风力发电机基础知识及电气控制

制动器在风力发电机组中的安装位置
制动系统的组成 1制动器液压站 2制动钳 3制动盘 4连接管路
7、发电机 其作用是将风轮的机械能转化为电能。 叶片吸收风能中的动能，将其转化为机械能传给齿轮箱。发电机将齿轮 箱传输到发电机主轴的机械能转化为电能，通过发电机定子、转子传送 给电网。
安装位置
通过联轴 器与齿轮 箱高速端 相连。从 驱动端往 发电机看 控制柜位 于右侧。
机侧变频器 发电机转子
变压器 690V
400V回路
油冷泵电机 油冷风扇电机 刹车泵电机
电能计数器 水泵电机 齿轮箱加热器 300柜门 上开关
发电机加热器
机舱柜加热器 机舱柜内风扇 整流桥560VDC 西门子电源24VDC 电池柜内电池
变压器400V
偏航变频器
3*5*150mm2动力电缆3相，每相5根 1根150mm2接地电缆 2根4*16mm2电缆 机舱控制柜NCC300
1根7*1.5mm2控制电缆
1根6芯多模H6G50/125um光缆， 两端为SC接头 机舱控制柜NCC310 塔筒维修电源插座5*2.5mm2电缆 (包括机舱插座） 塔筒照明4*1.5mm2电缆（包括机 舱照明） 发电机变频器在NCC320
继电器等
NCC300
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NCC310
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NCC320
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TBC100
＋TBC100
塔基PLC UPS电源
通讯交换机等
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电气图纸
•690V主回路 •400V回路 •检测控制回路（PLC回路）
690V回路
定子接触器 300柜右侧母排 发电机定子
300柜左侧母排
350A保险
网侧接触器
网侧变频器
1. 安装于主机架内 2. 位于机舱中部偏叶轮部分 3. 内齿轮箱的重量约占机舱重量的1/2 后端通过联轴器 与发电机相连
前端通过法兰 与风轮百度文库连
齿轮箱的作用及工作过程
1 齿轮箱的作用：
将风轮的动能传递给发电机,并使其得到相应的转速。
2 齿轮箱的工作过程： 风作用到叶片上，驱使风轮旋转。旋转的风轮带动齿 轮箱主轴转动并将动能输入齿轮副。经过三级变速，齿轮 副将输入的大扭矩、低转速动能转化成低扭矩、高转速 的动能，通过联轴器传递给发电机。发电机将输入的动能 最终转化为电能并输送到电网。
并网型风力发电机组由以下部分组成
1、 风轮(叶片和轮毂) 2、 传动系统 3、 偏航系统 4、 变浆系统 5、 液压系统 6、 制动系统 7、 发电机 8、 控制与安全系统 9、 塔筒 10、基础 11、机舱
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1.5MW风力发电机组组成
一. 叶轮
二. 机舱 三. 塔架 四. 基础
叶片 轮毂
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1、风轮(叶片和轮毂)
偏航驱 动装置 侧面轴承 划垫保 持装置
偏航大齿 圈
大齿圈 主机架 划垫保持装置 侧面轴承 锁紧螺母 调整螺栓
偏航系统的功能就是捕捉风向，控制机舱平稳、精 确、可靠的对风
首先，假设现在风电机组正常工作，机舱叶轮处于迎风状 态，但是随着时间变化，风向逐渐的变化了，那么机组就不 能在原来位置工作了。 这时，由风速风向仪测得风向变化，并传给控制系统存储 下来，控制系统又来控制偏航驱动装置中的四台偏航电机往 风速变化的方向同步运转，偏航电机通过减速齿轮箱带动小 齿轮旋转。小齿轮是与大齿圈相啮合的，与偏航电机、偏航 齿轮箱统一称为偏航驱动装置，上图可以看出，偏航驱动装 置通过螺栓紧固在主机架上，而大齿圈通过88个螺栓紧固在 塔筒法兰上，不可旋转，那么只能是小齿轮围绕着大齿圈旋 转带动主机架旋转，直到机舱位置与风向仪测得的风向相一 致。
发电机将机械 能转化为电能
风力发电机组的主要参数
风轮直径（或风轮扫掠面积）：说明机组能够在多大范 围内获取风中蕴含的能量，是机组能力的基本标志。 额定功率：与机组配套的发电机铭牌功率。 切入风速：机组开始向电网输出功率时的风速。 切出风速：允许机组正常运行的最大风速。 额定风速：机组在匹配的动力带力下，正常工作，以最佳 效率运行时的所产生的风速。 平均风速： 生存风速：机组能够承受的最大风速。 转速范围：机组正常运行时叶轮的转速范围。 额定转速：与额定功率匹配的叶轮转速。
变桨系统
变桨轴承
变桨驱动装置
5、液压系统
为制动系统提供动力来源。
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6、制动系统
（1） 空气动力制动 ——叶片受力自动停机 （2） 机械制动 ——叶轮锁制动 ——制动器制动
制动系统 使风轮减速和停止运转的系统。 SL1500系列风力发电机所用的制动器是一个液压动作的盘式制动器，用 于锁住转子。例如，在风力发电装置紧急切断时，制动器制动，使系统 停机。它具有自动闸瓦调整功能，也就是说当闸瓦磨损时不需要手动调 整制动器.
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风力发电机的原理和组成
原理：风轮在风力的推动产生旋转，实现了风能向机 械能的转换，旋转的风轮通过传动系统驱动发电机旋 转，并在控制系统的作用下实现发电机的并网及电能 的输出，完成机械能向电能的转换，这就是风力发电 机将风能转换成电能的原理。
风力发电原理
变压器升压后 输送至电网
风能
机械能
电能
叶轮吸收风能 转化为机械能
风机的基础知识
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定义
（1）风力发电机组：以风能为动力的发电设备。 （2） 风电场： 装有两台或多台并网型风力发电机组的发电站称为风 力发电场，通称风电场。 我风电场的风力发电机组产生的电能，通过电缆经箱式 变压器将其电压由0.69kV升至35kV后，再经架空线路输送 到我升压站，在升压站将电压升至110kV后，经高压架空 线路并入河北南网。
1.5MW 系列风力发电机组基本参数
技术参数 单位 1500/70 1500/61 1500/82 1500/77
额定功率
切入风速
kW
m/s
1500
3
1500
约3.5
1500
3
1500
3
切出风速
额定风速 叶轮直径 轮毂高度 平均风速 生存风速 转速范围 额定转速 风机类型
m/s
m/s m m m/s m/s rpm rpm
4、变浆系统 通过调整叶片的角度，使风力发电机组获得最为理想的能量,当风速变化 时，特别时超过额定风速后，调整叶片的角度，控制风力发电机组的转 速和功率，维持机组工作在最佳状态。 采用电动变桨系统。由三台变频器拖动3台变桨伺服电机构成控制系统， 调节3片叶片的桨距角度，达到不同风速下的最佳桨距。
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双馈发电机工作原理
发电机
电网
变频器
双馈发电机拓扑结构


双馈异步发电机是指将定、转子三相绕组分别接 入独立的三相对称电源，定子绕组直接和电网连 接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要 求进行调节的变频器相连。变频器采用交-直-交的 形式与电网连接，控制电机在亚同步和超同步转 速下都保持发电状态并随着风速的变化调节发电 机的转速，进行能量交换。 所谓双馈是指功率可以通过变频器双向流动。
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风速风向仪



风力发电机组目前使用的是 超声波风速风向测试仪。 风速仪可以测量风速、风向、 和外界温度。 通过防雷模块、串行通讯数 据线传给从站PLC。
通过对风向的测试，确定风 力发电机组与正风向之间的 夹角。 通过对风速的检测，从而限 制风力发电机组的工作状态
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偏航系统位于机舱底部，其主要组成部分包括： 偏航大齿圈 侧面轴承 滑垫保持装置 上下及侧面滑动衬垫 偏航驱动装置 圆弹簧即调整螺栓 偏航限位开关 接近开关、风速风向仪等等
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控制回路
安全链系统 风机安全系统采用12级的安全链。控制柜有一个 组合式紧急停止按钮/安全继电器。当按下紧急停 止按钮时，所有有关的接触器和断路器立即断开。 安全继电器可以通过一个只能手动操作的按钮复 位。变频器控制器控制一个超速继电器，当超过 可调节的超速参数时动作。PLC监控所有的控制 元器件，并将故障信息报告给控制系统和监控系 统。
1.5MW系列风电机组机械主传动
增加转速 补偿轴 向偏差 产生电能 减小扭矩
吸收风能
3、偏航系统 使风轮的扫掠面始终与风向垂直，以最大限度地提升风轮对风能的捕获 能力，并同时减少风轮的载荷。采用电动偏航系统。一台偏航变频器同 步拖动4台偏航电机，提供偏航动力。位于偏航齿圈处的凸轮开关用于检 测机舱的左/右偏信号、机舱当前位置信号、解缆信号、左偏报警信号、 右偏报警信号。偏航给定由PLC输入至偏航变频器。
8、控制与安全系统
控制系统包括控制和监测两部分。监测部分将采集到的数据送到控制器， 控制器以此为依据完成对风力发电机组的变浆控制、偏航控制、功率控 制、开停机控制等控制功能。

控制系统主要分为三部分：
通信回路 控制面板 远程WPM

远程WPM软件的操作方法和现场的控制面板基 本一致.
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控制柜内电气元件大体分布
＋NCC3×0 机舱变频器机柜
＋NCC300 690VAC动力电路 定子接触器 线路保险 避雷保护 400VAC辅助电路 偏航变频器
＋NCC310 控制系统PLC 控制面板 接触继电器 开关 UPS系统 除了电池之外的电源
＋NCC320 LSC电网侧功率变频器 GSC电机侧功率变频器 Crowbar单元 滤波单元等 网侧接触器
控制面板

可以查看的参数信息

风机所处的状态

例如：运行、停机、故障

查看即时的故障信息

例如：故障代码、简单描述
例如：温度、电压、角度 例如：启动、停止 例如：发电量、发电时间、 耗电量

各个设备的即时参数


各个设备所处的状态


信息的记录

Control－控制面板
Control－菜单内容
25
12 70.4 65/70/80 8.5 59.5 11.5-21.2 20.1 IEC Ⅱ /抗台风型
25
14 60.9 65 10.13 80 11-22 20.1 超IECⅠ
20
10.5 82 70 8.5 52.5/59.5 9.7-19 17.4 IEC Ⅲ
20
11 77.4 65/70/80/100 7.5/8.5 52.5/59.5 9.8-18.3 17.4 IEC Ⅲ / IEC Ⅱ
捕获风能的关键设备。叶轮又 叫风轮，是获取风中能量的关 键部件，由叶片和轮毂组成。 为变桨距风轮。 叶轮的作用是将风能转化为机 械能。机械能通过主轴传动到 增速机增速，达到发电机同步 转速。 N＝60f / P 率 N：转速 P：磁极对数 f：频
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2、传动系统
传动系统：主传动、偏航驱动、变桨驱动 主传动系统： 水平轴式传动：轮毂主轴齿轮箱联轴器发电机 风轮与发电机的连接纽带。齿轮箱是其关键部件。通过齿轮箱，风轮的低转 速才能使发电机以接近额定的转速旋转，达到并网发电的目的。
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通信回路
控制面板

优点


只有一个接口 位于控制柜NCC310柜门 连接到主站PLC 位于控制柜TBC100柜门 连接到塔基PLC 不需要额外的操作软件 简单、使用、可靠
NCC310
TBC100
控制面板
40
控制面板

可以操作的对象：

风机的启动、停止 变桨的启动、停止 刹车的启动、停止 变频器的相关操作 偏航的操作 油冷系统的操作 水冷系统的操作 加热系统的操作
10
联轴器
膜片组
涨紧套
中间体
发电机法兰 涨紧套
制动盘
力矩限制器
测速盘
联轴器
联轴器作用： 作为一个柔性轴，它补 偿齿轮箱输出轴和发电机转 子的平行性偏差和角度误差。 为了减少传动的振动，联轴 器需要有振动和阻尼。 阻抗：≥100M 承受电压：2 kV 作用：这将防止寄生电流通 过联轴器从发电机转子流向 齿轮箱输出轴。
10、基础
为钢筋混凝土结构，承载整个风力发电机组的重量。基础周围设置有预 防雷击的接地系统。
11、机舱
风力发电机组的机舱承担容纳所有的机械部件，承受所有外力（包括静 负载及动负载）的作用。
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风力发电机组简图

整个电气系统主要包括以下组成部分:
电源系统 发电机 变频器 偏航系统 变桨系统 电池系统 水冷系统 油冷系统
12级安全链： 1. 急停按钮 2. 转子过速 3. 变桨叶片驱动故障 4. 制动器故障 5. 发电机过速 6. 振动开关动作 7. 轮毂过速 8. 看门狗 9. 制动器工作位置 10. 叶片在工作位置 11. 轮毂驱动故障 12. 存储继电器故障
9、塔筒
风力发电机组的支撑部件。它使风轮到达设计中规定的高度。其内部还 是动力电缆、控制电缆、通讯电缆和人员进出的通道。