风力发电运行系统的使用手册

1、FD77-1500-III风力发电机组 控制系统使用手册 编号：CPCQ019 SM-01 共 21 页 第 1 页FD77-1500-III风力发电机组控制系统使用手册资料来源编制校对提出部门标准化审核常州轨道车辆牵引传动工程技术研究中心批准标记处数更改文件号签 字日 期职责签 字日 期 本使用手册属于FD77-1500-III风力发电机组电气控制系统的一部分，除此之外还包括人机界面使用手册，变流器使用手册和变桨系统使用手册。目 录1 控制器介绍41.1 系统功能描述51.2 FD77-1500-III风机控制器基本参数62 控制柜上的操作元件72.1 塔筒柜的操作元件82.2 塔筒柜的开关

2、器件102.3 机舱柜的操作元件122.4 机舱柜的开关器件132.5 机舱柜主电源开关153 运行过程163.1 空转, 起动和发电运行163.2 监督控制173.2.1 启动过程173.2.2 关闭过程183.2.3 速度范围和触发等级193.2.4 过功率触发等级193.2.5 电网故障和电气故障193.2.6 偏航控制策略和故障触发203.2.7 变桨系统描述和故障模式211 控制器介绍1.5MW风力发电机主控系统，其中包括塔筒柜和机舱柜。由塔筒柜、机舱柜组成的主控系统是整个风力发电机控制系统的心脏，由DCS分布式控制系统设计理念而来。顾名思义塔筒柜放置于塔筒底部、机舱柜位于机舱之中，

3、每个部分都各司其职同时又相互通讯共同构成了风机各个执行机构的大脑，将主控制器功能分解细化后分别规定其功能，有利于系统控制的高效、实时、稳定、可靠同时也便于系统的调试和维护。图1 风机各控制部分布置图1塔筒柜、2机舱柜、3变桨控制柜、4 变流器1.1 系统功能描述控制系统的总体功能包括发电控制，风机所需要的力矩和桨距角的实时计算，系统工作状态监视控制，安全系统功能等。机舱柜功能：采集传感器信号，执行主控系统的I/O功能；包括Bachmann的PLC，接触器，热继电器，过电压保护，空气断路器，熔断器等。塔筒柜功能：执行塔底中的一些I/O功能，实时计算风机所需要的力矩和桨距角，与变流器和变桨系统通讯

4、，通过对变流器和变桨系统的指令给定来控制风机的发电运行，同时接收来自机舱柜的PLC传来的传感器的信息，并发送执行命令给机舱柜的PLC，让机舱柜执行相关的动作。图2 风机控制器布置图1.2 FD77-1500-III风机控制器基本参数最大稳定状态电功率 1.5MW轮毂高度 80米切入风速 3m/s切出风速21m/s额定风速10.5m/s最小稳定状态风轮转速11r/min最大稳定状态风轮转速18.1r/min最小运行变桨角度0º最大变桨速度12º/s最小变桨速度 -12º/s2. 控制柜上的操作元件塔筒柜的操作元件图3 塔筒柜的操作元件2.1 塔筒柜的操作元件操作元件

5、名称功能描述“EMERGENCY STOP”紧停按钮在出现危险或紧急情况时，按下紧停按钮能立即停止危险的动作或使其失效，从而减轻伤害或避免伤害。 “reset safety loop”复位安全链按钮复位按钮的作用是复位安全链，当安全链启动时，为了维持风机的安全状态，会使部分控制信号失效，复位按钮按下会重新闭合安全链。松开紧停按钮，然后按复位按钮进行安全链的复位，系统才可以重新工作。“run off manual”钥匙开关钥匙开关有三个位置点，可以用随机的钥匙操作，位置在“|”处表示“run”即自动运行，当开关处于这个位置时触摸屏不能修改参数。位置在“|”表示“manual”即手动运行，处于这个

6、位置可以执行触摸屏的写入操作，可以通过触摸屏修改参数。位置在“0”表示“off”即钥匙开关不起作用。 “Power”电源指示灯只是起简单的指示作用。当灯亮时，表示机柜供电电源正常。当灯不亮时，表示机柜没有供电。“Run”运行指示灯当灯亮时，表示机柜运行正常。当灯不亮时，表示机柜有故障。需要有经验人员处理。“Malfunction”故障指示灯当灯亮时，表示有故障。当灯不亮时，表示无故障。注意：紧停按钮是在出现危险或紧急情况时，能立即停止危险的动作或使其失效，从而减轻伤害或避免伤害，紧急按钮是安全系统的重要组成部分，不受控制器控制，最大程度的保证人员和风力发电机的安全。紧急按钮分别设置在塔筒柜和机

7、舱柜上，在变流器上也设置了同样的保护措施。只有在人员受到危险或者风机处于危险情况时，按下紧急按钮会启动安全链，安全系统动作，紧急制动系统会使风力发电机的转子停止转动。2.2 塔筒柜的开关器件图4 塔筒柜的开关器件布置图塔筒柜的开关器件功能5Q1Woodward MFR13 测量电压输入开关6Q1升降机开关1F5 1F6备用插座和照明的开关2F2 2F3UPS 插座的开关2F1UPS 输入电源的开关3F1塔筒柜风扇开关3F2 3F3 3F4塔筒柜加热器开关4F1机柜温度控制的电源输入2F6 2F724V电源开关10F1安全链保护表1 塔筒柜开关器件功能注意：UPS的操作，先把后面的白色的开关合上

8、，再按动面板上的“ON”按钮，直到面板显示电压值。2.3 机舱柜的操作元件 机舱柜设置了相同的元件，仅仅多了轮毂灯开关。轮毂灯开关所在位置如图4所示，用来控制轮毂内的照明。图5 机舱柜的操作元件2.4 机舱柜的开关器件图6机舱柜的开关器件布置图机舱柜的开关器件功能1Q2 1Q3障碍灯开关1Q4液压站供电电源2Q1齿轮箱油泵电源2Q2齿轮箱风扇电源2Q3吊车电源3Q1齿轮箱加热电源5Q1 5Q2 5Q3 5Q4 5Q5 5Q6偏航电机电源6Q1发电机风扇电源7Q1 7Q2机舱风扇电源4F6变桨400V主电源开关4F7 4F8400V插座开关7F1主润滑系统电源7F2发电机加热电源8F1 8F2机

9、舱柜风扇电源8F3 8F4 8F5机舱柜加热电源9F1机柜温度控制器电源10F1备用插座电源开关11F5变桨UPS电源11F7机舱照明开关12F1齿轮箱碳刷磨损24V电源12F224V电源12F4 12F5 12F6机舱柜内部用24V电源表2 机舱柜开关器件功能2.5 机舱柜主电源开关机舱柜的主电源开关设置在机柜侧面，如下图所示图7 机舱柜主电源开关3. 运行过程3.1 空转, 起动和发电运行风力发电设备在无障碍的操作准备情况下处于旋转(等待风力)的工作状态, 也称为旋转位置。转子以0° 的倾斜角不受制动的空转，以便同时测出风速。当风速大于或等于每秒3 米时，通过变桨系统调节桨叶的角

10、度，就可使风力发电设备获得最佳的叶尖速比。只要转速一达到工作转速，就会自动接通电源:l 风速低于额定风速时，在这个部分负荷范围内，双馈异步发电机的变流器会调整发电机的输入转矩，调整的方法是根据转矩的特性曲线来优化功率输出。l 风速高于额定风速时，通过调整转子叶片角度的方式来限制发出的功率。在这个工作范围里变流器会把发电机的输入转矩一直保持在额定值。有大风时，风力发电设备会先以转子的加速来做反应，而且会用调整叶片角度的方式来调整转数使它达到额定值每分钟18.1 转,风力发电设备在连接电网的发电状态中，用可变的转速和可变的桨叶角运行。风速太低时，转子停止不动，留在等待旋转的位置，风来时，它会自动运

11、转起来。3.2 监督控制监督控制包括风机正常启动和关闭的过程，过速或者过功率故障，以及逻辑上的变桨或偏航故障。如电网连接失败，发电机和功率转换系统直接报告给控制器，将用“电网故障“来处理此问题。3.2.1 启动过程启动过程被设计成不会导致发电机设计负载有任何明显的增加。不要求设计的启动过程带初级负载计算。3.2.2 关闭过程下表列出了几种不同的发电机关闭过程。前五种由控制器执行，后两种由安全系统执行。停机程序变桨系统动作发电机动作偏航系统是否继续工作轴刹车是否使用正常停机功率设置点降到0，发电机断开，速度设置点降低到0。叶片运行在正常的变桨速度上是否缓慢停机正常变桨速度0功率断开是否快速停机快

12、速变桨速度0功率断开是否电网故障停机正常变桨速度电网故障或者其他电气故障断开否否变桨故障停机变桨电池组连接0功率断开是否安全系统停机变桨电池组连接立刻断开否否E-紧停按钮停机变桨电池组连接立刻断开否是表3 发电机停机程序我们注意到，正常停机程序使用功率变桨-速度和转矩-速度控制来影响关断，其它地方的关断过程都是开环的。变桨系统必须能够达到12º/s的快速变桨速度，正常变桨速度设置在5º/s。需要注意的是，我们经常使用正常变桨率，而不是快速变桨率，这样能够减少负面的结构负载的作用力。3.2.3 速度范围和触发等级控制器能保持瞬时发电机速度低于稳定状态最大值的105%，高于稳定

13、状态最小速度值的98%。观察测得的速度范围和触发等级如下表。风轮速度(r/m)发电机速度(r/m)最小稳定状态速度11.001100最大稳定状态速度18.101810最大的期望运行速度19.001900软件过速故障19.501950安全系统过速故障20.302030表4 速度范围和触发等级软件过速故障导致快速停机程序，安全系统过速故障导致安全系统停机程序。3.2.4 过功率触发等级运行在IEC61400-1版本2的设计公差中的最大瞬时功率为1635kW。过功率等级设置如下表。过功率等级电功率软件过功率故障1750 kW安全系统过功率故障1830 kW表5 功率差错等级软件过功率故障会导致快速停

14、机程序。安全系统过功率故障会导致安全系统停机程序。3.2.5 电网故障和电气故障电网故障或者任何发电机和功率转换系统的故障都会导致电网故障停机程序。3.2.6 偏航控制策略和故障触发机舱上安装有风向标和机舱方向传感器。偏航控制算法在发电运行中，会监视10分钟内的平均偏航误差，如果超过8º，就会指挥偏航系统依0.546º/s驱动15秒（机舱转动8º）。偏航调节完成后，10分钟的偏航误差复位到0。如果发电机正在运行，3秒内的偏航错误超过45º，发电机将进入正常停机程序。如果偏航控制算法发现机舱方向信号在30秒内改变大于10º（明显长于期望的时间10

15、º，0.0546º/s），或者机舱方向不按照偏航调节的要求5秒内1º的改变，则它会提升一个报警等级。3.2.7 变桨系统描述和故障模式各个叶片都有独立的变桨驱动、电机、轴控制器。三个独立的轴控制器由一个独立的位于发电机轮毂的轮毂控制器控制。轮毂控制器接收从塔底控制器的总线传输的变桨角度要求。各个叶片也装备了2个独立的变桨角度传感器，直接连接到轮毂控制器上。轴控制器包括它们自己的传感器，如变桨电机的速度，变桨电机的位置，电流。各个变桨电机装备了变桨刹车。下表列出了可能变桨故障的范围，以及详细的原因，故障检测，控制动作，保证变桨特性。故障特征可能原因故障发现停机程序相关的变桨动作所有叶片失控变桨通信失败100ms内的通信错误检查变桨故障停机所有的叶片由电池运行逐渐减速变桨系统供电故障100ms内的变桨系统状态检查发电机控制器内的变桨控制算法失败由变桨要求的全面检查发现（下面详细说明）快速停机所有的叶片运行在快速变降速度单叶片失控变桨角度变频失败或者轴控制器失败2个变桨角度转换之间的差异超过1º测量和要求的变桨角度1秒内的差异超过3º变桨故障停机所有的叶片由电池运行逐渐减速单叶