风机控制系统介绍

开，控制器输出的任何信号都无效。这种状态 多在手动操作和按下紧急停机按钮时出现。
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偏航结构及其控制
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偏航系统的组成
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偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、 纽缆保护装置、偏航液压回路
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Y
KV
Y
风 机 1
Y 大 地Y
风 机 2
Y
大
地
Y
风 机 3
Y
大
Y
地
Y
大
地
Y
风
·●●●
风
机
机
4
N
大 地
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风场网络拓扑结构
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远程监控网络
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监控系统
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GPRS无线通讯
发展现状
服务器
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第二部分 控制系统功能和控制策略介绍
• 各类机型中，变速变距型风电机组控制技术较复杂，其控制系统主要 由三部分组成：主控制器、桨距调节器、功率控制器。
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控制系统的变速恒频发电装置
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电驱变桨距结构
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液压驱动变桨距结构
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系统通讯链路
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风电场机组的接入
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风电场电气系统简图
电
网
66kV
风场变电站
风电机组微机监控
系统
变
10kV 母
电
线
站
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·●●●
10KV/0.69
电机后面，由刹车盘、刹车钳和液压系统构成， 变距系统电缆通过滑环引出，发电系统结构同 上。
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单级齿轮箱混合驱动结构
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frequency converter
generator side converter
line side converter
DC
main circuit breaker
定义
驱动链结构
发电机定义
特征描述
1 2 3 4(a) 4(b)
基本驱动链 多级齿轮传动
直驱
无齿轮传动
低速
单级齿轮传动
多通道
多级齿轮传动
源自文库多通道
单级齿轮传动
Ⅰ
多级行星斜齿
Ⅱ(a)和Ⅱ(b) 无齿轮低速发电机
Ⅲ(a)和Ⅲ(b)
行星式
Ⅰ
2个或多个发电机
Ⅲ(a)和Ⅲ(b)
2个或多个发电机
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4种驱动链结构所用电机比较
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• 由此可以看出，基本驱动链结构形式技术比较成熟，其 他结构都有设计风险。目前国际市场上商业化的有两种 机型：基本驱动链结构、单永磁发电机直驱结构，各有 优缺点：
• （1）双馈式基本驱动链结构的优点：
• 变流器容量小，降低机组成本，容量越大优势越明显； • 变速范围宽，可以在同步速上下30%转速范围内运行；
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偏航计数器 纽缆保护装置
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偏航控制：通过转动风轮使其远离风向，减少功率吸
收，它需要偏航驱动系统，轮毂要承受偏航回转力矩，总的 来说控制有效、设计简单。
驱动偏航、自由偏航或固定式偏航
下风向风机采用自由偏航方式，风机象一个大 的风向标一样自动跟随风向摆动，不需要驱动装 置，可以设计偏航阻尼限制偏航速率。
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失速型控制系统框图
旁路开关
齿轮箱 brake 交流异步发电机
软并网控制器 运行控制器
风轮转子
功率功补率偿控器制器
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10 ... 24 kV, f = 50 Hz 690V/10000V
中压开关
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双馈式-基本驱动链结构 • 此机型的基本结构为：复合行星平行轴斜齿齿轮
箱，双馈绕线式异步发电机，功率变换器位于发 电机转子侧与电网耦合，机组可以变速运行，功 率变换器容量为机组容量1/3。
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双馈式-基本驱动链结构
• 发电机和电网的连接如图所示，定子通过并网接触器与电 网相连，由功率变换器实现同步化后给出并网指令，实现 快速软并网。转子侧通过功率变换器与电网相连。在变转 速运行范围内，通过调节转子侧三相励磁电流，控制定子 侧恒频恒压输出，保证电能输出质量 。
gearbox
converter control
brake
synchronous generator (speed typically 1000...2000 rpm)
rotor bearing
pitch drive
wind turbine control
10 ... 24 kV, f = 50 Hz or 60 Hz
控制技术所涉及的内容有：
软并网控制技术，适用于定桨距失速型机组； 功率因数补偿技术，适用于定桨距失速型机组； 大小电机切换并网技术，适用于定桨距双速型机组； 变速滑差控制技术，适用于变桨距滑差调速型机组，如Vestas机型； 智能变桨距控制技术，适用于变桨距全变速型； 最佳叶尖速比的额定风速之下的转速控制技术，适用于变桨距全变速 型； 高于额定风速之上的功率控制技术，适用于变桨距全变速型，同上； 机组机械谐振控制技术，适用于变桨距全变速型，同上； 机组减载控制技术，主要适用于变桨距全变速型，同上； 变速恒频控制技术，适用于变速机组，主要为变速运行下的恒频恒压 功率输出控制技术。
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单级齿轮箱混合驱动结构
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• 此机型的基本结构为：复合行星斜齿齿轮箱、中 速永磁发电机、回转支架、刹车系统等。传递负 载路径为：轮毂与主轴承内连接，主轴承后部与 齿轮箱外连接，发电机通过法兰与增速箱连接， 风轮的力矩负载直接从主轴承传递到回转支架 上、把对齿轮的冲击降低到最小，刹车器位于发
机组运行工作状态划分及转换
• （3）停机状态 • 机械闸松开 • 叶片处于全翼展状态 • 液压系统保持工作压力 • 机组自动偏航调向停止 • 冷却系统非自动状态 • 操作面板显示“停机”状态 • （4）紧急停机状态 • 机械闸抱闸 • 紧急电路（安全链）开启 • 控制器所有输出信号无效 • 控制器仍在运行和测量所有输入信号 • 操作面板显示“紧急停机”状态 • 当急停电路（安全链）动作时，所有接触器断
• 小范围内的抑制功率波动，由功率控制器驱动变流器完成，大范围内 的超功率由变桨距控制完成。
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机组运行工作状态划分及转换
4种工作状态： • 运行状态 • 暂停状态 • 停机状态 • 紧急停机状态
运行
暂停
停机
紧停 工作状态转换
每种状态是一个活动层次，运行状态层次最高，急停状态最低， 四种工作状态的主要特征和说明如下： （1）运行状态
机械闸松开 允许机组并网发电 机组自动偏航调向 桨距控制系统选择优化工作模式，根据风速状况选择优化的 桨距角。 液压系统保持工作压力 冷却系统自动状态 操作面板显示“运行”状态 （2）暂停状态 机械闸松开 液压系统保持工作压力 机组自动偏航调向 叶片桨距角调到接近全翼展状态 叶轮空转或停止 冷却系统自动状态 操作面板显示“暂停”状态 这个状态在调试时很有用，主要用来调试时测试整个系统的 功能是否正常。
• 主控制器主要完成机组运行逻辑控制，如偏航、对风、解绕等，并在 桨距调节器和功率控制器之间进行协调控制。
• 桨距调节器主要完成叶片节距调节，控制叶片桨距角，在额定风速之 下，保持最大风能捕获效率，在额定风速之上，限制功率输出。
• 功率控制器主要完成变速恒频控制，保证上网电能质量，与电网同 压、同频、同相输出，在额定风速之下，在最大升力桨距角位置，调 节发电机、叶轮转速，保持最佳叶尖速比运行，达到最大风能捕获效 率，在额定风速之上，配合变桨距机构，最大恒功率输出。
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单永磁发电机直驱结构
• 此机型的基本结构为：轮毂、发电机、后部支撑架等构 成，主要部件为发电机，根据机械结构不同，可分为外转 子式和内转子式。基本构成有：主轴、定子、转子、空心 轴、定子外框、刹车器等。传递负载路径为：主轴承外套 分别与轮毂和发电机转子连接，内套位于心轴上，定子外 框与轴基座相连，中心轴通过螺栓与后支撑架连接，传递 负载到塔架顶部。4个刹车闸钳位于发电机转子上，叶片 变距系统控制电缆通过滑环导出。
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发电机定义
速度级别
速度范围
发电机类型
技术描述
Ⅰ
作为参考对象
1200rpm
绕线转子感应式 技术成熟
Ⅱ(a)
低速
20rpm
绕线转子同步
新型设计
Ⅱ(b)
低速
20rpm
永磁同步
新型设计
Ⅲ(a)
中速
100rpm
绕线转子同步
新型设计
Ⅲ(b)
中速
100rpm
永磁同步
新型设计
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两种主流驱动链结构比较
line coupling transformer
medium voltage switchgear
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多电机联合驱动结构
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• 此机型按照采用电机的类型不同，可以分为多永磁发电机 联合驱动机构和多感应发电机联合驱动机构。
• 总体来说基本结构为：主轴承、大齿轮、小齿轮、固定 盘、发电机、刹车系统、支架等。
• 输出电能质量高，可以调节有功、无功功率输出，调节 功率因数，起到电网无功补偿的作用。
• 也存在以下缺点：
• 电机转子绕组带有滑环、碳刷，增加维护和故障率； • 控制系统结构复杂，有难度。
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两种主流驱动链结构比较
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• （2）单永磁发电机直驱结构主要优点在于：
• 系统结构简单； • 故障率低，维护简单； • 变速运行范围宽，机组风能捕获效率高； • 主要缺点在于： • 采用的多极低速永磁同步发电机，电机直径大，
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风力发电机组控制系统介绍
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1
大纲
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1. 第一部分 控制系统概述 2. 第二部分 控制系统功能和控制策略介绍
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第一部分 控制系统概述
控制控制系统涉及的范围：
– 主控系统软硬件设计； – 变距系统软硬件设计； – 变流系统设计； – 通讯链路设计(本机和风场)； – 防雷及布线设计； – 安全系统设计； – 外围传感设计。
• 在各种冷却方式中，通过比较自然空冷、强制风冷、水冷 却等几种方式后，虽然空气冷却的发电机效率高，散热 好，但材料密度大。综合考虑后，水冷方式发电机结构紧 凑，重量轻，虽损失一些效率和发电量，但目前还是比较 经济的冷却方案。
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单永磁发电机直驱结构
• 发电机定子侧通过功率变换器与电网耦合，结构与后面的 混合式机组采用的功率变换器相同，整个发电系统结构如 图1-5所示，功率变换器为交-直-交形式，电机侧IGBT整 流桥采用主动整流形式，网侧IGBT为普通逆变桥，输出 后经过滤波馈入电网。如果扩展容量，可以通过桥臂并联 方式达到。风机主控制器协调控制变桨距机构和功率变换 器。
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单永磁发电机直驱结构
• 对于此结构机型设计，外直径和冷却方式设计为影响成本 的两个关键点。通常情况下，电机增加直径成本降低，但 大于5.5m后，优势不再明显，对于欧洲市场来说，电机最 大4m直径，这个是由欧洲运输条件决定的。对于美国市 场，最常用的运输方式集装箱和铁路运输中大多数地区都 可以允许6m直径运输，电机直径可以适当增大，成本也 可随之降低。
• 小齿轮与发电机轴啮合，悬臂于发电机轴承外，发电机外 套与固定盘可以为一体式结构，轴心固定在支架上，传递 负载到塔架顶部，刹车系统位于发电机后部，由3个刹车 盘和刹车钳构成，滑环结构用来传递叶片变距系统控制 线，如果把整个圆盘比喻为一个时钟盘面的话，在底部6 点时刻处安装风轮锁定装置。固定盘后部结构在下图中有 展示。
受运输问题的限制，随着机组设计容量的增大， 电机设计、加工制造都有困难。
• 采用全容量逆变装置，功率变换器设备投资大， 增加控制系统成本。
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主控系统
• 控制系统是风电机组安全运行的大脑指挥中心，控制系统 的安全运行就是机组安全运行的保证，各类机型中，变速 变距型风电机组控制技术较复杂，其控制系统主要由三部 分组成：主控制器、桨距调节器、功率控制器（转矩控制 器）。系统构成如图所示：
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多电机联合驱动结构
• 整个发电系统的构成为：各个小电机配备独立的 整流装置，集中到直流母线上，统一逆变、滤波 并网，功率变换器的结构如图所示，电网侧的逆 变器与直驱结构的网侧逆变器相同，电机侧为多
条支路并联，从而使并网装置成本增加。
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4种驱动链结构设计比较
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机型
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机组电气系统分类的情况
FD62-1000变速恒频风电机组控制系统总体布置图
整体控制系统主要按机
组型号分类
失速机型控制系统
机舱 主控 柜
变速 恒频 装置
双馈式变速恒频型
直 驱 永 磁 式 变 速 控 制系统
塔
底
主
中央监控室
控
柜
Computer
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