逐渐升高，滤芯压差低于4bar 时，液压油经过10m 和50m 两级过滤。无论何种情况，未经过滤的液压油决不允许进入齿轮箱内各润滑部位。当油池温度低于30C时，过滤器的油过滤压力传感器报警信号无效；而当油池温度超过30C 时，当压差达到 3 bar 时，此时报警信号才有效，必须在两天内更换清洁的滤芯。,润滑系统,47,润滑供油系统油泵技术参数,48,风冷却器用于冷却齿轮箱的润滑油。该风冷却器由电机、高性能轴向风扇、散热片和温控阀、旁通阀组成。其工作原理见图油冷循环图，即当齿轮箱的油温达到55时，温控阀关闭，风冷却器开始自动工作，润滑油经风冷却器冷却后再进到齿轮箱进行强制润滑；当油池温度降到50时，风扇冷却器自动停止工作，润滑油直接经温控阀进到齿轮箱进行强制润滑。当冷却器的压差达到6bar 时，旁通阀开启，润滑油不经冷却器而直接进到齿轮箱。,风冷却器,49,齿轮油加热器及温度开关,齿轮箱共设有六个加热器接口，通常安装使用三个加热器，另外三个备用。在北方严寒的冬天，可适当增加安装加热器的个数。控制加热器工作的温度开关（电阻温度计PT100）位于输出箱体的下部。当油池温度低于5时，加热器开始工作；当油池温度高于或等于10时，加热器停止工作。,50,制动器系统,制动器用于工作时紧急停机，在非工作时作为锁定制动器使用。制动器动作时需要液压系统工作。关闭制动器时，压力降低，制动闸瓦通过弹簧力压在制动盘上。液压系统重新加压时，制动器松开。该制动器是一个液压动作的盘式制动器，为常闭式，具有刹车间隙自动补偿功能。制动器闸瓦可以自动调整，永远保持在正确的位置。,51,52,制动器工作原理：当机组制动器从关闭到需要打开时，首先,电磁阀20 和21.1 动作, 电磁阀20 打开,21.1 关闭,然后,油泵电机4 工作，并通过过滤器15、单向阀17、两位两通电磁阀20 将液压油泵入制动器的油缸中，压缩弹簧使制动钳松开，此时，电磁阀21.1处于关闭位置，如图红色线所示。当系统压力大于压力开关40 设置的停泵压力160 bar时,电机停止工作,当系统压力减弱到压力开关40 设置的启泵压力130 bar 时,电机4 开始工作将压力重新升高到160 bar。系统压力大于溢流阀16 的响应压力（190bar）时，部分液压油通过溢流阀16 流回油箱。当需要制动时，电磁阀20 和21.1 失电,电磁阀20关闭，电磁阀21.1 打开，制动器油缸中的液压油经节流阀21、电磁阀21.1 流回油箱，如图蓝色线所示。（电磁阀20 为常闭，即当电磁阀不带电时为关闭状态，电磁阀21.1 为常开，即当电磁阀不带电时为打开状态。）,制动器工作原理,53,加热系统,风机上的加热系统是为了满足相应的设备器件达到能够正常工作的温度环境。,具有加热系统的地方有：机舱控制柜，塔基控制柜，轮毂控制柜，电池柜，齿轮箱，发电机，滑环，风速风向仪。,54,机舱加热,机舱加热器只在低温型风力发电机组里安装，通常安装有两个加热器，在齿轮箱下边一个，在发电机下边一个,每个加热器功率为15KW。控制加热器工作的温度开关（电阻温度计PT100）位于机舱控制柜NCC300 外边。当机舱温度低于5时加热器开始工作；当机舱温度高于或等于10时，加热器停止工作。,55,控制柜加热,控制柜都采用电加热方式对控制柜进行加热，NCC300 柜内由两个额定电压230VAC、功率为250W 的加热器进行加热，NCC310 柜内也由两个额定电压230VAC、功率为250W 的加热器进行加热，低温机组NCC310 内由3 个额定电压230VAC、功率为250W 的加热器进行加热；NCC300 和NCC310 内的加热器由同一个温度控制开关来控制，此温度开关位于NCC310 内，此温度开关可以自己设定加热控制的温度条件，一般设置为20，即当NCC310 内温度低于20时，NCC300 和NCC310的加热器启动对两个控制柜进行加热，当NCC310 内温度高于或等于20时，加热器停止加热；控制柜NCC320 内由3 个额定电压230VAC、功率为250W 的加热器进行加热，控制加热器工作的温度开关位于NCC320 内，同样温度开关可以自己设定加热控制的温度条件，一般设置为20；塔基控制柜内由一个额定电压230VAC、功率为250W 的加热器进行加热，控制加热器工作的温度控制开关位于塔基控制柜内，控制温度一般设置为20。,56,57,轮毂内三个变浆控制柜由分别由一块额定电压为230VAC、额定功率为300W的电加热板来加热，控制加热器工作的温度开关（电阻温度计PT100）位于变浆控制柜内，当任一个变浆控制柜温度低于20时，三个变浆控制柜内的加热器同时开始加热，当三个变浆控制柜温度同时大于25时，变浆控制柜内的三个加热器同时停止工作。轮毂集电环内为两个额定电压为230VAC、功率为13W 的加热棒，其控制与变浆控制柜的控制同步。,轮毂控制柜和滑环加热,58,机舱内电池柜由一块额定电压为230VAC、功率为300W 的电加热板来加热，控制加热器工作的温度开关（电阻温度计PT100）位于机舱电池柜内，当电池柜、内温度低于15时，加热器开始工作，当电池柜内温度高于或等于20时，加热器停止工作。,电池柜加热,59,发电机加热,永济发电机加热器,永济发电机装配有4 个供电电压为220V 功率为150W 的电加热器。电加热器的电源线已引至辅助接线盒中。控制加热器工作的温度开关（电阻温度计PT100）位于发电机定子绕组内,当发电机温度低于10,加热器开始工作,当发电机定子绕组温度高于或等于20,加热器停止工作。,60,发电机加热,天元发电机加热器,天元发电机装配有2 个供电电压为220V 功率为300W 的电加热器。电加热器的电源线已引至辅助接线盒中。控制加热器工作的温度开关（电阻温度计PT100）位于发电机定子绕组内,当发电机温度低于10,加热器开始工作,当发电机定子绕组温度高于或等于20,加热器停止工作。,61,加热器及温度开关：齿轮箱共设有六个加热器接口，通常安装使用三个加热器，另外三个备用。在北方严寒的冬天，可适当增加安装加热器的个数。控制加热器工作的温度开关（电阻温度计PT100）位于输出箱体的下部。当油池温度低于5时，加热器开始工作；当油池温度高于或等于10时，加热器停止工作。,齿轮油的加热,62,风速风向仪加热,风速风向仪内的加热器由内部程序控制：当环境温度低于2或风速风向仪故障时间超过3s 时，加热器开始加热；当环境温度高于7并且风速风向仪脱离故障10s,加热器停止工作。,63,控制柜内电气元件分布,机舱控制柜(NCC300,NCC310,NCC320,BAT300) 轮毂内控制柜(HC400,HC410,HC420) 塔基控制柜(TBC100),64,NCC30 机舱变频器机柜,控制柜内电气元件大体分布,65,NCC300,66,NCC310,67,NCC320,68,TBC100,TBC100塔基PLCUPS电源通讯交换机等,69,塔基柜基本电路,70,71