风力发电机组控制系统介绍

05.07.2020
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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
（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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（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）。
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420mA信号输出。
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偏航扭缆传感器
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。
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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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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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）；
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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。
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
➢ 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
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。
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二 风力发电机组的输出功率
P r1 2C p()R2V3
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
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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
➢ 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；
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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。
路器、继电器、加热元件及 端子板等
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PLC主站系统
⑴ CPU模块（带有以太网接口和 CAN MASTER 接口）
.机组控制 .变频器控制（CAN BUS和硬接线）
②通讯模块 （主）
④DIO248
⑥PLC 备用模块
③照明
⑤AIO288
.与RTU进行数据交换
①CPU模块
⑵ FM模块（FASTBUS总线通讯模块）
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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三 XE82风机控制系统的功能及组成
Fra Baidu bibliotek
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
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. PLC主站 2. RTU（远程接口单元） 3. 工业以太网交换机 4. UPS电源 5. 触摸屏（本地监控及操作） 6. 各种按钮、指示灯、小型断
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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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：
.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
⑸ AI/O模块
⒀紧急 继电器
.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
⑿继电器 开关
⑾温度 监控器
⑩保险开关
⑹ 空模块
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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
安装
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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。
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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；
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。
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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
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
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。
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
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
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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
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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。
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