风力发电机组控制系统介绍

变频器主要作用：将 永磁发电机发出频率 无规则的电能转换成 与电网相匹配的电能 馈入电网。 水冷装置作用：主要 用来冷却变频器，将 变频器内部的温度降 低以保证变频器的正 常运行。
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四 XE82风机安全系统介绍


风机安全系统的主要功能是维持风机在一个安全 条件下。它阻止风机超速并且在发生故障、外部 条件达到运行极限、自动重启、或按下紧急停机 时，使叶片回到顺浆位置。 对于XE82，必须使用两个独立的安全系统，且这 两个安全系统都是基于全范围变浆控制系统。第 一个安全系统使用一个直流伺服驱动器作为每个 直流伺服电机的供电装置。第二个安全系统使用 电池作为每个直流伺服电机的供电装置。
液压系统
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终端限位开关

主要用于变桨刹车保护
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避雷装置

主要用于雷电时提供雷电电流通道
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风速及风向传感器

风速计工作原理：风速计内部装有一运动轴承，与轴承连 接处有一个带有32个均匀分布孔的圆柱，这个圆柱带有光 学感应开关的发光二极管和光敏三极管。随着轴承的转动 会产生一系列的脉冲序列信号，此脉冲信号与风速成一定 的比例。利用一个积分器将脉冲信号转换为电压信号，电 压信号可以被解析成4-20mA的输出信号。XE82风机所采集 的是直接发生的脉冲信号，其脉冲频率为10Hz。 风向标工作原理：风向标内部装有一个6位的格雷码盘， 利用光学原理，风向标的角度可以实现0-359°的监测。 格雷码盘的数据经过内部处理，变成一个二进制码。此二 进制码被D/A转换器变成模拟电压，最后被转换成4-20mA 信号输出。
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变频器与主控系统的通讯也是采用通讯速率为500 Kbits/s的CANopen通讯协议，使用的连接线是屏 蔽铜电缆。
变频器控制系统不是风机控制系统的一部分，它 是一个自动控制系统，变频器开关的闭合/断开命 令以及转矩和速度给定是从风机主控系统发送到 变频器的，变频器可以发送一个故障请求使风机 停机。
本地操作面板的触摸屏也不是风机控制和安全系 统的一个非常重要的部件，这也就意味着触摸屏 关闭也不会影响风机的控制和安全系统，但一般 情况下触摸屏需要正常工作。
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塔基控制柜
塔基控制柜组成
1. 2. 3. 4. 5. 6. PLC主站 RTU（远程接口单元） 工业以太网交换机 UPS电源 触摸屏（本地监控及操作） 各种按钮、指示灯、小型断 路器、继电器、加热元件及 端子板等



各种监控功能（发电机定子温度、轴承温度、控 制箱温度、变浆电机温度、电池等）； 与变频器控制系统的CANOPEN通讯和控制； 辅助控制功能（油脂泵、维护刹车、锁紧销、冷 却风扇等）； 操作界面接口：与本地操作界面通讯；
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风力发电机组控制系统的组成

塔基控制柜
风机各控制功能、中央处理CPU及通讯 风机本地监控和操作

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（3）电网故障； （4）紧急按钮按下； （5）独立超速保护继电器检测到超速； （6）PLC远程I/O故意撤销看门狗信号，强迫发生一 个故障以激发第二个安全系统（例如，驱动故障、 叶片误差或编码器故障）。 两个叶片变浆到顺浆位置就能确保风机在任何工 况下都安全，即使在错误条件下第三个叶片仍然 在工作位置。 激活安全系统大部分都不会导致轮毂静止，在大 部分风况下，轮毂仍然以很低的速度旋转（空转） <2rpm。
XE82-2000风力发电机组 控制系统介绍
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主要内容
一、XE82风力发电机组的组成和工作原理 二、风力发电机组的输出功率 三、XE82风机控制系统的功能及组成 四、XE82风机安全系统介绍 五、Bachmann M1 PLC系统特点
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一 XE82风力发电机组的组成和 工作原理
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两个系统的切换功能通过紧急控制模块控制，每 个叶片有一个紧急控制模块，它包括1个看门狗定 时器，1个需要常变量脉冲的装置（24V，看门狗 周期为300ms）以确保接触器开关在直流伺服电机 驱动位置，一旦连续5个周期（1.5s）脉冲信号丢 失，这个开关就会激活。在发生下列紧急情况下， 看门狗信号丢失并且转由电池向变浆电机供电： （1）PLC程序进入死循环，或没有反应； （2）变浆伺服系统出现故障，包括角度或位置编码 器故障、驱动器故障、叶片位置偏差过大及变浆 超时；
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PLC主站系统
⑴ CPU模块（带有以太网接口和CAN ⑥PLC MASTER 接口） ④DIO248 备用模块 ②通讯模块 ③照明 .机组控制 ⑤AIO288 （主） .变频器控制（CAN BUS和硬接线） .与RTU进行数据交换 ①CPU模块 ⑵ FM模块（FASTBUS总线通讯模块） .与机舱PLC从站进行数据交换 ⑷ DI/O模块 .处理各种外部开关量输入/输出， 如：风机起动/停车、复位、变压 器各个开关的状态、变频器及冷却 装置等外部开关信号 ⒀紧急 ⑿继电器 ⑾温度 ⑩保险开关 ⑸ AI/O模块 继电器 开关 监控器 .处理各种外部模拟量信号，如： 变频器冷却装置的入口和出口水压、 变压器温度等 ⑹ 空模块





手动/自动偏航控制（包括 液压刹车） 气象站数据检测（风速、 风向、温度） 润滑系统控制（主轴承、 偏航轴承） 发电机定子温度及气隙温 度检测和保护 烟雾检测及报警 扭缆检测及控制 与塔基PLC主站（FASTBUS） 及轮毂PLC从站（CAN）通 讯 本地调试及维护接口
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三 XE82风机控制系统的功能及组成
风力发电机组控制系统的功能




自动或手动启动和停止风力发电机组； 叶片变浆控制实现风机的功率限制和轮毂转速限 制； 偏航控制实现风机最大面积迎风； 风速和风向监测； 风机保护系统； 紧急保护系统以及周期性紧急系统检查；
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轮毂操作盘

TURN模式操作 系统紧急停车 轮毂锁定操作

轮毂维护进入显示
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轮毂控制柜

六边形柜体,分3个部分,每个部分负责一个叶片 轮毂PLC站
CAN SLAVE模块 轮毂转速编码器模块 叶片角度编码器模块 I/O模块(DIO,AIO)


伺服驱动单元 紧急变桨蓄电池及监视单元 紧急变桨模块 超速保护继电器 小型断路器,各种继电器及端子板 各种按钮,指示灯及维护开关
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轮毂控制柜安装在风力发电机的轮毂内，主要处 理轮毂里的I/O信号，用以实现风机的变浆控制、 轮毂辅助控制和紧急变浆；
风机主控系统柜和机舱控制柜的连接是通过光纤 完成，它具有抗电磁干扰，且传输时间以微秒计 的特性，与背板传输的时间相当。 机舱控制柜和轮毂控制柜的连接是通过滑环完成， 采用的通讯协议是CANopen，通讯速率为 500Kbits/s。
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偏航扭缆传感器

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扭缆传感器的组成：传感器内部装有一个4.7KOhm的 电位计和2个带有凸轮的限位开关。 主要作用：用来限制风机的偏航以保护电缆，风机 设定的偏航角度为900°，当风机往同一方向偏航 900°以后就会发出停机并解缆命令。
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变频器及水冷装置

灵活的通讯方式，简洁的网络结构
支持CAN、FASTBUS、ProfiBus等现场总线及工业以太网通讯方式，支持双绞线和光纤通讯介质

多种可编程的I/O模块
I/O模块可灵活进行编程设置，降低了现场处理问题的时间
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油脂泵装置

润滑装置主要由油脂泵、分配器、管路、油嘴等组成。轮 毂内的润滑系统自动润滑变桨轴承和变桨齿轮。 变桨轴承（红色）及变桨齿轮油脂（棕色）。
①限位开关
②电动润油泵
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锁紧销
轮毂（转子）的制动和锁紧：转子的制动和锁紧装置主 要由稀油液压站，管路、盘式制动执行机构、液压锁紧销等 组成。风机运行过程中，当平均风速高于设定值或瞬时风速 超过设定值时，轮毂处于制动或锁紧状态。在风机叶轮里进 行检查维护工作时，必须保证制动销插上，使轮毂处于锁紧 状态。

机舱控制柜
机舱CAN主站 主控制系统的远程I/O站 偏航控制及其他辅助控制功能

轮毂控制柜
轮毂CAN从站 变桨控制及其他辅助控制功能
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风机控制系统框图
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控制柜介绍

塔基控制柜（风力发电机主控柜）安装在风力发 电机的塔筒底部，用以实现风力发电机组的启动 和停机、偏航控制、辅助控制、保护和监控，并 且实现风机变浆控制、偏航控制和变频器控制的 协调； 机舱控制柜安装在风力发电机的机舱内，主要处 理机舱里的I/O信号，用以实现偏航控制、机舱的 辅助控制、塔筒加速度监控和发电机保护监控；
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轮毂控制柜功能

变桨及紧急收桨控制 紧急收桨系统在线检测 超速保护 轮毂速度检测 变桨轴承和变桨齿轮润滑控制 轮毂温度监视
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滑环装置
滑环装置的作用 1.轮毂供电传输 2.CAN总线传输 3.超速传感器安装 4.轮毂转速传感器 安装
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XE82风力发电机组的组成
XE82风力发电机组由叶轮、主轴承、同步发电机、变桨系统、 偏航系统、主控制系统、变频器、变压器及其他辅助部件组成。


工作原理
叶轮将风能转化为机械能，首先通过主轴承将机械能传递给发电 机，发电机把机械能转化为电能，再通过风力机专用变频器将发电机 发出的频率和幅值变化的交流电转化为频率和幅值均恒定的交流电， 然后通过升压变压器转化成风电场需要的电压，最后通过变电站送入 电网； 为使叶轮能够最大限度地获得风能，需要使叶轮时刻处于迎风方 向。偏航驱动系统的作用就是不断调整机舱方向，使得风电机组在发 电时，其叶轮始终处于迎风方向； 当风速高于额定风速时，为了保证风力发电机工作在额定功率状 态，需要调整叶片的角度以使叶轮得到的风能与发电机的额定功率相 匹配。变桨系统的作用就是在风速高于额定风速时，通过调节叶片角 度使发电机始终工作在额定状态。
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机舱控制柜
机舱控制柜组成
1.机舱PLC站 电源模块 FASTBUS从站模块 CANBUS主站模块 以太网模块（本地PC维护接口） DIO AIO模块 2.塔基X-Y振动传感器单元 3.紧急故障继电器 4.各种断路器、继电器、开关等
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机舱控制柜主要功能
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⑦通道 交换机
⑧24VDC ⑨5VDC
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主控柜本地监控系统(触摸屏)
风力发电机本地参数设置及状态显示
风速、转速等信息概览 启动条件及步骤 参数列表 最近100次事件报告 轮毂参数设置及状态显示 机舱参数设置及状态显示 发电机状态显示 变频器及水冷系统状态显示及参数设置 电网状态显示 发电量统计(年\月\日)(有功电量/无功电量) 可利用率统计 风机运行时间统计 故障及报警事件
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二 风力发电机组的输出功率
Pr

1 C p ( ) R 2 V 3 2
Pr
风轮吸收的功率，W ρ 空气密度，kg/m3 R 风轮的半径，m V 风速，m/s Cp 风力机的功率系数 β 桨距角 λ 叶尖速比（λ=Vtip/Vwind=ωR/V） ω 风轮旋转角速度，rad/s Vtip 风轮叶尖速度，m/s 由于空气密度、叶轮半径及风速均为不可控值，唯一可以控制的 参量就是风力机功率系数（风能利用系数）Cp ，其理论极限值为 0.593。若在任何风速下，风机都运行在最大Cp值下，则可增加其 输出功率。
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五 Bachmann M1 PLC系统特点

可靠的硬件，适合恶劣的现场环境
环境温度：存储温度-400C-700C（低温型）运行温度：0-600C；相对湿度：5-95%；适合于振动环境

高性能的CPU，大容量的存储器
Intel 80386EX，133MHZ，8M内存，最大64M程序存储区，适合于复杂的算法，兼具传统DCS和PLC的 优点