风机控制及保护系统 PPT课件

课题 V80 2000KW风机的控制和保护系统 1 风机概述 维斯塔斯V80 2 0MW是三叶片风轮 主动偏航 上风向的变桨距风机 维斯塔斯的V80 2 0MW风机风轮直径为80米 发电机额定功率为2 0MW 风机采用了OptiTip 最佳桨角 和OptiSpeedTM 最佳转速 技术 这两项技术可使风机风轮以不同转速 RPM 运行 确保风机以额定功率或接近额定功率发电 2 系统的组成 风机的主要系统有变桨系统 偏航系统 冷却系统 润滑系统 液压系统 控制系统和保护系统 3 风机的控制系统 风机的控制系统通过主动或被动的方式控制风机的运行 并使运行参数保持在它们的正常范围内 控制系统包括控制和监测两部分 控制部分又分为手动和自动 运行人员可在现场根据需要进行手动控制 自动控制应该在无人值守的条件下实施运行人员设置的控制策略 保证机组正常安全运行 监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器 经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来 在机组控制器的显示屏上可以查询 4 控制系统的任务 控制系统的主要任务是能自动控制风电机组依照其特性运行 自动检测故障 并根据情况采取相应的措施 根据风电机组的结构载荷状态 风况 变桨变速风电机组的特点及其他外部条件 将风电机组的运行情况分为以下几类 待机状态 发电状态 大风停机状态 故障停机状态 人工停机状态和紧急停机状态 5 控制系统的功能 控制系统利用DSP微处理机 在正常运行状态下 主要通过对运行过程中模拟量和开关量的采集 传输 分析 来控制风电机组的转速和功率 如发生故障或其他异常情况时能自动的检测 分析并确定原因 自动调整 排除故障或进入保护状态 控制系统包括控制器和处理器 6 风机控制器 风机控制器称为维斯塔斯多处理器控制器 VMP控制器 它包括一台地面控制器 一个用于VCS控制器的控制板 VPC 一台顶部控制器和一台轮毂控制器 VCS控制器和顶部控制器位于机舱内 一条电源 信号线和一条通信光纤将它们相连接 7 VMP控制器连续收集有关风机性能的如下参数 VMP控制器连续收集有关风机性能的如下参数 风轮和发电机速度 风速 液压压力 温度 功率和发电量 桨距 如果出现异常或错误 数据将被保存在操作日志中和报警日志中 以便可以分析风机内或电网的错误 8 控制器的功能 地面控制器只包含地面处理器 该处理器与操作面板集成 在机舱内 VCS控制器和顶部控制器位于各自的控制器柜内 顶部控制器运行机舱内事件 例如 速度 偏航和内部温度控制 VCS控制发电机的切入和切出 电流和电压的测量和变频器控制 轮毂控制器监视和控制变桨系统 包括控制全顺桨阀 9 风机处理器 风机处理器由轮毂处理器 顶部处理器 地面处理器和VCP处理器 变频处理器 构成 10 11 处理器的功能 轮毂处理器功能 输入三个变桨系统的桨距角输入轮毂控制器和轮毂内的温度输入轮毂内液压控制信号输出到变桨系统阀计算温度 风 发电机和风轮速度 桨距位置 液压和风向监视变桨系统故障输入 计算 登记 雷电检测系统输出GPS时间到顶部处理器 以实现与风机时间同步 12 顶部处理器功能 输入温度 发电机和风轮速度 液压 风速和风向输入来自偏航控制 振动 烟雾探测器等数字信号用于液压泵和液压冷却的输出用于齿轮油冷却 加热和偏航的输出用于发电机冷却 加热的输出计算温度 风 发电机和风轮速度 液压和风向控制和检查航空障碍控制和检查HELI起重机 13 输出模拟信号控制液压系统 泵和阀 控制自动偏航系统控制齿轮油 发电机和变频器冷却系统控制机舱冷却系统与机舱内操作面板通信部分根据从轮毂和VCP处理器收到的数据 监视风机故障安全系统 紧急停止 监视器和超速保护 VOG 14 地面处理器功能 监视风机故障 部分根据从顶部 轮毂和VCP处理器收到的数据与操作面板和远程监视系统通信控制和检查高压开关设备监视UPS安全系统 紧急停止 15 VCP处理器功能 登记 计算电流 电压 功率 频率和过零检测控制和监督变频器与地面 顶部处理器通信 16 风机控制系统提供以下主要功能 对风机整体运行情况的监测和监督 并网发电时使发电机与电网同步 以限制浪涌电流 在各种故障情况下对风机进行操作 机舱的自动偏航 OptiTip 叶片变桨距控制 噪声控制 监测周围环境条件 监测电网 17 控制系统可控制的功能或参数如下 功率范围风轮转速接通电负荷启动或关机的过程电网或负荷亏损时的关机电缆线严重缠绕风机对风调节 18 风机的保护系统 由于风机控制系统失效或内部及外部损伤或当发生危险导致风机不能保持正常工作时 风机的保护系统应起作用 控制系统和一个独立的可编程的安全继电器均可控制保护系统 当控制系统和保护系统出现冲突时 保护功能更优先于控制功能 19 保护系统在下列情况下应起作用 超速发电机超载或出现故障过分震动电网失电 负载丢失时风机出现的关机故障电缆线非正常缠绕 由于偏航机舱旋转造成 20 保护系统包括 短路保护过速保护电磁兼容系统雷电保护系统接地保护防腐蚀保护 21 短路保护 短路保护应能保证当发生短路时 或接近于短路电流数值的电流出现时 可靠地切断电源 22 过速保护 发电机转速和主轴转速由感应式传感器进行记录 并由风机控制器进行计算以防止出现过速和转动故障 风机装备有Vestas过速保护 VOG 装置 该装置是由一个独立的计算机模块来负责测量风轮转速 一旦出现过速情况 Vestas过速保护装置将激活三个叶片的紧急顺桨位置 全顺桨 触发条件 20 8rpm 风轮转速 2092rpm 发电机转速 23 VOG的功能和原理 发电机RPM 转速 和主轴 转速 由风机的控制系统记录和计算 风机的旋转部分通过这种方式进行保护以防过速和旋转错误 万一控制系统未能控制风轮速度 独立的保护系统必须使风机停机 外部过速监控是VOG 维斯塔斯过速保护 VOG安装于顶部控制器总成上 主轴和发电机的转速由感应传感器记录 理论上说就相当于一个开关 这个开关在铁质物体经过时就关闭 测量发电机高速轴转速的感应式传感器位于刹车盘上 由24VDC电源供电 信号类型是PNP 24 雷电保护系统 雷电保护系统 LPS 由三个主要部分成 雷电接收器 下引线系统 接地系统 全面的雷电保护分为外部和内部保护系统 考虑了直接遭遇雷击的后果 25 外部雷电保护 每块叶片上安装一组接收器 并通过叶片轴承的内环电气连接到轮毂上 按照II级雷电保护等级的要求 主要的雷电电流通路上的设计雷电电流峰值为150kA 26 内部雷电保护 系统中使用的被附在封闭式开关柜上的金属排与就地的等电位连接导体相连 反过来也与雷电保护装置中的等电位连接导体相连 特别是将有危险的电缆防护起来并与就地的等电位连接导体连接在一起 27 接地保护 接地系统应该在建造地基时进行安装 至少要从地基的接地极引出三个接头连到塔架的基座法兰 这些接头分布在基座法兰的整个周围 而这些接头与法兰是电气连接的 28 Vestas接地系统包括以下子系统 高压系统 低压系统 防雷保护系统 基础接地 风机之间接地 30 31 维斯塔斯接地系统由若干个互相连接的独立接地电极构成 被用作安全接地以及功能接地 维斯塔斯接地系统既是高电压系统 低电压系统的接地系统 也是避雷保护系统的接地系统 而且也是风场内高压配电系统的接地系统 就风机的避雷保护而言 维斯塔斯对到本系统远方大地的最低电阻 以欧姆计 没有要求 用于避雷保护系统的接地是基于维斯塔斯接地系统的设计和施工而设计的 32 维斯塔斯避雷保护系统的主要部件是主接地母线排 该母线排安装在所有电缆进入风机的入口位置 所有接地电极都连接到这个主接地母线排 此外 所有进入或引出风机的电缆都进行等电位连接 33 防腐蚀保护 防腐蚀保护是根据周围的环境条件而设计的 其策略是 根据外边大气温度情况 加热机舱内空气 以降低相对湿度 帮助保证防腐等级可控 34 风机的保护系统可以通过以下方式打开 机舱处理器 K900 看门狗 偏航传感器 振动传感器 维斯塔斯超速保护装置 VOG K405 刹车装置里的热敏电阻 K207 监控刹车片 35 当保护系统激活时 下列系统断开 所有接触器线圈的线圈电压 K1920A 主紧急接触器 K1920B 偏航系统主紧急接触器 K1921 发电机和变频器的主紧急接触器 K1923A B 紧急变桨系统的主紧急接触器 K1924A B 控制系统的反馈 K903 36 当保护系统打开时 紧急变桨系统启动 发电机断开 包括偏航系统在内的所有主紧急接触器断开 安全系统通知顶部控制器安全系统已经打开的事实 当保护系统启动时 高速轴 HSS 刹车未启动 37 保护系统常见故障及处理方法 当故障发生时 风力发电机组将自动地从较高的工作状态转换到较低的工作状态 故障处理实际上是针对风力发电机组从某一工作状态转换到较低的状态层次可能产生的问题 因此检测的范围是限定的 38 39 为了便于介绍安全措施和对发生的每个故障类型处理 我们给每个故障定义如下信息 1故障名称 2故障被检测的描述 3当故障存在或没有恢复时工作状态层次 4故障复位情况 能自动或手动复位 在机上或远程控制复位 40 故障处理过程 1 故障检测 控制系统设在顶部和地面的处理器都能够扫描传感器信号以检测故障 故障由故障处理器分类 每次只能有一个故障通过 只有能够引起机组从较高工作状态转入较低工作状态的故障才能通过 2 故障记录 故障处理器将故障存储在运行记录表和报警表中 41 3 对故障的反应 对故障的反应应是以下三种情况之一 1 降为暂停状态 2 降为停机状态 3 降为紧急停机状态 42 4 故障处理后的重新起动在故障已被接受之前 工作状态层不可能任意上升 故障被接受的方式如下 如果外部条件良好 一些外部原因引起的故障状态可能自动复位 一般故障可以通过远程控制复位 如果操作者发现该故障可接受并允许起动风力发电机组 他可以复位故障 有些故障是致命的 不允许自动复位或远程控制复位 必须有工作人员到机组工作现场检查 这些故障必须在风力发电机组内的控制面板上得到复位 43 故障状态被自动复位后10min将自动重新起动 但一天发生次数应有限定 并记录显示在控制面板上 如果控制器出错可通过自检系统 WATCHDOG 检测到故障并重新起动 单击 44 控制和保护系统的功能要求 保护系统应有一个或多个能使风轮由任意工作状态转入停止或空转状态的装置 机械的 电动的 气动的 它们之中至少有一个必须作用在低速轴上或风机的风轮上 须提供使风轮在小于切出风速的任意风速下由危险的空转状态转为完全禁止状态的方法 按紧急停机按钮后 解除要求应有恰当的动作 紧急停机的解除不能导致机组重新启动 启动须单独进行 45 应经常进行检查 以减少潜在失效造成的危险 无安全寿命期的零件或装置 对可能伤害它的环境和它自身状态应进行监测 它们的失效应引起机器关机 有安全寿命设计的零件应定期检查 能超越自动控制系统使机器关机的紧急停机按钮 在每个重要的位置都应设置 地面控制柜 机舱控制柜 偏航环 主轴座 保护功能和控制功能冲突时 应优先考虑保护功能 由于内部故障 或因达到风力机安全极限发生跳闸时 风力机不应自动启动 46 FT风传感器 风机装备有一个超声波风传感器 FT风传感器 并配有内置加热器 它是集风速风向传感器于一体 具有结构紧凑 小巧的特点 易于实现加热补偿 适用于低温 潮湿 沙石环境 FT风传感器为风机偏转控制 风向 和风机的启动与关闭 风速 提供测量数据 47 48 49 FT传感器的功能 FT传感器是风机的基本组成部分 它可以测量风速和风向 并把测量结果发给VMP 维斯塔斯多处理器 控制器 VMP控制器根据所收到的测量结果控制偏航齿轮将风机偏转入合适的方向 而且VMP控制器使用风速数据控制变桨系统以优化风轮转速 如果风速超过25m s 则通过变桨停止风机 50 FT传感器的工作原理 FT的原理为 声共振空气流检测 从字面意义看 这种技术使得声波 超声波 在一个小型腔体里发生共振 51 基本的声谐振气流监测装置 52 该结构在水平面上可自由移动 空气流在各圆盘之间自由流动 超 声波通过三个振动膜产生和接收 三个振动膜与三个压电式元件连接 三个振动膜呈三角排列 任何时间振动膜都可电力振动 超声在该振动膜表面发生 向外传递 直到声波碰到反射体被差不多全部反射 产生的波阵面向回传递并碰到反射体然后再次被反射 超声继续在反射器对之间反射 跳过一个窄的频段 每单个反射同相结合到一起会产生强度显著提高的信号 声波发送过程就像一个竖直方向的驻波和水平方向的二维径向行进波 53 FT风传感器的特点 1 利用声 超声 信号在一个较小的腔体内发生共振来测量风速和风向 声共振优势包括 共振效应增强了信噪比 对大气温度 压力和湿度波动的补偿技术 针对风速的线性响应 紧密的传感器空间设计使传感器配置紧凑而坚固 单片式结构使得精确性得到了提升 2 为风机偏转控制 风向 和风机的启动与关闭 风速 提