控制系统构造及原理讲义整理.docx

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控制系统构造及原理讲义整理

《风力发电技术》电子教案

项目名称

项目十一控制系统构造及原理

教学任务

任务11.1控制系统

2课时

任务11.2W2000型风机控制系统

6课时

教学目标

知识目标

1、熟悉控制系统组成、分类及工作原理；

2、熟悉W2000型风机控制系统的控制显示界面、硬件结构、软件信息及控制过程.

能力目标

1、能够识读风机控制系统的控制显示界面；

2、能够正确操作风机的各种工作模式；

3、能够根据风机控制系统的操作流程及控制原理，进行风机运行控制及故障分析。

素质目标

1、具有工作责任心与职业道德；

2、具有协调作业、团结合作的职业素质；

3、具有规范作业、文明作业的良好职业素养。

重点

风机运行控制及故障分析

难点

风机运行控制及故障分析

教学组织

1、任务安排；

2、知识讲授；

3、方案制定；

4、项目实施

5、汇报考核

考核方式

汇报考核

提交成果

风机控制系统操作手册

教学内容

任务11.1控制系统

一、控制系统

1、控制系统的总体结构

风力发电机组的控制系统采用微机控制，属于离散型控制。

是将风向标、风速计、风轮转速，发电机的电压、频率、电流，电网的电压、电流、频率，发电机和增速齿轮箱等的温升，机舱和塔架的振动，电缆过缠绕等传感器的信号经过模／数转换输送给微机，由微机根据设计程序发出各种控制指令。

2、主控制器

1）主控制器的构成

风力发电机组的主控制器是控制系统的核心。

它一方面与各个功能块相联系，接收信息，并通过分析计算发出指令。

另一方面与远程控制单元通信，沟通信息及传递指令。

主控制器一般分置于机舱控制柜和塔基控制柜中。

2）机舱控制柜

机舱控制柜的功能是：

1）采集机舱内振动开关、油位、压差、磨损、发电机PTC及接触器、中间继电器和传感器的反馈等开关量信号；采集并处理风轮转速、发电机转速、风速风向、温度、振动等脉冲、模拟量信号。

2）通过接收变桨系统温度反馈和顺桨反馈，发送信号使变桨距系统紧急顺桨和复位。

通过变桨距系统RS-485通信，控制桨距角变化，实现最大风能捕获和功率控制。

3）塔基控制柜

塔基控制柜的功能是：

1）控制器的处理模块（CPU模块）位于塔基控制柜，主要完成数据采集及I/O信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱控制柜光纤通信，接收机舱信号，返回控制信号；与中央监控系统通信，传递信息。

2）对变流器、变桨距系统、液压系统，偏航系统，润滑系统，齿轮箱及机组关键设备的温度及环境温度等作监控；变流器和变桨距系统的耦合控制，与变流器通信，实现机组变速恒频运行、有功及无功调节、功率控制、高速轴紧急制动、偏航自动对风、自动解缆、发电机和主轴自动润滑、主要部件的除湿加热和散热器开停。

3）对定子侧和转子侧的电压、电流测量，除了用于监控过电压、低电压、过电流、低电流、三相不平衡外，也用于统计发电量，以及并网前后的相序检测。

4）通过和机舱控制柜相连的信号线实现系统安全关机、紧急关机、安全链复位等功能。

3、控制系统的功能

1根据风速信号自动进入起动状态、并网或从电网切出；

2根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制；

3根据风向信号自动对风；

4根据功率因数自动投入（或切出）相应的补偿电容（对于设置补偿电容的机组）。

当发电机脱网时，能确保机组安全关机；

5在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行监测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标；

6对于在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信的功能。

二、安全保护

风力发电机组的控制系统具有两种基本功能：

一个是运行管理功能，

一个是安全保护功能。

1、安全保护系统

1）大风保护安全系统

多数机组取l0min平均25m/s为切出风速，由于此时风的能量很大，系统必须采取保护措施。

在关机前对失速型风力发电机组，风轮叶片自动降低风能的捕获，风力发电机组的功率输出仍然保持在额定功率左右。

对于变桨距风力发电机组，必须调解叶片桨距角，实现功率输出的调节，限制最大功率的输出，保证发电机运行安全。

当大风关机时，机组必须按照安全程序关机。

关机后，风力发电机组一般采取偏航90。

背风。

2）电网失电保护

风力发电机组离开电网的支持是无法工作的。

一旦失电，空气动力制动和机械制动系统动作，相当于执行紧急关机程序。

这时舱内和塔架内的照明可以维持15～20min。

对由于电网原因引起的停机，控制系统将在电网恢复正常供电l0min后，自动恢复正常运行。

3）参数越限保护

1）超速保护：

①当转速传感器检测到发电机或风轮转速超过额定转速的110％时，控制器将给出正常关机指令；

②防止风轮超速，采取硬件设置超速上限，此上限高于软件设置的超速上限，一般在低速轴处设置叶轮转速传感器，一旦超出检测上限，就引发安全保护系统动作。

2）超电压保护：

超电压保护是指对电气装置元件遭到的瞬间高压冲击所进行的保护，通常对控制系统交流电源进行隔离稳压保护，同时装置加高压瞬态吸收元件，提高控制系统的耐高压能力。

3）超电流保护：

控制系统所有的电器电路（除安全链外）都必须加过电流保护器，如熔丝、断路器等。

4）振动保护

机组一般设有三级振动频率保护：

振动开关、振动频率上限l、振动频率极限2，当振动开关动作时，系统将分级进行处理。

5）开机保护

采用机组开机正常顺序控制，对于定桨距失速异步风力发电机组采取软切控制限制并网时对电网的电冲击；对于同步风力发电机，采取同步、同相、同压并网控制，限制并网时的电流冲击。

6）关机保护

风力发电机组在小风、大风及故障时需要安全关机，关机的顺序应先空气动力制动，然后，软切除脱网关机。

软脱网的顺序控制与软并网的控制基本一致。

2、微控制器抗干扰保护系统

微控制器抗干扰保护系统的作用是使微机控制系统或控制装置既不因外界电磁干扰的影响而误动作或丧失功能，也不向外界发送过大的噪声干扰，以免影响其他系统或装置正常工作。

抗干扰措施有：

①进入微控制器所有输入信号和输出信号均采用光隔离器，实现微机控制系统内部与外界完全的电气隔离；

②控制系统数字地和模拟地完全分开；

③控制器各功能板所有电源均采用隔离电源；

④输入输出的信号线均采用带护套的抗干扰屏蔽线；

⑤微控制器的系统电路板由带有屏蔽作用的铁盒封装，以防外界的电磁干扰；

⑥采用有效的接地系统等。

3、微控制器的自动检测功能

微控制器应能够对系统的故障进行自动检测。

利用自动检测和修复方法可以使微控制器的故障自动消除，或者使系统操作者能更快地发现故障部件，迅速加以修复，以达到微控制器安全运行的目的。

三、安全链

安全链是独立于计算机系统的最后一级保护措施。

将可能对风力发电机组造成致命伤害的故障节点串联成一个回路，一旦其中有一个动作，便会引起紧急关机反应。

一般将如下传感器的信号串接在安全链中：

紧急关机按钮、控制器程序监视器（看门狗）、液压缸压力继电器、扭缆传感器、振动传感器、控制器DC24V电源失电等。

此外，如果控制计算机发生死机，风轮过转速或发电机过转速，也起动安全链。

紧急关机后，如果所有安全链相关的故障均已排除，只有手动复位后才能闭合安全链，重新启动。

四、信号测量

1）速度信号：

发电机转速、风轮转速、偏航转速和方向等。

2）温度信号：

主轴承温度、齿轮箱油温、液压油油温、齿轮箱轴承温度、发电机轴承温度、发电机绕组温度、环境温度、电器柜内温度、制动器摩擦片温度等。

3）位置信号：

桨距角、叶尖扰流器位置、风轮偏角等。

4）电气特性：

电网电流、电压、功率因数、电功率、电网频率、接地故障、逆变器运行信息等。

5）液流特性：

液压或气压、液压油位等。

6）运动和力特性：

振动加速度、轴转矩、齿轮箱振动、叶根弯矩等。

7）环境条件：

风速、风向、湿度等。

任务11.2W2000型风机控制系统

1、概述

SEC-W2000型风机是三叶片、变桨控制、上风向风机，额定功率为2MW。

变桨系统作为风机的低速轴刹车系统，每个叶片具有独立的电变桨控制，各自备有蓄电池以保证失电安全。

机械刹车是风机的二级刹车系统，安装在驱动链的高速轴侧。

当低速轴刹车系统失效时，机械刹车能够保证风机运行在允许的范围内。

变桨系统和机械刹车由风机的控制系统和安全系统共同控制，安全系统优先于控制系统。

2、系统操作

2.1柜门面板操作

2.1.1塔底控制柜

塔底控制柜柜门面板由触摸屏、指示灯、按钮和开关组成：

2.1.2机舱控制柜

机舱控制柜柜门面板由嵌入式面板型PC、指示灯、按钮和开关组成：

2.2显示屏操作

2.2.2.实时数据监控

2.2.3.服务模式

2.2.3.1手动变桨（权限:

90）

风轮解锁后，打开风轮制动，改变桨距角设定值（默认89°），设定风轮转速，将手动变桨使能置位，然后按START按钮开始。

结束手动变桨时，按STOP按钮停止，桨距角会回到89°。

2.2.3.2手动维护（权限:

90）

点击准备操作设备相应的状态按钮，会弹出一个对话框，有关闭（OFF），打开（ON）和自动（AUTO）三种选择，选定其中一种状态后，点击确定按钮。

ON/OFF显示设备的实际状态（开/关）。

2.2.4状态码记录

状态码记录界面包括状态码历史列表和状态码统计列表。

2.2.5.输入输出列表（IO）

点击IO列表按钮，显示DI和DO的状态。

2.2.6.安全链

点击安全链按钮，显示安全链的状态。

当安全链正常时，安全链显示颜色为绿色；当安全链断开时，安全链显示颜色为红色。

2.2.7.EtherCAT及Profibus通讯

点击通讯状态按钮，显示机舱和塔底的Ethercat和Profibus的通讯状态。

2.2.8.历史数据统计

历史数据统计显示操作数据的历史记录，点击总报表，年报表和月报表按钮，显示不同时间跨度的历史数据。

3硬件描述

2MW风机控制系统由塔底控制柜和机舱控制柜两部分组成。

硬件系统由倍福（Beckhoff）系列总线端子构成，主要采用的总线端子有数字量输入端子、数字量输出端子、模拟量输入端子、特殊功能端子、供电端子、安全模块端子。

这些总线端子与总线耦合器一起组成站点，各个站点之间通过通讯线缆相连接，与变流柜从站、变桨从站以及CPU模块构成整个风机的控制系统。

1）塔底控制柜

塔底控制柜主要控制塔底柜冷却风扇、塔底通风风扇、变流器风扇及塔底主电源等执行机构；塔底控制柜作为控制系统的主站，控制器采用德国倍福（Beckhoff）公司的嵌入式PC，信号采集通过总线端子模块实现。

塔底控制柜配有触摸屏一台，预装WinCE系统，用于系统管理和监控。

塔底控制柜的通讯接口有两个：

一个Profibus通讯接口，实现与变流柜之间的通讯；

一个多模光纤通讯接口，实现与机舱控制柜之间的通讯。

2）机舱控制柜

机舱控制柜主要控制液压站、齿轮箱、发电机、风轮、偏航及风扇、照明等执行机构。

机舱控制柜按照数字量与模拟量的划分方式，将总线端子模块分为了两个站点，实现了对机舱内相关物理量的监测与处理。

机舱控制柜配有嵌入式面板型PC一台，预装WinXP系统，作为HMI，对系统进行管理和监控。

机舱控制柜有两个通讯接口：

一个是与塔底控制柜实现光纤通讯的模块；

一个是Profibus通讯接口，实现与变桨系统之间的通讯。

4软件描述

4.1运行状态

2MW风机控制器的主流程中包括十一种运行模式：

☐初始化模式

☐停机模式

☐服务模式

☐待机模式

☐自检测模式

☐空转模式

☐启动模式

☐切入模式

☐发电模式

☐共振模式

☐变桨润滑模式。

4.1.2初始化模式

当风力发电机组控制器在重新启动、参数修改、程序更改等情况发生之后，需要进入初始化模式。

1执行初始化程序读取参数文件，如果文件读取错误，将置出状态代码“初始化文件错误”；

2将读取到的参数赋给相对应的运行变量；

3初始化完成，进入停机模式。

4.1.3停机模式

由状态代码产生停机程序，机组将进入停机模式，在停机模式下：

1对于能够自动复位的状态代码，通过自动复位可进行复位；

2可以通过手动复位的方式对状态代码进行复位，不同的状态代码对应了不同的复位权限；

3可以通过SCADA系统对风机进行手动复位；

4操作“服务开关”，风机可实现服务模式和停机模式之间的切换；

5执行复位后，如果停机程序<1，则风机进入待机模式。

4.1.4服务模式

服务模式用于对风机进行维护和试运行，当机舱控制柜门或塔底控制柜门上的维护钥匙开关打开时，系统进入服务模式。

当维护钥匙开关锁定时，系统退出服务模式进入停机模式。

4.1.5待机模式

1执行自动偏航；

2如果60s平均风速大于3m/s，启动倒计时程序。

倒计时时间由自启动倒计时和高速轴刹车倒计时剩余时间之间较大的数值作为倒计时时间。

启动倒计时后，当风速大于3m/s时倒计时计数器减1，当风速小于3m/s时，倒计时计数器加1；

3当机组执行了紧急停机程序，则高速轴刹车倒计时激活，设置倒计时时间为120s。

当风轮转速小于1rpm时，倒计时开始。

倒计时满120s后，高速轴刹车倒计时关闭，高速轴刹车倒计时剩余时间置0；

4按下柜门面板或HMI上的“启动按钮”，则可跳过自启动倒计时。

但是如果高速轴刹车倒数计时剩余时间大于0，则必须要等到高速轴刹车倒计时完成后才能进入自检测模式。

4.1.6自检测模式

1在自检测程序模式下，控制器将对变桨系统进行测试，主要包括变桨速度、变桨位置以及高速轴刹车检测。

2用户可以选择在自检测程序开始之前，通过HMI上的按钮选择跳过测试，如果进入了自检测程序，检测过程将不能中途退出。

3在所有的部件完成测试之后，风机转入空转模式。

4.1.6.1自检程序1

1

液压风轮制动阀关闭；

2如果在20s内，平均桨距位置大于72°，状态代码“自检1故障”激活；

3如果在20s内，平均桨距位置在70±2°范围内，则进入自检程序2。

4.1.6.2自检程序2

1如果液压系统主压力小于135bar或大于170bar，或风轮转速大于1rpm，状态代码“自检2故障”激活；进入自检程序3。

4.1.6.3自检程序3

1液压风轮制动阀打开；

2检查每个转速信号的输入值，要求：

3风轮转速1大于，风轮转速2大于

4如果不满足上述条件，则“自检3故障”激活；

5自检测完成。

4.1.7空转模式

1设定最大变桨速度为10˚/s，设定桨距角最小值为35˚，设定转速最大值为2rpm；

2在120s内，如果风轮转速大于持续8s，则进入启动模式；

3如果控制器在空转模式下超过24小时，或者10min平均风速小于3m/s，则退出空转模式，回到待机模式。

4.1.8启动模式

1设定风轮转速设定值=风轮转速+1；

2如果风轮转速大于风轮转速设定值，则重复过程2，直至提升风轮转速至并网转速；

3控制风轮转速，使得风轮转速介于切入转速±0.5rpm范围内，维持5s之后，控制器向变流器发出并网信号，进入“切入发电机模式”；

4如果风轮转速小于切入转速持续120s，则退出启动模式转入空转模式；

5如果风轮转速介于共振频率转速上下限之间持续20s，则退出启动模式转入空转模式。

4.1.9切入模式

1设定最大变桨速度为10˚/s；

2控制风轮转速在切入转速±0.5rpm范围内；

3控制器向变流器发出励磁指令，变流器收到励磁指令后对发电机进行励磁，并且检查主断路器或接触器两端的电压和频率，确认符合并网条件后进行并网，将并网信号反馈给控制器；

4控制器收到变流器发出的并网确认信号后，确认该信号并且进入发电模式；

4.1.10发电模式

1设定最大变桨速度为10˚/s，桨距角位置和风轮转速设定值通过计算求得；

2根据转矩表向变流器输出转矩要求和功率因数；

3当风机出于发电模式下，如果以下条件任意一个满足则风力发电机组脱网并转入空转模式：

◆10min平均风速小于3m/s，持续120s

◆有功功率为负值，持续120s

◆

◆如果风轮转速介于共振频率转速上下限之间持续20s，则进入共振模式。

4.1.11共振模式

1对于SEW93-70的风机，由于塔架共振频率不能避免，因此需要加入共振模式，避免风机长时间工作在塔架共振频率范围内。

2在共振模式下，设定风轮转速设定值为共振频率转速下限，最大变桨速度为10˚/s。

3在共振模式下，如果桨距角大于共振频率桨距角初始值持续20s，则退出共振模式

4.1.12变桨润滑模式

1变桨润滑程序在待机模式、空转模式和发电模式下执行；

2在空转模式或者发电模式下，如果桨距角变化值超过24h小于15˚，则执行变桨润滑程序；

4.2制动系统

制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，通过风轮刹车片制动，由液压系统执行。

制动功能按照失效保护的原则进行，即失电时处于制动保护状态。

制动系统将制动程序分为三个级别：

正常停机

（1）、快速停机

（2）、紧急停机（3）。

对轻级别的故障风机将会给出报警信号，在停机程序中定义为0。

风机在运行过程中，如果在同一个时间激活很多个状态代码，那么风机将执行这些状态代码中级别最高的制动程序。

当某一个制动程序执行时间超过设定值时，将启动高一级别的制动程序，这样就避免了制动失败时对风机造成的影响，提高了风机安全的可靠性。

当正常停机程序或快速停机程序失败时，将启动紧急停机程序。

4.2.1正常停机

当出现温度越限、避雷器故障、振动故障、齿轮箱故障、发电机电刷故障、执行设备保护信号断开、风速计或风向标失效等故障时系统将执行正常停机。

1桨叶以4°/s的速度变桨至89°。

2当风轮转速低于8.3rpm时或瞬时输出功率小于0kW（延时2s）或30s平均输出功率小于0kW（延时0.5s）或10m平均输出功率小于0kW（延时0s）时，变流器脱网。

3当风轮转速低于2rpm时，正常停机结束。

4.2.2快速停机

当出现电网故障、通信故障、变流器并网断路器故障、熔断器故障、液压压力故障、风轮转速超限等故障时系统将执行快速停机。

1°/s的速度变桨至89°。

2当风轮转速低于8.3rpm时或瞬时输出功率小于0kW（延时2s）或30s平均输出功率小于0kW（延时0.5s）或10m平均输出功率小于0kW（延时0s）时，变流器脱网。

3当风轮转速低于2rpm时，快速停机结束。

4.2.3紧急停机

当出现变流器并网故障、变桨系统故障、风轮转速超限、安全链断开、制动程序1或2超时等故障时系统将执行紧急停机。

1变流器脱网。

2桨叶以7°/s的速度变桨至89°。

3当风轮转速小于5rpm时，液压系统执行风轮制动。

4当风轮转速低于2rpm时，紧急停机结束。

4.3变桨系统

1）变桨控制器的控制区域划分为三块：

◆I为低风速区：

变桨控制器未激活，变桨角度维持在一个最小的桨矩角上。

◆II为中风速区：

对进行风轮转速进行PID控制。

◆III为高风速区：

负载处于满载，达到额定功率状态，风轮转速保持在额定转速，此时的桨矩角一般在桨矩控制器控制的桨矩角的±10％范围内。

2）变桨控制流程

进行变桨之前，预先设定变桨加速度和速度，并检测故障信号是否复位，变桨充电器电池是否报错，若一切正常，则变桨系统进入普通模式，调用变桨控制器。

据当前的风速来查表插值计算变桨目标位置进行变桨。

风机复位或者风机初始化，变桨系统进入普通模式，设定变桨目标位置。

3）桨距控制

桨距控制的主要目的在于通过对转速偏差的PID调节来良好地控制风轮转速。

1首先为防止变桨过程中风轮转速过速，通过10s平均风速风况下的最小桨距角；

2然后通过实际转速与转速设定值的偏差，分别计算PID各环节的输出；

3之后根据当前桨距角位置求得变桨非线性因数；

4通过变桨非线性因数与PID调节器的输出，决定变桨速度和桨距位置设定点；

5最后与当前风况下的最小桨距角相比较，输出桨距位置设定点。

4.4偏航系统

4.4.1自动偏航

4.4.1.1自动偏航启动

在自动偏航下，控制系统将自动计算机舱位置与风向位置的偏差，并且进行修正。

除了下面的状态和程序，自动偏航都可以执行：

1偏航全局故障；

2偏航解缆故障；

3风向标故障；

4液压系统故障；

5服务模式激活；

630s平均风速小于偏航风速最小值（2.5m/s）；

7安全系统故障；

8如果左偏航与右偏航的条件同时满足，风机将不会执行自动偏航。

4.4.1.2自动偏航的方向

1设定偏航控制参数

2如果60s平均风速持续25s大于设定值则判断为高风速情况，选择针对高风速情况的偏航控制参数。

如果60s平均风速持续25s小于或等于设定值，则判断为低风速情况，采用针对低风速情况的控制参数。

3

参考风向标的标准位置180度，将60s风向平均值和所设定的偏差进行比较。

如果风向标的平均值在一定时间内超过设定值，则启动偏航电机进行偏航。

左偏航：

满足如下条件之一时，风机进行左偏航。

当机组允许自动偏航时，若60s平均风向持续210s低于左偏航风向设定值1（8°），即风向与机舱风向标的夹角在区域1所示范围内时，机组进行左偏航。

当机组允许自动偏航时，若60s平均风向持续20s低于左偏航风向设定值2（15°），即风向与机舱风向标的夹角在区域3所示范围内时，机组进行左偏航。

右偏航：

满足如下条件之一时，风机进行右偏航。

当机组允许自动偏航时，若60s平均风向持续210s高于右偏航风向设定值1（8°），即风向与机舱风向标的夹角在区域2所示范围内时，机组进行右偏航。

当机组允许自动偏航时，若60s平均风向持续20s高于右偏航风向设定值2（15°），即风向与机舱风向标的夹角在区域4所示范围内时，机组进行右偏航。

当风向与机舱风向标的夹角在区域0所示范围内时，系统发出停止偏航命令，机舱停止偏航。

4.4.2手动偏航

只要偏航系统、安全系统和液压系统未出现故障，在风机运行的各个状态都可以通过机舱控制柜门和HMI对风机进行手动偏航操作。

机舱控制柜门上的手动偏航操作包括：

左偏航、右偏航、在松开上述按钮后，风机停止偏航。

HMI上的手动偏航操作包括：

左偏航、右偏航、偏航停止、切换回自动偏航状态

4.4.3偏航解缆

4.4.3.1偏航解缆启动

◆当偏航位置的绝对值大于710.0o时，控制器延时4s输出扭缆信号，风机停机执行解缆操作。

解缆信号

◆当偏航位置大于580.0o时进行顺时针解缆；

◆当偏航位置小于-580.0o时进行逆时针解缆。

4.4.3.2偏航解缆结束

当下述条件其中之一满足时，偏航解缆完成：

◆风机未处于停止模式或服务模式下；

◆系统出现全局故障或液压系统故障；

◆顺时针解缆和逆时针解缆同时激活；

◆偏航位置<280.0o并且满足下述条件之一：

◆偏航位置的绝对值<40.0o；

◆机舱与风向偏差的绝对值<30.0o延时10s。

4.5安全系统

2MW风机的安全系统通过安全链实现，安全链是独立于控制器的硬件保护措施，它总是优先于控制系统，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。

安全链采用反逻辑设计，将可能对风机造成致命伤害的重要机构部件的控制端串联成一个回路。

当回路中任意一个触点发生故障，安全链断开，引起紧急停机，风机瞬间脱网，从而保证风机的安全。

安全链中串接的安全信号通过安全输入端子和安全输出端子和CPU进行数据交互，安全系统的逻