风机电气控制系统.doc

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1、风机电气控制系统新誉风电公司目录1．电气控制系统概述（可参考控制系统使用说明书）2．风机发电控制方法3．风机监视控制4．接线原理图5．机舱柜和塔筒柜6．安全系统的概念7．风机故障（故障等级、引起的停机种类、故障清除的种类）8．风机的自耗功率9．风机的操作1．电气控制系统概述电气控制系统包括如下内容（其中塔筒柜和机舱柜一起构成风机主控系统）：塔筒柜、机舱柜、变桨控制系统、变流器、发电机的控制和监视部分、齿轮箱的电气部分、液压站和高速轴刹车的电气部分、偏航电气部分、风机的传感器部分。塔筒柜部分包括控制器PLC（带中央处理器模块）、控制开关、电网检测、UPS电源、HMI触摸屏（人机界面

2、）、变流器控制接口。机舱柜部分包括控制器PLC的远程输入输出模块（不带中央处理器）、控制开关、保护电路、与发电机控制和监视的接口电路、与齿轮箱电气部分的接口电路、液压站和高速轴刹车电气接口电路、偏航控制电路、风机传感器接口、与变桨系统的接口电路。变桨系统包括变桨控制柜和伺服执行系统，变桨系统作为主控制系统的执行机构，其任务是根据风机主控制器的指令完成执行变桨操作，以及在非安全的情况下（如与风机主控失去通讯，电网故障，安全系统故障等）完成快速收桨动作。变桨系统本身是一套伺服系统。整个系统包括伺服驱动器（3套独立的）、电机、备用电池柜（三套独立的）及其他部件如限位开关、传感器、配电柜

3、等。发电机和变流器是实现机械能往电能转换的机构，控制系统通过控制发电机的转矩和转速来控制风机发电功率。齿轮箱、液压站和高速轴刹车的电气接口是用来检测这些部件的状态并控制这些部件的运行。偏航电气部分是用来控制系统的偏航动作的。风机的传感器是用来检测风速、风向、风机振动、环境温度、风机的扭缆状态、风轮的锁定状态等。机舱柜和塔筒柜的功能描述见操作说明书2．风机发电控制方法在低风速，转子的速度在定义的范围内是受控制的，这是通过改变发电机的力矩命令，这样的控制能够使风机最大化的捕获风能。在中风速，达到额定转速时，转矩能动态的调节转子速度来达到额定值。在很低的风速下，使用一个类似的控制形式来

4、调节速度到最小的运行值。在高风速时，转矩要求达到额定值，要靠变桨控制来调节风轮转子的速度。力矩轻微变化，速度围绕设定点反比变化，来保持额定功率。图2.1：运行曲线图2.1显示了风机的转矩-速度运行的曲线。在1100到1810rpm之间的曲线是个二次曲线，通过设定发电机的力矩命令（Qd）与测量的发电机的转速（ωg）的平方成比例，能够获得最佳叶尖速比：式中ρ=空气密度R=叶轮半径λ=期望的叶尖速比=此叶尖速比时的功率系数G=齿轮箱速比因为风轮转子有个限定的惯量范围，既然风轮转子不能变速变得足够快以至于能跟上风速的变化，那么就不可能时刻维持在最高点Cp处。然而，如果风轮不是特别重以及C

5、p-λ曲线没有尖峰，上面描述的策略能使风机工作的相当好。在图2.2中呈现了稳定状态下的电功率，转子速度和变桨角度的轨道曲线。图2.2：稳定状态下的电功率，转子速度和变桨角度3．风机监视控制监督控制算法包括风机正常启动和关闭的过程，也包括过速或者过载触发，以及变桨系统或偏航子系统故障的检测逻辑。我们假设电网掉电、发电机故障和变流器系统的故障都直接传给风机控制器，控制器将按照电网故障来执行停机操作。3.1停机过程下表列出了七种不同的发电机停机过程。前五种由发电机控制器执行，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，

6、发电机断开，速度设置点降低到0。叶片在正常的变桨速度上是否慢速停机正常变桨速度在0功率断开是否快速停机快速变桨速度在0功率断开是否电网失电停机正常变桨速度电网失电或电气故障断开否否变桨故障停机变桨电池组连接在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紧急停止按钮停机变桨电池组连接立刻断开否是表3.1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-速度控制环来控制停机，其他地方的停机过程都是开环的。变桨系统必须在快速变桨时变桨率能够达到8º/s。正常变桨率设置在4º/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，这样能够减少负面极端空转负载。

7、在变桨运行下的变桨速度实际上是由变桨系统的能力和变桨动作的实际阻力（受控于变桨轴承的和变桨电机转动惯量）决定的。目前蓄电池收桨的速度为12º/s。3.2速度范围和触发等级根据资料，在发电控制设计的模拟说明了在IEC61400-1的第二版本设计的风机的湍流等级，发电机控制器能保持瞬时发电机速度低于稳定状态最大值的105%，高于稳定状态最小速度值的98%。研究目的是选择下面的速度范围和触发等级。风轮速度[rpm]发电机速度[rpm]最小稳定状态速度11.301130最大稳定状态速度1