【正文】 山東職業(yè)學(xué)院機(jī)電 裝備 系 新能源應(yīng)用技術(shù)教研室 主講教師：張為賓 1 控制系統(tǒng) 2 W2023型風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng) 主要內(nèi)容 控制系統(tǒng) 1 安全保護(hù) 2 安全鏈 3 信號測量 4 一、控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 控制系統(tǒng)采用 微機(jī) 控制 ， 屬于離散型控制 。是將風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、電流，電網(wǎng)的電壓、電流、頻率，發(fā)電機(jī)和增速齒輪箱等的溫升，機(jī)艙和塔架的振動，電纜過纏繞等傳感器的信號經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換輸送給微機(jī)，由微機(jī)根據(jù)設(shè)計程序發(fā)出各種控制指令。 一、控制系統(tǒng) 一、控制系統(tǒng) 主控制器 1） 主控制器 的構(gòu)成 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主控制器是控制系統(tǒng)的核心。它一方面與各個功能塊相 聯(lián)系 ，接收信息，并通過分析計算發(fā)出指令。另一方面與遠(yuǎn)程控制單元通信， 溝通 信息及傳遞指令。 主控制器一般分臵于機(jī)艙控制柜和塔基控制柜中 。 一、控制系統(tǒng) 2） 機(jī)艙 控制柜 機(jī)艙控制柜的功能是： 1) 采集 機(jī)艙內(nèi)振動開關(guān)、油位、壓差、磨損、發(fā)電機(jī) PTC及接觸器、中間繼電器 和傳感器的反饋等開關(guān)量信號；采集并處理風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、 風(fēng)速 風(fēng)向、溫度、振動等脈沖、模擬量 信號。 2) 通過 接收變槳系統(tǒng)溫度反饋和順槳反饋，發(fā)送信號使變槳距系統(tǒng)緊急 順槳 和復(fù)位。通過變槳距系統(tǒng) RS485通信，控制槳距角變化，實現(xiàn)最大風(fēng)能 捕獲和 功率控制。 一、控制系統(tǒng) 3） 塔 基控制柜 塔基控制柜的功能是： 1) 控制器 的處理模塊 (CPU模塊 )位于塔基控制柜，主要完成數(shù)據(jù)采集 及 I/O信號處理；邏輯功能判定；對外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令；與機(jī)艙控制柜 光纖通信 ，接收機(jī)艙信號，返回控制信號；與中央監(jiān)控系統(tǒng)通信，傳遞信息。 2) 對 變流器、變槳距系統(tǒng)、 液壓系統(tǒng)， 偏航 系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)， 齒輪 箱及 機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備的溫度及環(huán)境溫度 等作監(jiān)控；變流器和 變槳 距系統(tǒng)的耦合控制，與變流器通信，實現(xiàn)機(jī)組變速恒頻運行、有功及無功 調(diào)節(jié) 、功率控制、高速軸緊急制動、偏航自動對風(fēng)、自動解纜、 發(fā) 電 機(jī) 和 主軸自動 潤滑、主要部件的除濕加熱和 散熱器開 停。 3) 對定子 側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓、電流測量，除了用于監(jiān)控過電壓、低電壓 、過電流 、低電流、三相不平衡外，也用于統(tǒng)計發(fā)電量，以及并網(wǎng)前后的相序 檢測 。 4） 通過 和機(jī)艙控制柜相連的信號線實現(xiàn)系統(tǒng)安全關(guān)機(jī)、緊急關(guān)機(jī)、安全鏈 復(fù)位等功能。 一、控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的功能 ① 在運行的風(fēng)速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定 ； ② 低風(fēng)速時， 跟蹤 最佳葉尖速比，獲取最大風(fēng)能 ； ③ 高風(fēng)速時，限制風(fēng)能的捕獲， 保持輸出 功率為額定值 ； ④ 減小陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩波動峰值，減小風(fēng)輪的 機(jī)械 應(yīng)力和輸出功率的波動，避免共振 ； ⑤ 減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應(yīng) ； ⑥控制器 簡單，控制代價小，對一些輸入信號進(jìn)行限幅 ； ⑦ 確保機(jī)組輸出電壓和 頻率的 穩(wěn)定。 一、控制系統(tǒng) 為了完成上述要求，控制系統(tǒng) 必須 ① 根據(jù) 風(fēng)速信號自動進(jìn)入起動狀態(tài)、 并網(wǎng)或 從電網(wǎng)切出 ； ② 根據(jù) 功率及風(fēng)速大小自動進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率控制 ； ③ 根據(jù) 風(fēng)向 信號自動 對風(fēng) ； ④ 根據(jù) 功率因數(shù)自動投入 (或切出 )相應(yīng)的補(bǔ)償電容 (對于設(shè)臵 補(bǔ)償電容 的機(jī)組 )。當(dāng)發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)時，能確保機(jī)組安全關(guān)機(jī) ； ⑤ 在 機(jī)組運行過程中， 能對 電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組的運行狀況進(jìn)行監(jiān)測和記錄，對出現(xiàn)的異常情況能夠 自行判斷 并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，并能夠根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，生成各種圖表，以 反映風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組的各項性能指標(biāo) ； ⑥ 對于 在風(fēng)電場中運行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還應(yīng) 具備遠(yuǎn)程通信 的功能。 二 、 安全保護(hù) 安全 保護(hù) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)具有兩種基本功能 ： 一 個是運行管理功能 ， 一個 是安全保護(hù)功能。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全保護(hù)系統(tǒng) 包括 ① 避 雷 系統(tǒng) ② 運行 安全 保護(hù)系統(tǒng) ③ 微控制器 抗干擾 保護(hù)系統(tǒng) ④ 微 控制器的自動檢測 功能 ⑤ 緊急 故障安全鏈 保護(hù)系統(tǒng) ⑥ 接地保護(hù)系統(tǒng) 二 、 安全保護(hù) 1．大風(fēng)保護(hù)安全系統(tǒng) ? 多數(shù) 機(jī)組取 l0min平均 25m/s為切出風(fēng)速，由于此時風(fēng)的能量很大，系統(tǒng)必須 采取保護(hù) 措施 。 ? 在 關(guān)機(jī)前對失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)輪葉片自動降低 風(fēng)能的 捕獲，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出仍然保持在額定功率 左右 。 ? 對于 變槳距 風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組，必須調(diào)解葉片槳距角，實現(xiàn)功率輸出的調(diào)節(jié)，限制最大功率的 輸出 ，保證發(fā)電機(jī)運行安全 。 ? 當(dāng) 大風(fēng)關(guān)機(jī)時，機(jī)組必須按照安全程序關(guān)機(jī)。 關(guān)機(jī)后 ，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般采取偏航 90。 背風(fēng) 。 二 、 安全保護(hù) 2．電網(wǎng)失電保護(hù) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組離開電網(wǎng)的支持是無法工作的 。 一旦 失電，空氣動力制動 和機(jī)械 制動系統(tǒng)動作，相當(dāng)于執(zhí)行緊急關(guān)機(jī)程序。這時艙內(nèi)和塔架內(nèi)的照明 可以維持 15～ 20min。 對 由于電網(wǎng)原因引起的停機(jī)，控制系統(tǒng)將在電網(wǎng)恢復(fù)正常 供電 l0min后，自動恢復(fù)正常運行。 二 、 安全保護(hù) 3．參數(shù)越限保護(hù) 1)超速保護(hù) ： ① 當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器檢測到發(fā)電機(jī)或風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速 的 110％時，控制器將給出正常關(guān)機(jī)指令 ； ② 防止風(fēng)輪超速，采取硬件設(shè)臵超速 上限 ，此上限高于軟件設(shè)臵的超速上限，一般在低速軸處設(shè)臵葉輪轉(zhuǎn)速傳感器 ，一旦 超出檢測上限，就引發(fā)安全保護(hù)系統(tǒng)動作 。 2)超電壓保護(hù)： 超電壓保護(hù)是指對電氣裝臵元件遭到的瞬間高壓沖擊所 進(jìn)行 的保護(hù)，通常對控制系統(tǒng)交流電源進(jìn)行隔離穩(wěn)壓保護(hù)，同時裝臵加高壓瞬態(tài)吸收 元件，提高控制系統(tǒng)的耐高壓能力。 3)超電流保護(hù)： 控制系統(tǒng)所有的電器電路 (除安全鏈外 )都必須加 過電流保護(hù) 器，如熔絲、斷路器等。 二 、 安全保護(hù) 4．振動保護(hù) 機(jī)組一般設(shè)有 三級振動頻率保護(hù) ：振動開關(guān)、振動頻率上限 l、振動頻率 極限 2，當(dāng)振動開關(guān)動作時，系統(tǒng)將分級進(jìn)行處理。 5．開機(jī)保護(hù) 采用 機(jī)組開機(jī)正常順序控制，對于定槳距失速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采取軟 切控制 限制并網(wǎng)時對電網(wǎng)的電沖擊；對于同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采取同步、同相、 同壓 并網(wǎng)控制，限制并網(wǎng)時的電流沖擊。 6．關(guān)機(jī)保護(hù) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在小風(fēng)、大風(fēng)及故障時需要安全關(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)的順序應(yīng)先空氣動力 制動，然后，軟切除脫網(wǎng)關(guān)機(jī)。軟脫網(wǎng)的順序控制與軟并網(wǎng)的控制基本 一致 。 二 、 安全保護(hù) 微控制器抗干擾保護(hù)系統(tǒng) 微控制器抗干擾保護(hù)系統(tǒng)的作用是使微機(jī)控制系統(tǒng)或控制裝臵既不因外界電磁干擾 的影響而誤動作或喪失功能，也不向外界發(fā)送過大的噪聲干擾， 以免影響 其他系統(tǒng)或裝臵正常工作。 微 控制器抗干擾保護(hù)系統(tǒng)要遵循的原則是 ： ① 抑制噪聲源，直接消除 干擾產(chǎn)生 的原因 ； ② 切斷電磁干擾的傳遞途徑，或提高傳遞途徑對電磁干擾的 衰減作用 ，以消除噪聲源和受擾設(shè)備之間的噪聲耦合 ； ③ 加強(qiáng)受擾設(shè)備抵抗 電磁干擾 的能力，降低其噪聲靈感度 。 二 、 安全保護(hù) 抗干擾 措施有 ： ① 進(jìn)入微控制器所有輸入信號和輸出信號均采用光隔離器 ，實現(xiàn) 微機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部與外界完全的電氣隔離 ； ② 控制系統(tǒng)數(shù)字地和模擬地 完全 分開 ； ③ 控制器各功能板所有電源均采用隔離電源 ； ④ 輸入輸出的信號線 均采用 帶護(hù)套的抗干擾屏蔽線 ； ⑤ 微控制器的系統(tǒng)電路板由帶有屏蔽作用的鐵 盒封裝 ，以防外界的電磁干擾 ； ⑥ 采用有效的接地系統(tǒng)等。 二 、 安全保護(hù) 微控制器的自動檢測功能 微 控制器應(yīng)能夠?qū)ο到y(tǒng)的故障進(jìn)行自動檢測。利用自動檢測和修復(fù)方法 可以 使微控制器的故障自動消除，或者使系統(tǒng)操作者能更快地發(fā)現(xiàn)故障部件， 迅速 加以修復(fù)，以達(dá)到微控制器安全運行的目的。 三 、 安全鏈 安全 鏈 安全 鏈?zhǔn)仟毩⒂?計算機(jī)系統(tǒng) 的最后一級 保護(hù) 措施。將可能對 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 造成致命 傷害的 故障節(jié)點串聯(lián)成一 個回路 ，一旦其中有一 個動作 ，便會引起緊急 關(guān)機(jī) 反應(yīng) 。 一般 將如下 傳感器 的信號串接在 安全鏈 中： 緊急關(guān)機(jī)按鈕 、控制器 程序監(jiān)視器 (看門 狗 )、液壓缸壓力繼電器、扭纜傳感器、振動傳感器、控制器 DC24V電源 失電 等 。 此外，如果控制計算機(jī)發(fā)生死機(jī)，風(fēng)輪過轉(zhuǎn)速或發(fā)電機(jī)過轉(zhuǎn)速，也起動 安全 鏈 。緊急 關(guān)機(jī)后，如果所有安全鏈相關(guān)的故障均已排除，只有手動復(fù)位后 才能閉合 安全鏈，重新啟動。 三 、 安全鏈 四 、 信號測量 信號 測量 1)速度信號： 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、偏航轉(zhuǎn)速和方向等。 2)溫度信號： 主軸承溫度、齒輪箱油溫、液壓油油溫、齒輪箱軸承溫度 、發(fā)電機(jī) 軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組溫度、環(huán)境溫度、電器柜內(nèi)溫度、制動器 摩擦片溫度 等。 3)位臵信號： 槳距角、葉尖擾流器位臵、風(fēng)輪偏角等。 4)電氣特性： 電網(wǎng)電流、電壓、功率因數(shù)、電功率、電網(wǎng)頻率、 接地故障 、逆變器運行信息等。 5)液流特性： 液壓或氣壓、液壓油位等。 6)運動和力特性： 振動加速度、軸轉(zhuǎn)矩、齒輪箱振動、葉根彎矩等。 7)環(huán)境條件： 風(fēng)速、風(fēng)向、濕度等。 偏航系統(tǒng) 1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2 傳感器 3 控制系統(tǒng)