风机电气控制系统.docx
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风机电气控制系统
风机电气控制系统
新誉风电公司
1．电气控制系统概述（可参考控制系统使用说明书）
2．风机发电控制方法
3．风机监视控制
4．接线原理图
5．机舱柜和塔筒柜
6．安全系统的概念
7．风机故障（故障等级、引起的停机种类、故障清除的种类）
8．风机的自耗功率
9．风机的操作
1．电气控制系统概述
电气控制系统包括如下内容（其中塔筒柜和机舱柜一起构成风机主控系统）：
塔筒柜、机舱柜、变桨控制系统、变流器、发电机的控制和监视部分、齿轮箱的电气部分、液压站和高速轴刹车的电气部分、偏航电气部分、风机的传感器部分。
塔筒柜部分包括控制器PLC（带中央处理器模块）、控制开关、电网检测、UPS
电源、HMI触摸屏（人机界面）、变流器控制接口。
机舱柜部分包括控制器PLC的远程输入输出模块（不带中央处理器）、控制开关、保护电路、与发电机控制和监视的接口电路、与齿轮箱电气部分的接口电路、液压站和高速轴刹车电气接口电路、偏航控制电路、风机传感器接口、与变桨系统的接口电路。
变桨系统包括变桨控制柜和伺服执行系统，变桨系统作为主控制系统的执行机构，其任务是根据风机主控制器的指令完成执行变桨操作，以及在非安全的情况下（如与风机主控失去通讯，电网故障，安全系统故障等）完成快速收桨动作。
变桨系统本身是一套伺服系统。
整个系统包括伺服驱动器（3套独立的）、电机、备用电池柜（三套独立的）及其他部件如限位开关、传感器、配电柜等。
发电机和变流器是实现机械能往电能转换的机构，控制系统通过控制发电机的转矩和转速来控制风机发电功率。
齿轮箱、液压站和高速轴刹车的电气接口是用来检测这些部件的状态并控制这些部件的运行。
偏航电气部分是用来控制系统的偏航动作的。
风机的传感器是用来检测风速、风向、风机振动、环境温度、风机的扭缆状态、风轮的锁定状态等。
机舱柜和塔筒柜的功能描述见操作说明书
2•风机发电控制万法
在低风速，转子的速度在定义的范围内是受控制的，这是通过改变发电机的力矩命令，这样的控制能够使风机最大化的捕获风能。
在中风速，达到额定转速时，转矩能动态的调节转子速度来达到额定值。
在很低的风速下，使用一个类似的控制形式来调节速度到最小的运行值。
在高风速时，转矩要求达到额定值，要靠变桨控制来调节风轮转子的速度。
力矩轻微变化，速度围绕设定点反比变化，来保持额定功率。
1000110012001300L400150016001.70018001900
图2.1:
运行曲线
图2.1显示了风机的转矩-速度运行的曲线。
在1100到1810rpm之间的曲线是个二次曲线，通过设定发电机的力矩命令（Qd）与测量的发电机的转速（sg）的平方成比例，能够获得最佳叶尖速比：
式中
K•-；R5Cp'/23G3
P=空气密度
R=叶轮半径
入=期望的叶尖速比
Cp'=此叶尖速比时的功率系数
G=齿轮箱速比
因为风轮转子有个限定的惯量范围，既然风轮转子不能变速变得足够快以至于能跟上风速的变化，那么就不可能时刻维持在最高点Cp处。
然而，如果风轮不是特别重以及Cp-入曲线没有尖峰，上面描述的策略能使风机工作的相当好。
在图2.2中呈现了稳定状态下的电功率，转子速度和变桨角度的轨道曲线。
图2.2:
稳定状态下的电功率，转子速度和变桨角度
3•风机监视控制
监督控制算法包括风机正常启动和关闭的过程，也包括过速或者过载触发，以及变桨系统或偏航子系统故障的检测逻辑。
我们假设电网掉电、发电机故障和变流器系统的故障都直接传给风机控制器，控制器将按照电网故障来执行停机操作。
3.1停机过程下表列出了七种不同的发电机停机过程。
前五种由发电机控制器执行，后两种由安全系统执行。
停机程序
变桨系统动作
发电机动作
偏航系统是否继续工作
轴刹车是否
使用
正常停机
功率设置点降到0,发电机断开，速度设置点降低到0。
叶片在正常的变桨速度上
是
否
慢速停机
正常变桨速度
在0功率断开
是
否
快速停机
快速变桨速度
在0功率断开
是
否
电网失电停机
正常变桨速度
电网失电或电气故障断开
否
否
变桨故障停机
变桨电池组连接
在0功率断开
是
否
安全系统停机
变桨电池组连接
立刻断开
否
否
紧急停止按钮停机
变桨电池组连接
立刻断开
否
是
表3.1发电机停机程序
我们注意到，正常停机程序使用功率变桨-速度和转矩-速度控制环来控制停机，其他地方的停机过程都是开环的。
变桨系统必须在快速变桨时变桨率能够达到8o/s。
正常变桨率设置在4o/s。
需要注意的是，我们经常使用正常变桨率，而不是快速变桨率，这样能够减少负面极端空转负载。
在变桨运行下的变桨速度实际上是由变桨系统的能力和变桨动作的实际阻力（受控于变桨轴承的和变桨电机转动惯量）决定的。
目前蓄电池收桨的速度为12o/s。
3.2速度范围和触发等级
根据资料，在发电控制设计的模拟说明了在IEC61400-1的第二版本设计的风机的
湍流等级，发电机控制器能保持瞬时发电机速度低于稳定状态最大值的105%，高
于稳定状态最小速度值的98%。
研究目的是选择下面的速度范围和触发等级。
风轮速度[rpm]
发电机速度[rpm]
最小稳定状态速度
11.30
1130
最大稳定状态速度
18.10
1810
最大的期望运行速度（考虑设计湍流）
19.00
1900
软件过速差错
19.50
1950
发电机高速切出
19.50
1950
安全系统过速触发
20.30
2030
表3.2速度范围和出错等级
软件过速触发导致快速关闭程序，安全系统过速差错导致安全系统关闭程序。
3.3过功率触发等级
运行在IEC61400-1,版本2规定的设计湍流时，最大瞬时功率为1650kW。
过功率等级设置如下表。
电气功率
软件过功率触发
1750
安全系统过功率触发
1830
表3.3功率差错等级
软件过功率触发会导致快速关闭程序。
安全系统过功率会导致安全系统关闭程序
3.4电网掉电和电气故障
电网掉电、任何发电机或功率转换系统的故障都会导致电网掉电保护关闭程序。
3.5偏航控制算法和故障的触发发电机应装配有两个风向标和两个机舱方向传感器。
偏航控制算法在发电运行中，会监视10分钟内的平均偏航错误，如果超过8o,就会命令偏航系统以0.546O/S的速率运动15秒（让机舱回转80）。
如果发电机正在运行，3秒内的偏航错误超过450,发电机将进入正常关闭程序。
在完成偏航调整的任何5秒后测量的偏航速率大于0.0066O/S时，也会报警。
这表明偏航出现了过速故障或偏航电机在没有接到启动命令时启动了。
当偏航电机完成调整完10秒后，机舱位置被储存起来。
假设机舱转在任何位置直到需要进行进一步调整，当机舱转到与刚才存储的位置相差大于5度的位置时报
警。
这表明偏航系统的缓慢运动被探测到了。
上面的报警保证了偏航失控故障在5秒内被读取到，偏航超过规定值5度就可以被检测到。
偏航系统的故障会导致启动正常停机程序。
4．接线原理图
接线图的讲解
5．机舱柜和塔筒柜
原理图的讲解
6．安全系统的概念
安全系统是用来保证风机在故障的情况下风机仍然能够保持在安全的状态。
安全系统的任务是保证风机的行为即便是在风机故障的情况下也符合安全概念。
是独立于控制系统。
安全系统的等级比控制系统高，安全系统在与安全相关的极限值被超过或者是控制系统不能保证风机在安全范围内运行时起作用。
其目的是保证风机处于安全状态。
安全系统一旦激活，安全系统将立刻执行它的任务并使风机进入安全状态。
总的来说，它将启动所有的制动系统来使风轮减速。
安全系统被触发后，必须要手动复位才能再次启动风机。
6.1安全系统动作
6.1.1刹车系统
第8页共16页
叶片变桨系统
机械/液压刹车系统
6.1.2发电机和电气系统
安全系统一旦激活，发电机和变流器将立即脱网。
6.1.3偏航系统
偏航将立刻被禁止，并且立刻实施偏航刹车。
6.1.4风机控制器
风机控制器并不直接和安全系统停机有关，它将记录这个事件
6.2安全系统传感器
*过速
*振动
*扭缆
*控制器watchdog
*急停按钮
7•风机报警（报警等级、引起的停机种类、报警清除的种类）
7.1报警等级
报警结果
标记
名字
等级值
RL=logging
记录等级
1
Rl=lnhibitstart
禁止风机启动
1.1
RW=warning
警告等级的报警
2
RN=normalshutdown
正常停机
3
RG=gridlossshutdown
电网失电停机
4
RF=fastshutdown
快速停机
5
RP=Pitchbatteryshutdown
Pitchbatteryshutdown
6
RM=manualmode
手动模式下的快速停机
6
RE=emergencyshutdown
紧急停机
7
7.2报警的清除
有MR手动和AT自动两种。
7.3报警显示
触摸屏显示和SCADA显示。
7.4报警
alarm对照表
8•风机的自耗功率
执行器
电压
电流
消耗功率
效率
功率因素
转速
V
A
kW（kVA）
n%
cos①
Yawing偏航
偏航电机可以在400V下运行
3X400
6.73
3
82.5
0.78
960
yawmotor偏航电机1
3X380
6.87
3
82
0.81
955
偏航电机刹车1（自动）
singlephase380
0.055
yawmotor偏航电机2
3X380
6.87
3
82
0.81
—955
偏航电机刹车2（自动）
singlephase380
0.055
yawmotor偏航电机3
3X380
6.87
3
82
0.81
955
偏航电机刹车3（自动）
singlephase380
0.055
yawmotor偏航电机4
3X380
6.87
3
82
0.81
955
偏航电机刹车4（自动）
singlephase380
0.055
Gearbox齿轮箱
泵
3X390
5.42
4
0.77
960
冷却风机
3X390
2.02
1.5
78.5
0.79
:
1390
预热1
3X390
0.5
0.6
预热2
3X390
0.5
0.6
预热3
3X390
0.5
0.6
Generator发电机
冷却风机
3X400
6.2
3.8
1350
预热
单相220
5.5
1.2
Nacellecooling机舱散热
散热风机
3X400
0.69
Nacelleheating机舱加热
加热
3X400
4.8
HSSBrakesystem高速轴刹车
液压站油泵
3090
0.6
0.37
65.2
0.78
1370
电磁阀
24VDC
1.22
0.03
Lubricatesystem润滑系统
偏航及主轴承油脂润滑泵
220AC
0.28
0.06
变桨系统油脂润滑泵
220AC
0.28
0.06
Powerconverter变流器系统
电子部件加热
0.3
功率部件加热
towerbox塔筒柜
加热
220VAC
1.6
风扇
220VAC
0.14
0.03
topbox机舱柜
加热
220VAC
1.6
风扇
220VAC
0.28
0.06
pitchsystem变桨系统
轴箱加热
220VAC
1.5
电池箱加热
220VAC
0.675
控制箱加热
220VAC
0.39
Others其他
机舱吊车
3090
1.6
1.3
72：
0.83
P2800
爬升机构
3090
1.05
0.75
73
0.84
2800
它筒灯
220AC
0.3
机舱灯
220AC
0.2
9．风机的操作：
1）风机的启动方法
调试完成后的风机，把钥匙切换到run,确保风机的紧急停止按钮（变流器上有一个，塔筒柜面板上一个，机舱柜面板上一个，机舱里面还有一个移动式的）处于非激活状态（非按下的状态），确认风机的安全链处于正常的闭合状态（从触摸屏的报警页面中可以看出安全链的状态,从塔筒柜的继电器10k1的指示灯可以看出安全链是否闭合,如果指示灯亮表示安全链是闭合的）,并且检查触摸屏的报警页面,如果没有停机级别（N=normalshutdown,E=emergencyshutdown,P=pitchbatteryshutdown,G=gridlossshutdown,F=fastshutdown及静止启动级别（I=inhibitstart）的报警，风机将自动的运行，如果平均风速大于风机的切入风速3米/秒（而且偏航误差在30度之内）,风机将启动,如果风速持续在3米/秒以上,风机将转速将加速
并自动的并网进入发电运行状态。
2）风机的停机的操作
在风机启动后（不管是在启动过程中，还是在并网发电的过程中），如果想让风机停止运行，则将钥匙切换到off,则风机
将执行正常停机程序。
如果将钥匙切换到manual位置，则风机将执行快速停机程序。
3）风机控制柜上面元器件的作用及操作方法
指示灯upspowerok,塔筒控制柜ups正常工作指示，亮代表正常工作，不亮代表有ups故障。
指示灯run,进入并网发电状态指示，亮代表已经进入并网发电状态，其他情况下不亮。
指示灯malfunction，代表风机有停机等级的报警，报警并不代表有故障，例如偏航误差大（不属于故障）也会报警。
按钮resetsafetyloop复位安全链按钮，安全链断开后，如果安全链回路上的设备都恢复正常，安全链不会自动的闭合，必须按此“复位安全链”按钮
转换开关run-off-manual,run代表自动运行位，off代表关闭风机，manuaI代表风机处于手动位。
调试完成后，要想运行风机，必须将转换开关切换到run位。
Manual位时可以手动的对风机的偏航和变桨进行手动的调节和试验，出于安全方面的考虑,手动变桨的时候,在同一时刻只允许一个桨叶偏离顺桨位置。
按钮emergencystop紧急停机按钮，按下此停机按钮（除非出现紧急情况，否则在风机运行过程中请勿按此按钮），风机的安全链将断开，风机将进入紧急停机程序，变桨系统将执行蓄电池收桨动作，在风机运转过程中紧急停机时，风机的载荷会很大。
机舱柜转换开关Hublightoff-on，轮毂照明灯开关，切换到on代表打开轮毂照明灯，off位代表关闭轮毂照明灯。
塔筒柜1F5仆6,风机照明开关，1F5与1F6组合成带漏电功能的保护开关。
塔筒柜6Q1,爬梯助力器的供电开关
4）风机维修和维护时注意点在人员对机组进行维护和维修的时候，如果有停机的必要（例如人员要进入机舱或轮毂），首先要将塔筒柜的转换开关切换
到off位置，让风机停止运行。
如果人员要进入轮毂工作，还必须锁定风轮（在风机停止的情况下，用风轮锁定销锁定），风轮锁定后再施加高速轴液压刹车（施加液压刹车的方法：
按下机舱柜或塔筒柜上面的紧急停机按钮）。
5）高速轴液压刹车的使用方法（施加刹车及松开刹车的方法）施加刹车，按下机舱柜或塔筒柜的紧急按钮即可。
松开刹车，松开机舱柜和塔筒柜的紧急按钮，然后再复位安全链，在安全链闭合的同时刹车将自动松开。
维护和维修过程中如果使用了高速轴液压刹车，风机将出现brakeapplied报警（禁止启动级别），这个报警一旦出现，必须
人为的确认及手动复位来清楚这个报警，那么在维护人员在离开和运行风机之前必须手动复位将这个报警消除掉。
清除方法：
使用触摸屏的Alarm页面（报警页面）的reset按钮。
6）风机报警记录的读取，触摸屏界面的讲解。
附件：
1）风机控制系统电气系统手册
变桨的请见调试附件\encodercalibration
2）风机现场调试大纲
3）故障对照表
风机电气和控制系统
手册），包括控制系统、变流器、HMI、Scada,
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