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1 5MW风电机组主控系统 北京国电思达科技有限公司2013 08 主要内容 双馈机组技术介绍控制系统介绍通讯及安全链系统重要设备软硬件控制模式介绍现场调试 现场调试大纲 1 双馈机组技术介绍1 1双馈机组运行原理1 2发电原理介绍1 2 1亚同步运行1 2 2超同步运行1 3控制策略介绍 1 1双馈机组运行原理 1 2发电原理介绍变速恒频双馈发电机运行时电机转速与定 转子绕组电压频率关系的数学表达式 f1 p 120 nr f2 式中 f1为定子电压频率 p为电机的极数 nr为双馈发电机的转速 f2为转子励磁电压频率 由上式可知 当转速nr发生变化时 若调节f2变化 可使f1保持恒定不变 实现双馈发电机的变速恒频控制 1 2 1亚同步运行亚同步发电运行nr n1时 即0 S 1 f2取正号 如果忽略各种损耗 则发电机的能量关系为 P电磁 P机械 P转差P上网 P电磁 定子馈电 转子由变频器提供励磁 1 2 2超同步运行超同步发电运行nr n1时 即S 1 f2取负号 如果忽略各种损耗 则发电机的能量关系为 P机械 P转差 P电磁P上网 P转差 P电磁 定子馈电 转子馈电 注 n1为发电机的同步转速 1 3控制策略介绍1 3 1区域1低于切入风速区域 一旦满足切入条件 控制启动风机 1 3 2区域2 切入风速到额定风速区域 控制目标是最大风能捕获 通常将桨距角保持在某个优化值不变 通过发电机转矩控制叶轮转速 实现最佳叶尖速比 1 3 3区域3 超过额定风速区域 通过变桨控制保持输出功率和叶轮转速恒定 2 控制系统介绍2 1控制系统结构2 1 1塔底柜2 1 2机舱柜2 2控制系统硬件组成2 2 1PLC主站2 2 2塔底从站2 2 3机舱从站 20 数字量2 2 4机舱从站 22 模拟量2 3重要卡件介绍 2 1控制系统结构 风电机组控制系统的组成 2 1 1塔底柜 2 1 2机舱柜 机舱从站光电转换器机舱从站 22 24V开关超速模块UPS 2 2控制系统硬件组成2 2 1PLC主站 CX1500CX1020CX1100KL9210KL6904KL9010 2 2 2塔底从站 从左至右 BK3150 KL9210 KL1104 4片 KL2134 3片 KL1904 KL3204 KL3403 KL9010 2 2 3机舱从站 20 数字量 从左至右 BK3150 KL9210 KL1104 17片 KL2134 8片 KL1904 2片 2904 1片 KL2134 2片 KL9010 2 2 4机舱从站 22 模拟量 从左至右 BK3150 KL9210 KL3404 4片 KL5001 两片 KL3204 6片 KL9010 3 通讯及安全链系统3 1通讯3 1 1Profibus通讯结构3 1 2Profibus总线终端器3 2安全链系统3 2 1KL1904输入信号3 2 2KL2904输出信号 3 1 1Profibus通讯结构 1 Profibus接线顺序 变流器 Profibus主站CX1500 M310 塔底柜BK3150 11号站 塔底柜光电转换器 机舱柜光电转换器 机舱柜BK3150 20号站 机舱柜BK3150 22号站 变桨系统 3 1 2Profibus总线终端器 3 2安全链系统安全链是风机的最后一道保护 为一组串联的常闭接线电路 安全链动作会触发紧急停机 系统由3片KL1904 一片KL6904和一片KL2904组成 3 2 1KL1904 安全链输入模块 超速模块 扭缆开关 急停按钮 复位信号等3 2 2KL6904 逻辑运算模块3 2 3接收到复位信号时 判断所有安全链回路都闭合后 整条安全链闭合 3 2 4KL2904 安全链输出模块3 2 5安全链闭合后给释放变桨 偏航禁止的控制指令 3 2 1KL1904输入信号 以下几项会触发安全链动作1 塔底的紧急停机按钮2 plc紧急停机信号3 机舱的紧急停机按钮4 叶轮速超5 扭缆开关安全链动作6 变桨安全链7 安全链复位信号 8 塔底复位按钮9 机舱复位按钮 2904模块及输出 3 2 2KL2904输出信号 3 3重要卡件介绍3 3 1PROFIBUS现场总线主站接口 CX1500 M3103 3 2CPU CX10203 3 3电源模块 CX1100 00023 3 4Profibus总线耦合器 BK31503 3 5端子供电模块 KL92103 3 6数字输入输出模块 KL1104 KL21343 3 7模拟输入模块 KL32043 3 8电网检测模块 KL34033 3 9安全链模块 KL1904 KL2904 KL69043 3 10差分模拟量输入模块 KL34043 3 11SSI编码器接口端子 KL5001 3 3 1CX1500 M310PROFIBUS现场总线主站接口 LED诊断指示灯 3 3 2CX1020CPU 基本CPU上包含两个以太网口 内部交换机 占用同一个MAC和同一个IP 和一个CF卡接口附加 两个USB接口和一个DVI接口的系统接口模块CX1020 N010 CPU指示灯 3 3 3电源模块CX1100 0002CX1100 00XX主要功能为 1 为CPU供电2 实现端子与CPU间的数据交换3 为端子出现的故障提供诊断信息 3 3 4Profibus总线耦合器BK3150 LED诊断指示灯 DpState DpState 3 3 5KL9210 接线如图中所示 24V口接外接电源的24V 0V处 接外接电源的0VPE端 接地 KL9210可以放在端子排的任意位置 它的作用是给它右方的端子提供电源 并且KL9210具有诊断功能 还可以添加熔断器 3 3 6KL1104 KL2134 KL2114 KL3204 1 1104 2134 4通道数字输入 输出模块 0 信号电压 3V 5V 1 信号电压15V 30V每一个数字量输入 输出通道都有一个对应的LED灯 如果该通道有输入 输出 则该LED灯变为绿色 没有输入 输出的时候 LED灯不亮 2 3204 4通道模拟量输入端子每一个输入通道都有一个对应的故障LED灯 正常时 LED灯不亮 如果LED灯为红色 则表示该通道的传感器线路短路或者断路 3 3 7KL3403 输入 三相电压 电流计算 电压电流有效值 有功功率 视在功率 电流峰值 频率 3 3 8KL1904 1 安全链输入端子 诊断功能 Dia1 绿色 诊断功能 Dia2 红色 Dia2红灯点亮表明有外部供电或者线路错误 当故障消除时红灯灭 诊断功能 Dia3 红色 和Dia4 红色 Dia3和Dia4灯表明端子内部错误 需要返回倍福公司 3 3 9KL2904 安全链输出端子 诊断功能 Dia1 绿色 这些故障可以通过TwinSAFE组输入信号ERR ACK的下降沿复位 诊断功能 Dia3 红色 和Dia4 红色 Dia3和Dia4灯表明端子内部错误 需要返回倍福公司 诊断功能 Dia2 红色 该故障只能通过TwinSAFE端子断电复位 3 3 10KL6904 1 安全链逻辑运算模块 诊断功能 Dia1 绿色 这些故障可以通过TwinSAFE组输入信号ERR ACK的下降沿复位 诊断功能 Dia3 红色 和Dia4 红色 Dia3和Dia4灯表明端子内部错误 需要返回倍福公司 诊断功能 Dia2 红色 该故障只能通过TwinSAFE端子断电复位 3 3 11KL3404 1 4点差分模拟量输入2 10V 10V3 每一个输入通道都有一个对应的故障LED灯 正常时 LED灯亮 为绿色 4 当控制器和总线耦合器之间在大于100ms的时间内没有过程数据通讯传输的话 绿灯会灭掉 这时就出现了一个看门狗计时器溢出现象 1 SSI编码器接口端子2 KL5001只有一个输入通道LED灯 正常时 LED灯亮 为绿色 3 当控制器和总线耦合器之间在大于100ms的时间内没有过程数据通讯传输的话 绿灯会灭掉 这时就出现了一个看门狗计时器溢出现象 3 3 11KL5001 4 重要设备软硬件4 1齿轮箱及冷却系统4 2发电机4 3液压站4 4偏航系统4 5滑环4 6加速振动传感器4 7超速模块4 8风向标 风速仪 机舱内基本结构 4 1齿轮箱及冷却系统4 1 1风力发电机组中的齿轮箱的主要功用是将叶轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速 通常叶轮的转速很低 远达不到发电机发电所要求的转速 必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现 我公司齿轮箱的增速比例是1 100 4 1 2我公司风力发电机组采用的齿轮箱为两级行星一级圆柱结构 主轴通过齿轮箱将能量传送到发电机 该齿轮箱的特点是结构紧凑 在同样增速比的条件下比传统齿轮箱占用空间小 有效节省了风机内的空间 同时采用了新型号的轴承以及较高的齿轮精度 保证了齿轮箱在整个工作范围内都有较高的效率 性能先进 齿轮箱结构图 油泵和风扇电机控制回路 压力表和散热风扇 4 1 3基本控制原理1 油温5 时3分钟之后 加热器停止 2 低速轴转速 1 2rpm或风机进入运行 发电 停机状态且油温 5 低速 3 低速轴转速 10 5rpm或油温 40 高速 4 油温 50 水泵启动 直到60 水空风扇启动 直到60 或轴温 70 空冷风扇 高速 启动 直到油温80 风机进入正常停机模式 8 高速轴温 叶轮 发电机侧 90 风机为正常停机模式 发电机结构图 4 2发电机 4 2 1基本原理风力发电机组采用双馈恒频异步发电机 可以使风力机在比较宽的风轮转子转速变化范围内运转 以获取更多的电能 高效率的4极双馈式发电机在运行时 既可超同步转速运行 也可亚同步转速运行 变速运行在1000 2017rmp之间 定子输出电压和频率可以维持不变 既可调节电网的功率因数 又可以提高系统的稳定性 这种采用双馈异步发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制 减小变频器的容量外 还可以实现有功 无功功率的灵活控制 对电网而言可起到无功补偿的作用 1 双馈发电机特点由于定子直接与电网连接 转子采用变频器供电 因此 系统中的变频器容量仅取决于发电机运行时的最大转差功率 一般发电机的最大转差率为25 35 因而变频器的最大容量仅为发电机额定容量的1 4 1 3 这样 系统的总体配置费用就比较低 具有变速恒频的特性 可以实现有功功率和无功功率的调节 2 基本控制原理发电机绕组温度 80 空冷风扇启动 直到10 或发电机绕组温度 机舱温度10分钟后停止加热 给偏航刹车及高速轴刹车提供压力 液压站结构图 4 3液压站 4 3 1控制方式1 系统压力低于135bar启泵 高于150bar停泵 2 偏航和解缆状态 偏航解缆和迎风分别对应的阀置位 系统压力P4为150ba左右 偏航压力P1维持在25bar左右3 高速轴刹车状态 两阀同时复位 置位 系统进入停机模式并且为紧急停机模式 故障等级三安全链动作 保证叶轮速度降为小于5rpm 抱闸动作 4 3 2油位油温开关1 油位开关 常开触点 达到指定高度开关闭合 402DI4 1 1输入高电平 一通道亮 2 油温开关 常闭触点 未达到警戒温度70度时 402DI4 8输入高电平 四通道亮 3 液压加热器 温控开关控制主回路通断 4 4偏航系统4 4 1偏航系统 偏航系统主要有两个功能 一是使机舱轴线跟踪变化稳定的风向 二是自动进行解缆操作 4 4 2结构原理介绍1 我公司偏航系统是由偏航轴承和四台偏航电机驱动的齿轮传动机构组成的 偏航轴承为内摩擦的滑动轴承系统 为内齿圈设计 四台偏航驱动对称布置 由电机驱动小齿轮带动整个机舱沿偏航轴承转动 实现机舱的偏航 2 当风向与机舱轴线偏离一个角度时 风小时为 8 风大时为 15 控制系统经过一段时间的确认后 会控制偏航电机将机舱轴线调整到与风向一致的方位 实现机舱对风 4 4 3运行状态介绍1 当偏航电机带动偏航轴承偏航时 偏航液压刹车系统处于半释放状态 从而设置足够大的阻尼 偏航时使机舱保持足够的稳定性 当偏航电机停止时 偏航液压系统处于刹车状态 将机舱固定到相应的位置上 2 当机舱偏航到某一角度 由机舱引入到塔底的发电机电缆将处于缠绕的状态 这时风力发电机组会进行解缆处理 偏航系统按缠绕的反方向偏航 使电缆解除缠绕的状态 由于解缆时希望能够快速偏航 这时偏航液压系统刹车处于完全释放状态 4 4 4偏航软起 Ready 偏航启动准备信号Ul 偏航软启的输入电压S3 Softstarter信号 Ut 偏航软启DS6的输出电压TOR 偏航软启状态反馈信号 4 4 5偏航控制原理1 在不同的风速条件下 偏航的动作方式不同 分为高风速偏航和低风速偏航 2 高风速下自动偏航 60秒平均风速大于等于9m s 触发偏航程序的条件如下 偏航对风60秒平均偏差大于8 延时210s 风机偏航 偏航对风60秒平均偏差大于15 延时20s 风机偏航 3 低风速下自动偏航 60秒平均风速小于9m s 触发偏航程序的条件如下 偏航对风60秒平均偏差大于10 延时250s 风机偏航 偏航对风60秒平均偏差大于18 延时25s 风机偏航 4 4 6禁止偏航的条件在下列情况下 不允许自动偏航 1 产生偏航故障 2 偏航解缆动作 3 风机处于维护模式 4 30s平均风速 2 5m s 5 紧急停机过程 6 发生风向故障 7 发生液压故障 8 自动偏航不影响风机的当前状态 4 4 7自动解缆1 自动解缆条件a风机处于待机状态和非维护模式 同时不出现偏航和液压故障b判断当位置大于580或小于 580时 向右或向左解缆动作2 解缆停止条件a情况1 偏航位置回到小于360度 对风角度 风向标数值与180度差值 小于30度 b情况2 偏航位置小于40度偏航解缆后 风机处于待机状态 4 4 8扭缆开关扭揽开关四组触点中两组选用常开S1 S3连接输入IO S2 S4连接安全链输入 故障检测旋转26圈 约750度 安全链动作旋转30圈 约860度 28 69565度 圈 扭缆开关接线图 4 5滑环4 5 1用于连接机舱和轮毂的电缆 包括profibus通讯线 400V和230V供电线 24V供电线和安全链回路 滑环电缆 4 6加速振动传感器 Accelerationx axis V 0 5g 0V0g 5V 0 5g 10VAccelerationy axis V 0 5g 0V0g 5V 0 5g 10V 4 7超速模块4 7 1转速信号rotor speed1 2 0 10V0 35rpmConverter motor speed 减速比100 48 4 8风向标 风速仪 1 风向标 0 360度0 10V2 风速仪 0 50m s0 10V 5 控制模式介绍5 1初始化 状态代码0 5 2待机 状态代码2 5 3启动 状态代码3 5 4运行 状态代码4 5 5发电 状态代码5 5 6停机 状态代码1 5 7维护 状态代码9 5 8几种模式间的转换5 9停机条件5 10维护条件 5 1初始化 状态代码0 叶片角度设定值为89 变化范围85 96 运行initweaprog exe程序 根据ini txt的内容对变量进行赋值 程序完成后 将 init init ok 信号及 init reset ok 信号置 1 读取TorqueTable txt 读取OptiPitchTable txt 读取NLPitchTable txt 5 2待机 状态代码2 5 2 1风机经过初始化完成 延时20s后 或停机步骤完成后 转速83 就会进入待机模式 1 叶片角度设定值为89 2 自动偏航系统激活 3 允许进行偏航解缆4 允许进行故障复位 5 3启动 状态代码3 1 启动允许条件满足 自启动程序发出启动指令或按下塔底柜启动按钮后 风机由待机模式转换到启动模式 2 进入启动模式时 控制程序对下列参数进行设定 如果检测到有风暴 则桨距角设定值为89 否则桨距角设定值为50 变桨控制器激活 逆桨速度限值为 2deg s 顺桨速度限值为5deg s 自动偏航系统激活 5 4运行 状态代码4 1 当转速大于1 5rpm延时45s且风与机舱的位置偏差小于45 延时20s后 风机由启动模式转换到运行模式 2 进入运行模式时 控制程序对下列参数进行设定 桨距角设定值为0 变桨控制器激活 逆桨速度限值为 2deg s 顺桨速度限值为5deg s 3 自动偏航系统激活 4 自动偏航系统激活 5 5发电 状态代码5 当转速大于9 7rpm 风机由运行模式转换到发电模式 进入发电模式时 控制程序对下列参数进行设定 1 桨距角设定值为0 2 转矩控制器激活 3 变桨控制器激活 4 逆桨速度限值为 2deg s 顺桨速度限值为5deg s 5 转速限定值为17 4rpm 6 变频器启动 7 自动偏航系统激活 5 6停机 状态代码1 风机处于启动 运行或发电模式 当系统发出停机信号 stopcontrolglobalstopsignal 或在维护模式下将维护开关关闭 风机转换到停机模式 进入停机模式时 控制程序对下列参数进行设定 1 桨距角设定值为89 2 逆桨速度限值为0deg s 3 转速限定值为0rpm 4 自动偏航系统激活 紧急停机时禁止自动偏航 5 6停机5 6 1顺桨速度限值根据触