风力发电机组控制系统及SCADA系统.ppt

风力发电机组控制系统及SCADA系统 风力发电机组的控制系统 风力机的运行及保护需要一个全自动控制系统 它必须能控制风机自动启动 控制叶片桨距的机械调节装置及在正常和非正常情况下停机 除了控制功能 系统用于监测以提供运行状态 风速 风向等信息 该系统是以计算机为基础 一般具备远程控制及监测功能 控制系统具有以下主要功能 1 顺序控制启动 停机以及报警和运行信号的监测2 偏航系统的低速闭环控制3 桨距装置快速闭环控制4 与风电场控制器或远程计算机的通讯 风机运行状态划分 运行状态1 机械刹车松开2 允许机组并网发电3 偏航系统投入自动4 变桨系统选择最佳工作状态5 发电机出口开关闭合 若风速够大可以发电 则大 小发电机的相应开关闭合 风机运行状态划分 停机状态1 机械刹车松开2 偏航系统停止工作3 叶片收回至90 变桨系统停止工作4 发电机出口开关闭合 其余开关均断开 风机运行状态划分 紧急停机状态1 机械刹车与空气动力刹车同时快速动作2 计算机输出信号被旁路 使计算机没有可能去激活任何机构3 计算机仍在运行和测量所有输入信号4 发电机出口开关和所有接触器断开5 叶片紧急收回至90 后变桨系统停止工作6 偏航系统停止工作风力发电机组进入紧急停机状态后 除非手动进行复位 否则无法启动 自动运行控制要求 1 开机并网控制当风速十分钟平均值在系统工作区域内 机械刹车松开 叶片开始变桨 风力作用于风轮旋转平面上 风机慢慢起动 当转速即将升到发电机同步转速时 软启动装置使发电机连入电网呈异步电动机状态 促使转速快速升高 待软启动结束旁路接触器动作 机组并入电网运行 自动运行控制要求 对于有大 小发电机的风力发电机组组 按风速范围和功率的大小 确定大 小电机的投入 但大电机和小电机的发电工作转速不一致 通常为1000r m和1500r m 在小电机脱网 大电机并网的切换过程中 要求严格控制 通常必须几秒完成控制 自动运行控制要求 2 小风和逆功率脱网小风和逆功率停机是将风机停在待风状态 当十分钟平均风速小于小风脱网风速或发电机输出功率负到一定值后 风机不允许长期在电网运行 必须脱网 处于自由状态 风机靠自身的摩擦阻力缓慢停机 进入待风状态 当风速再次上升 风机又可自动旋转起来 达到并网转速 风机又投入并网运行 自动运行控制要求 3 普通故障脱网停机机组运行时发生参数越限 状态异常等普通故障后 风机进入普通停机程序 机组收回桨叶 软脱网 待低速轴转速低于一定值后 再抱机械闸 如果是由于内部因素产生的可恢复故障 计算机可自行处理 无需维护人员到现场 即可恢复正常开机 自动运行控制要求 4 紧急故障脱网停机当系统发生紧急故障如风机发生飞车 超速 振动及负载丢失等故障时 风机进入紧急停机程序 机组在迅速收回桨叶的同时执行机械刹车装置 迅速将风机制动 防止故障进一步加深 自动运行控制要求 5 安全链动作停机安全链动作停机指电控制系统软保护控制失败时 为安全起见所采取的硬性停机 叶片迅速变桨收回 机械刹车和脱网同时动作 风力发电机组组在几秒内停下来 自动运行控制要求 6 大风脱网控制当风速10分钟平均值大于25m s时 风力发电机组可能出现超速和过载 为了机组的安全 这时风机必须进行大风脱网停机 风机先投入收回叶片 等功率下降后脱网 20秒后或者低速轴转速小于一定值时 抱机械闸 风机完全停止 当风速回到工作风速区后 风机开始恢复自动对风 待转速上升后 风机又重新开始自动并网运行 自动运行控制要求 7 对风控制风机在工作风速区时 应根据机舱的控制灵敏度 确定每次偏航的调整角度 由风向标判定机舱与风向的偏离角度 根据偏离的程度和风向传感器的灵敏度 时刻调整机舱偏航电机的运行状态 自动运行控制要求 8 功率调节当风机在额定风速以上并网运行时 一旦发生过载 必须进行变距调节 减小风轮的捕风能力 以便达到调节功率的目的 通常桨距角的调节范围在0 90 自动运行控制要求 9 软切入控制风力发电机组组在进入电网运行时 必须进行软切入控制 通常软并网装置主要由大功率晶闸管和有关控制驱动电路组成 控制其目的就是通过不断监测机组的三相电流和发电机的运行状态 限制软切入装置通过控制主电路晶闸管的导通角 以控制发电机的端电压 达到限制起动电流的目的 在电机转速接近同步转速时 旁路接触器动作 将主电路晶闸管断开 软切入过程结束 软并网成功 风电机组工作状态及控制方法 V切入风速 V风速 V转子最大转速下的风速最佳Cp值控制 虽然最大Cp值在不同风速下是不相同的 但在风速一定的情况下 需要使它达到最大 由上面的公式知道 只需要控制发电机的转速 使叶尖速比值为 opt即可实现该风速下的最佳风能利用 发电机的转速控制是通过风电变频器对发电机的控制来实现的 V转子最大转速下的风速 V风速 V额定风速恒转速控制 保持额定转速 直到达到最大功率 这时Cp值不一定最佳 V额定风速 V风速 V切出风速恒功率控制 通过变桨距调节 保持输出功率为额定值 风力发电机组的控制目标 1 控制系统保持风力发电机组组安全可靠运行 同时高质量地将不断变化的风能转化为频率 电压恒定的交流电送入电网 2 控制系统采用计算机控制技术实现对风力发电机组组的运行参数 状态监控显示及故障处理 完成机组的最佳运行状态管理和控制 3 利用计算机智能控制实现机组的启停及功率优化控制 主要进行软切入 功率因数补偿控制 大小发电机切换和额定风速以上的恒功率控制 风机控制系统组成 塔基控制柜风机各控制功能中央处理及通讯风机本地监控和操作机舱控制柜主控制系统的远程I O站偏航控制及其他辅助控制功能轮毂控制柜机舱CAN从站变桨控制及其他辅助控制功能 控制系统框图 塔基控制柜 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 风机 端子板等等 塔基控制柜 PLC主站系统1 CPU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2 FM模块 FASTBUS总线通讯模块 与机舱PLC从站进行数据交换3 DIO模块 处理各种外部开关量输入 输出 如风机起动 停车 变压器高侧压开关的状态 变频器及冷却装置等外部信号4 AIO模块 处理各种外部模拟量信号如 变频器冷却装置的入口 出口水压 变压器温度等5 空模块 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PCH3 紧急故障继电器4 各种断路器 继电器 开关等 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 润滑系统控制发电机温度检测和保护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 轮毂锁装置 用于固定风轮使用液压闭锁装置在风机停机维护时使用 轮毂控制柜 安装于柜体中 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 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 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 SUZLON滑环 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 33MHZ 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 BachmannM1PLC系统特点 实时多任务操作系统VxWorks灵活的编程方式C IL ST FDB LD SFC CFC强大的仿真功能matlab中产生的代码通过M1PLC的编译工具编译后可以直接在M1PLC中运行强大的软件示波器功能大大降低了分析和调试的时间多种风电机组工具包如 生产数据处理 功率曲线 偏航控制 统计分析等等数据安全 模块化软件设计 风力发电机组模块主控制顺序 启动 停车 重启等发电顺序 及主风机事件评估变频器模块变频器控制及变频器事件评估机舱模块偏航控制 机舱辅助控制及机舱事件评估轮毂模块变桨控制 轮毂辅助控制及轮毂事件评估事件处理模块所有事件处理硬件模块I O地址设定 开关量及模拟量通道设定 模块化软件设计 报告模块可利用率及生产统计处理用户接口模块基于对象的信号处理 主要是与本地监控系统和中央监控系统的数据交换仿真模块内置的仿真模块用于控制系统的软件测试 同时还可用于工厂3个控制柜的工厂测试库模块标准函数及标准功能块 BACHMANN模块介绍 MPC型控制器 使用PC机 适应性强奔腾III系列处理器处理器时钟频率400MHZ2个串口2个10 100M以太网口1个USB1 1接口具备运行 初始化 出错指示的指示灯大容量外存 最大1G 32 64 128MB内存最大512K数据存储器 电池后备电源64kFRAM数据存储器PC机板载4 8 16 32 64MB闪存式程序存储器 4MB内部闪存用于系统软件 DIO数字量输入输出模块 可配置输入 输出比可从数字传感器读取信号数字执行机构切换提供输入与输出I O电位间的插针 并与总线电隔离防止输出短路 过载热保护数字输入 输出模块DIO2XX可用于驱动执行机构 如接触器 继电器 气动阀和液压阀 还可用于读取数字工作设备的信号 如传感器 光电管设备和各种开关 DIO数字量输入输出模块 16 48 64 80个数字通道16个通道克设置成输入或输出I O点配置中断输入量每个通道带有状态指示LED供电电源18 34VDC 电源具有极性反接保护 数字输入输出模块TTL264 48个数字输入通道16个数字输出通道状态指示 黄色LED表正常 RDY 电源内部的5伏直流取自背板可连接外部5伏直流电源 AIO模拟量输入输出模块 每个输入通道的输入电压可设置成 1V 10V 或者0 20mA12路Pt100信号测量范围 100 300 取16个数值做平均 提高精度出错检测传感器和执行机构可取单端或差别连接可连接2线制PT100 温度记录模块PTAI216 温度记录模块PTAI216有4路模拟输入和12路PT100传感器输入单端或差分模拟输入信号可输入2线Pt100传感器分辨率14位 AI 12位 Pt100 取样时间2 5毫秒 AI 600毫秒 Pt100 输入与系统电隔离断线监测投入监测外部电源电压 温度记录模块PTAI216 温度记录模块PTAI216有4路模拟输入和12路PT100传感器输入单端或差分模拟输入信号可输入2线Pt100传感器分辨率14位 AI 12位 Pt100 取样时间2 5毫秒 AI 600毫秒 Pt100 输入与系统电隔离断线监测投入监测外部电源电压 计数模块CNT204 x 4单路计数输入状态显示 LED 绿色 每计数器 标志输入2个输入通道的增量编码器编码器电源直接连接输入可以同步监测所有的电源电压差分测量 脉冲之间时间测量 分辨率为1微秒 PWM模块 脉宽调制模块PWM202包含两个高功率输出的直接连接电感或电阻负载如直流驱动器 线圈等 使用脉宽调制 2输出脉宽调制信号状态显示 LED 绿色 选择高功率或TTL输出信号监测输出监测外部电源监测内部温度 CAN总线CM202 CANopen主模块CM202带有集成处理器 性能高用于把CAN总线设备与M1控制器连接在一起每个CANopen主模块带有两个独立的CAN总线每个CAN总线可带最多64个节点 CAN总线从模块CS200 N 传输率从10k波特率到1M总线长度最长可达5000米使用光电耦合器把它与总线电隔离短路保护 FastBus模块 FastBus模块FM211和FS211可把输入 输出远程基站与主控制器连接在一起传输介质可选择传输速度为73MHZ的光缆它工作在双工模式 是同时通讯 FastBus模块 最多可配置15个子站 子站间采用光纤传输 最远距离达150米信号到达第一个子站处的时延为3 5微秒 每个子站间的时延为1 4微秒控制器系统的所有输入 输出模块可用于FastBus子站中采用光纤可实现电隔离 以太网总控制器 EM203模块是一种工业兼容以太网主控器它用于访问M1控制器系统的数据 EM203模块也能用于子站连接通过FastBus以太网采用10 100BaseT技术 带有RJ45接头通讯电缆最长达100米状态显示LED 存储卡 模块背板BackplanesBS2xx 1 16路模块插槽可扩充紧凑设计防震设计背部拉扣设计 电源模块 M1控制器系统电源