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2 0MW风电机组培训教材 控制系统 1概述 H93CH 2 0MW型风电机组是变桨变速功率调节 三叶片 上风向 水平轴 双馈式并网型风力发电设备 按照GL IECTC2A 风况进行设计计算 整个机组的噪声特性符IEC61400 11标准的规定 整机见下图 1 1主要技术参数风轮直径93 6m扫掠面积6877m2风轮布置形式上风向叶片数量3旋转方向顺时针 cw 面向风轮额定功率2068kW无功功率调节0 9 感性 1 0 9 容性 输出电压690V 10 电网频率50Hz 1 切入风速3m s切出风速25m s 600s平均风速 额定风速9 7m s转速范围8 7 16 8rpm额定转速15rpm安全风速70m s 50年一遇 3秒平均风速 功率调节方式电气变桨叶片变桨范围0 91 风轮仰角5 风轮锥角3 5 设计使用寿命20年防雷保护等级IEC61400 24 级注 空气密度为1 169kg m3下的值 1 2风机控制系统布局 2控制系统 H93CH 2 0MW风电机组控制系统是全自动化运行设备 实时监测 控制风力发电机组运行 只有设备维护时才需要手动操作 控制系统内置单机远程监控功能 可以通过网络监视 控制风电机组运行 控制系统还具有运行数据记录功能 可以查看运行日志 控制系统主要由PLC及I 0模块 供电设备 传感器 执行器件等构成 这些控制设备 执行器件安装于塔基 机舱控制柜以及变桨控制柜 2 1控制系统组成 塔基控制柜塔基控制柜包含辅助电源 PLC及I O模块 电网测量 安全链 以太网交换机 控制柜散热控制及加热控制 雷电保护等 2 3塔基控制柜 塔基控制柜的控制柜门上设置有紧急停机开关 启动按钮 停机按钮 复位按钮 维护钥匙开关 故障指示灯 待机指示灯 运行指示灯 维护状态指示灯 安全链指示灯 紧急停机开关动作指示灯 电网连接指示灯 辅助电源开关 所有这些操作 显示器件可以完成对控制系统的启动 停机和复位 紧急停机 维护状态切换等操作 并指示其工作状态 紧急停机开关 按下时断开安全链 机组紧急停机 拉出时接通安全链 启动按钮 启动风电机组 停机按钮 停止风电机组运行 复位按钮 复位风电机组 维护钥匙开关 逆时针转动钥匙 0 位置 置控制系统为正常运行状态 顺时针转动钥匙 1 位置 置控制系统为维护状态 此时可以使用机舱控制柜门上左变桨 右变桨 左偏航 右偏航及机舱远程操作控制盒上的制动盘制动控制风电机组 待机指示灯 绿色 指示灯长亮表明风电机组处于准备运行状态 可以启动 指示灯闪烁 表明控制系统自动启动模块已经激活 经过一段时间后设备会自动启动 或者表示故障信号已被复位 运行指示灯 绿色 指示灯亮 表明风电机组处于正常运行状态 故障指示灯 红色 表明风电机组出现故障 维护状态指示灯 蓝色 表明风电机组处于维护状态下 塔基控制柜或机舱控制柜门上的维护钥匙开关处于 0 位置 安全链指示灯 红色 表明安全链断开 紧急停机开关动作指示灯 红色 表明紧急停机开关断开 电网连接指示灯 绿色 表明风电机组与电网连接 辅助电源开关 逆时针转动到 OFF 位置 则关闭塔基 机舱和轮毂的所有辅助电源 顺时针转动到 ON 位置 则接通塔基 机舱和轮毂的所有辅助电源 机舱控制柜 机舱控制柜包含齿轮箱监测与控制 发电机监测与控制 制动器监测与控制 偏航监测与控制 风速风向 环境监测 润滑油 冷却水监测与控制 润滑油离线过滤装置监测与控制 机舱温度监测与控制 安全链路 I O模块 维护控制 控制柜散热和加热控制 雷电保护等 2 3机舱控制柜 机舱控制柜的控制柜门上设置有紧急停机开关 启动按钮 停机按钮 复位按钮 维护钥匙开关 左变桨 右变桨 左偏航 右偏航 故障指示灯 待机指示灯 运行指示灯 维护状态指示灯 安全链指示灯 紧急停机开关动作指示灯 电源开关 这些操作 显示器件可以完成对控制系统的启动 停机和复位 紧急停机 维护状态切换 维护状态下的左右变桨 维护状态下的左右偏航等操作 并指示系统故障 机舱控制柜的控制柜门上设置有紧急停机开关 启动按钮 停机按钮 复位按钮 维护钥匙开关 左变桨 右变桨 左偏航 右偏航 故障指示灯 待机指示灯 运行指示灯 维护状态指示灯 安全链指示灯 紧急停机开关动作指示灯 电源开关 这些操作 显示器件可以完成对控制系统的启动 停机和复位 紧急停机 维护状态切换 维护状态下的左右变桨 维护状态下的左右偏航等操作 并指示系统故障 紧急停机开关 按下时断开安全链 机组紧急停机 拉出时接通安全链 启动按钮 启动风电机组 停机按钮 停止风电机组运行 复位按钮 复位风电机组 维护钥匙开关 逆时针转动钥匙 0 位置 置控制系统为正常运行状态 顺时针转动钥匙 1 位置 置控制系统为维护状态 此时可以使用机舱控制柜门上左变桨 右变桨 左偏航 右偏航及机舱遥控手柄上的制动盘制动控制风电机组 左变桨 在维护状态下 完成变桨角度由89 向40 移动 右变桨 在维护状态下 完成变桨角度由40 向89 移动 左偏航 在维护状态下 完成风电机组左偏航 右偏航 在维护状态下 完成风电机组右偏航 待机指示灯 绿色 指示灯长亮表明风电机组处于准备运行状态 可以启动 指示灯闪烁表明控制系统自动启动模块已经激活 经过一段时间后设备会自动启动 或者表示故障信号已被复位 运行指示灯 绿色 指示灯亮 表明风电机组处于正常运行状态 故障指示灯 红色 表明风电机组出现故障 维护状态指示灯 蓝色 表明风电机组处于维护状态下 塔基控制柜或机舱控制柜门上的维护钥匙开关处于 0 位置 安全链指示灯 红色 表明安全链断开 紧急停机开关动作指示灯 红色 表明紧急停机开关断开 指示灯闪烁 表示控制系统工作正常 电源开关 逆时针转动到 OFF 位置 则关闭塔基至机舱和轮毂的所有辅助电源 顺时针转动到 ON 位置 则接通塔基至机舱和轮毂的所有辅助电源 机舱控制柜手柄 紧急停机开关 按下时断开安全链 机组紧急停机 拉出时接通安全链 启动按钮 启动风电机组 停机按钮 停止风电机组运行 制动 按 制动 则刹车制动 安全链是独立于控制系统的安全控制 若安全链任一接点中断 将由安全系统执行紧急停机 将触发以下事件 变桨电机和蓄电池组接通 叶片以7 s的速度顺桨 直到触发91 行程开关 制动器在转子转速 5rpm时投入 以最大力矩制动 风电机组在零功率脱网 禁止偏航安全链被触发 在故障排除后 只能通过塔基或机舱控制柜上的 复位 按钮手动复位 风电机组才允许重新运行 2 6控制系统运行 控制系统实时采集风电机组各分系统参数及环境参数 以及各控制系统按钮信号 根据控制系统策略对风机进行实时控制 另外 还可以根据远程监控系统发来的控制命令进行控制 控制系统靠传感器数据来实现实时 连续的监控 一旦参数不在预先设定的范围 将按照故障等级控制风电机组发出的故障报告 正常停机 快速停机或紧急停机 并将记录下故障时的风机数据 控制软件依据风机控制要求 控制程序由主控制流程和各个监控子模块组成 所有的模块根据重要性和实时性要求 分别作1s任务 500ms任务 20ms任务执行 另外 控制系统设置有独立的安全系统 由超速安全链信号 振动开关 扭缆开关 控制器安全链接点 轮毂安全接点 紧急停机开关等串联成 若安全链路由于前述任一接点中断而断开 将由安全系统执行紧急停机 2 6 1工作模式 初始化 PLC上电自检后执行初始化程序 读取初始化数据 并设置初始化控制参数 初始化时间约20S 如果初始化正常 则20S后进入待机模式 待机模式 如果将维护钥匙开关切换到 维护 状态 则控制系统进入维护模式 如果有导致停机的故障 或者按下停机按钮 或者远程停机命令将进入停机模式 如果没有故障 则进入自检 如果变桨测试状态正常 没有故障 无须解缆 齿轮箱油温正常 则允许进入启动模式 如果满足自动启动条件或者手动启动 则进入启动模式 启动模式 如果有导致停机的故障 或者按下停机按钮 或者远程停机命令 或者切换到维护 或者风力不够 或者需要解缆 则进入停机模式 如果转子转速大于设定转速 风向偏移小于设定值 而且没有风暴 则进入加速运行模式 加速运行模式 此时叶片角根据发电机实际转速 风速 叶片类型得出 目的是减小角度使发电机 或转子 加速 如果发电机转速达到发电转速 则进入发电运行模式 发电运行模式 此时 根据转速 转矩曲线控制发电机转矩和叶片角 输出电功率 转子转速控制在8 7 16 8rpm 如果机舱于风向偏差大于规定值 或者出现风暴 或者出现导致停机的故障 按下停机按钮 远程停机命令 切换到维护模式等 则进入停机模式 停机模式 风电机组发生导致停机的故障 或者按下停机按钮 或者远程停机命令 或者运行过程中切换到维护状态等 控制系统将进入停机模式 如果转子转速小于2rpm 则进入待机模式 维护模式 将维护钥匙开关切换到 维护 状态 则控制系统进入维护模式 依据维护控制命令可以分别进行变桨 偏航 控制器等维护测试 2 6 2运行监控 控制系统将检测风电机组运行的所有参数 控制机组正常运行 如果某个重要参数的测量值在预定范围之外 将控制机组停机 视故障的严重性程度 机器执行一般停机 快速停机 紧急停机 或者只发出故障报告而不停机 机组出现故障时 将记录故障信息和故障时的运行参数报告 2 6 3转速监控 控制系统将检测主轴转速 2个模拟量 编码器主轴转速信号 发电机 由变频器采集 转速信号 经过控制系统处理 将得到以下信号 计算用于控制的转速信号 转速校验 如果转速差超过rpm 且转子转速超过rpm 则发出转速比较故障 执行正常停机 临界转速检测 如果转子转速超过rpm 则发出超临界转速故障 执行快速停机 紧急停机转速检测 如果转子转速超过rpm 则发出超紧急转速故障 执行紧急停机 禁止自动启动 2 6 4温度监控 控制系统将监测齿轮箱系统 发电机系统 变频器 控制柜 主轴承 环境 变桨系统等温度 控制软件将依据所测温度值进行控制 极限温度控制 如果所监测到的温度超过所允许的极限值 则进入故障停机 降容运行 当某些与发电运行有关的温度上升到一定程度 控制系统将控制机组降容运行 报警控制 当某些温度值超过报警点时 将发出报警信号 其他控制 根据温度控制齿轮箱润滑油加热 油冷风扇启动 发电机冷却水加热 水冷风扇启动 控制柜散热 控制柜加热 等等 2 6 5电网监控 控制系统将监测电网电压 电流 频率等参数 计算有功功率及无功功率 并依据所测参数值对风电机组进行控制 电网参数极限控制 如果所检测的电网参数超过运行极限值 则导致故障停机 2 6 6风速风向监控 控制系统通过对风速 风向的监测 控制机组运行 风暴停机 除 维修 模式外 机组在其他运行模式下都有可能碰到需要风暴停机的情况 此时系统执行正常停机 小风停机 转速低于设定值 则小风停机 偏航控制 当机舱与风向偏差大于设定值时 启动偏航 风速校验 取2个传感器信号互相校验 发出传感器故障信号 并取合适的风速值用于控制 风向校验 取2个传感器信号互相校验 发出传感器故障信号 并取合适的风速值用于控制 2 6 7振动加速度监控 机舱控制柜内的振动加速度检测模块检测机舱振动加速度 当加速度大于设定值时 执行正常停机 另外 当机舱振动开关动作后 将触发安全链 执行紧急停机 加速度传感器振动开关 2 6 8机舱位置监控 依据风速大小 运行模式 机舱位置等控制风机小风解缆或停机解缆或禁止自动启动或紧急停机 风向仪风速仪 2 6 9偏航 主轴制动系统监控 控制系统将检测液压系统工作状态信号 主轴刹车状态信号 并根据风电机组运行状况对制动系统进行控制 2 6 10齿轮箱系统控制 控制系统将监测齿轮箱及其润滑系统的工作状态信号 并根据风电机组运行状况对其进行控制 2 6 11发电机系统监控 控制系统将监测发电机及其冷却系统的工作状态信号 并根据风电机组运行状况对其进行控制 2 6 12偏航系统监控 控制系统根据风向和风电机组运行状况对其进行控制 下图为偏航驱动 偏航位置编码器及偏航位置开关 2 6 13风电机组启动运行 当所有安装 接线完成并检查正确后 可以启动风电机组运行 拉出塔基控制柜 机舱控制柜的紧急停机开关 检查所有控制柜的开关处于闭和状态 接通外部3 690V主电源 控制系统进入初始化阶段 大约20S后完成初始化 如果风电机组没有故障 则进入待机模式 如果待机正常 无故障