风机电气控制系统

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）、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：

2

g

d K Q ωλ=

式中

()3

352/G Cp R K λλπρλ=

ρ=空气密度 R = 叶轮半径 λ=期望的叶尖速比

()λCp =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Cp-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。

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。

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。

表3.2 速度范围和出错等级

软件过速触发导致快速关闭程序，安全系统过速差错导致安全系统关闭程序。

3.3 过功率触发等级

运行在IEC61400-1，版本2规定的设计湍流时，最大瞬时功率为1650kW。过功率等级设置如下表。

表3.3 功率差错等级

软件过功率触发会导致快速关闭程序。安全系统过功率会导致安全系统关闭程序。

3.4 电网掉电和电气故障

电网掉电、任何发电机或功率转换系统的故障都会导致电网掉电保护关闭程序。

3.5 偏航控制算法和故障的触发

发电机应装配有两个风向标和两个机舱方向传感器。

偏航控制算法在发电运行中，会监视10分钟内的平均偏航错误，如果超过8º,就会命令偏航系统以0.546º/s的速率运动15秒（让机舱回转8º）。

如果发电机正在运行，3秒内的偏航错误超过45º，发电机将进入正常关闭程序。

在完成偏航调整的任何5秒后测量的偏航速率大于0.0066º/s时，也会报警。这表明偏航出现了过速故障或偏航电机在没有接到启动命令时启动了。

当偏航电机完成调整完10秒后，机舱位置被储存起来。假设机舱转在任何位置直到需要进行进一步调整，当机舱转到与刚才存储的位置相差大于5度的位置时报警。这表明偏航系统的缓慢运动被探测到了。

上面的报警保证了偏航失控故障在5秒内被读取到，偏航超过规定值5度就可以被检测到。

偏航系统的故障会导致启动正常停机程序。

4．接线原理图

接线图的讲解

5．机舱柜和塔筒柜

原理图的讲解

6．安全系统的概念

安全系统是用来保证风机在故障的情况下风机仍然能够保持在安全的状态。安全系统的任务是保证风机的行为即便是在风机故障的情况下也符合安全概念。是独立于控制系统。

安全系统的等级比控制系统高，安全系统在与安全相关的极限值被超过或者是控制系统不能保证风机在安全范围内运行时起作用。其目的是保证风机处于安全状态。

安全系统一旦激活，安全系统将立刻执行它的任务并使风机进入安全状态。总的来说，它将启动所有的制动系统来使风轮减速。安全系统被触发后，必须要手动复位才能再次启动风机。

6.1 安全系统动作

6.1.1刹车系统