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1、金风机组整机工作原理介绍,金风1.5MW机组的工作原理课程大纲,1.1 机组系统总图 1.2 机组特点介绍 1.3 机组性能介绍,2.1 主体机械结构 2.2 变桨机械结构 2.3 发电机传动机械结构,3.1 主控系统 3.2 变流系统 3.3 冷却系统 3.4 变桨系统,通过本课程，您将有以下收获,收获1 了解金风1.5MW机组整机特点性能,收获2 了解金风1.5MW机组整机的机械构成部分,收获3 了解金风1.5MW机组的各种部件种类及其特点,收获4 了解金风1.5MW机组机械及电控系统工作原理,本机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案。,1、
2、风机控制方式采用变速变桨距控制，额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，这样可以跟踪最优Cp；当风速超过额定风速时，通过调整叶片的桨距角，使风机的输出功率限制在1500kW，从而防止发电机和变流系统过载。 2、直驱永磁同步发电机，发电机为外转子结构的多极永磁同步电机，叶轮直接与发电机转子连接。 3、变速恒频系统采用AC-DC-AC 变流方式，将发电机发出的低频交流电经整流转变为脉动直流电(AC/DC)，输出为稳定的直流电压，再经DC/AC 逆变为与电网同频率同相的交流电，最后经变压器并入电网，完成向电网输送电能的任务。,1.2 机组特点介绍,额定功率：1500KW 叶轮直径：77m(GW
3、77/1500)，70m(GW70/1500)，82m(GW82/1500) 66m(GW66/1500)，87m(GW87/1500)，93m(GW93/1500) 切入风速：3m/s 额定风速：12m/s 切出风速：25m/s(10秒平均风速) 最大抗风：60m/s(3秒钟平均风速) 发电机：六相绕组交流永磁同步发电机 额定电压：690V(水冷机组)，620V(风冷机组) 额定频率：50HZ/60HZ 叶轮转速：8.820.8rpm 机组重量：机舱11t,发电机44t,叶轮28t,1.3 机组性能介绍,2.1主体机械结构,叶片 2. 变浆机构 3. 轮毂 4. 发电机转子 5. 发电机定子
4、 6. 偏航驱动 7. 测风系统 8. 辅助提升机 9. 顶舱控制柜 10. 底座 11. 塔架,变桨控制柜,2.2变桨机械结构,一代变桨,二代变桨,2.3.1 发电机传动机械结构,输出功率: 1.5 MW 定子电压: 690 V 额定转速: 17.3 rpm; 极对数: p=44 冷却方式: 被动风冷 防护等级: IP 23 绝缘等级: F 预弯浸漆绕组 定子尺寸: D 5 m, L 1.5 m,结构组成介绍,定子 发电机定子主要由定子支架、铁芯、绕组线圈及绝缘系统等部分组成，其主要生产流程如图二所示： 定子生产主要工序流程 其中定子铁芯共有576槽，由0.5mm厚的硅钢片逐片叠成，铁芯总高
5、度740mm；绕组线圈为预成型式，由扁铜线绕制涨型而成，匝间包有绝缘；绝缘系统均采用F级以至更高等级，B级考核 转子 发电机转子主要由转子支架和磁极组成，起着建立旋转磁场的作用。为改善转子强度，外圆一侧有加强环，在主轴非传动端侧面设有连接法兰。采用外转子结构，电机热损耗的主要部分从叠片定子铁芯传导到散热齿，然后被外部的冷却气流带走，有利于磁钢的磁性能稳定。 转子采用斜级，各磁极相对于轴向均有一定角度倾斜，加之分数槽设计，可有效减少发电机齿槽效应的影响。,1500KW发电机为外转子式永磁同步风力发电机，励磁方式为永磁体励磁，额定功率为1580KW、极数88极、6相、额定电压690V，防护等级为I
6、P23，发电机重量43.6吨。 定子绕组材料全部采用F级以上等级的绝缘材料，温升按照B级考核。定子绕组使用高性能聚酯亚胺绝缘树脂真空浸渍，优良的浸漆环境充分的保证了定子绕组绝缘性能。独特的散热方式使发电机的温升只有60K。采用一套独特的自冷却结构将气流通过导风套引入定子铁芯外部，当随着风速的增加，发电机功率也增大，同时产生的热量也在增加，恰好符合发电机大功率下的冷却设计。 在发电机的定子、转子上设计制造有两个方便维护人员穿越的舱门和相应的人孔。并配有双重的机械、电气安全保障措施。 由于采用这种永磁体外转子结构，与同功率电励磁风力发电机相比，金风77/1500风力发电机组的电机的尺寸和外径相对较
7、小。发电机转子被叶轮直接驱动，当传统结构中的齿轮箱部件取消后，润滑油泄漏、噪音、齿轮箱过载和损坏的问题因而消失了，同时也会降低用户的运行和维护成本。图显示了两种结构的对比。图中两种结构的气隙直径相同，功率输出相同。 金风77/1500风力机外转子直径仅仅比定子直径大了100多毫米，而电励磁电机结构高出气隙直径很多。电机直径减小后重量减轻，易于公路运输。,2.3.2 发电机主要参数,a) 按照发电机出口侧三相短路电流（8倍额定电流），计算短路电流产生的冲击退磁磁场强度，按照2.5倍冲击退磁磁场强度，选择永磁体的额定矫顽力值，依据额定矫顽力值，选择永磁体材料。 b) 金风公司选择的1500KW发电
8、机永磁体，工作点在退磁曲线的拐点之上，是拐点值的3-4倍。同时我们选用的是具有较高的矫顽力值的磁钢材料，具有较高的抗去磁能力，不会造成永磁体的不可逆退磁。 c) 金风公司在设计发电机时，充分考虑到了特殊工况时产生的反向磁场对磁体的退磁作用，设计上通过计算，选取的永磁磁钢各项性能参数，能保证在过载、短路、雷击时永磁体工作点在拐点之上，永磁磁钢不会产生永久退磁现象。,2.3.3 电机永磁特性说明,1,2,3,4,5,1偏航电机 2偏航减速器 3偏航轴承 4偏航刹车盘 5偏航制动器,偏航机械结构,变桨系统,变流系统,主控系统,补偿单元,整流单元,逆变单元,控制单元,传感器单元,执行单元,变桨传感器,
9、变桨执行器件,变桨控制单元,变桨备电,控制单元,滤波单元,监控系统,工业以太网,监控软件,总线系统,直驱1.5MW电控系统组成,各个部分之间的关系,金风1.5MW风力发电机组的主控系统以德国beckhoff公司生产的嵌入式PLC控制器为核心。PLC控制器主要实现风力发电机组的过程控制、安全保护、故障检测、参数设定、数据记录、数据显示以及人工操作，配备有多种通讯接口，能够实现就地通讯和远程通讯。采用PROFIBUS-DP现场总线组网，安全可靠。其中主控系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜及变桨控制系统通讯，接收机舱柜及
10、变桨控制系统的信号；与中央监控系统通讯、传递信息。,主控系统是整机控制的核心，可以分为两个子系统：常规控制系统、安全控制系统。 1、常规控制系统。 用来控制整个风机在各种外部条件下能够在正常的限定范围内运行。从功能上分为： 1）功率控制系统。机组功率控制方式为变速变桨策略的控制方式，风速低于额定风速时，机组采用变速控制策略，通过控制发电机的电磁扭矩来控制叶轮转速，使机组始终跟随最佳功率曲线，从而实时捕获最大风能，当风速大于额定风速时，机组采用变速变桨控制策略，使机组维持稳定的功率输出。 2）偏航控制系统。采用主动对风控制策略，通过安装在机舱尾部的风向标风向位置和偏航位置传感器反馈机舱位置夹角决
11、定是否偏航，从而实现实时调节风轮的迎风位置，从而使得机组实现最大风能捕获和降低载荷。,3）液压控制系统。液压系统控制的目标是当液压系统压力低于系统启动压力设置值时，液压泵启动。系统压力高于停止液压泵压力设置值时，液压泵停止工作。另外，在偏航时给刹车盘施加一定的阻尼压力，当偏航停止时，偏航闸抱紧刹车盘，来保持叶轮一直处于对风位置。 4）电网监测系统。实时监控电网参数，确保机组在正常电网状况下运行。 5）计量系统。实时检测机组的发电量，为经营提供依据。 6）机组正常保护系统。实时监控整机的状态，如：风速、温度、后备电源状态等数据 7）低压配电系统。为机组用电设备输送电源。 8）故障诊断和记录功能。
12、正确输出机组的当前故障，并记录故障前后的数据。 9）人机界面。提供信息服务功能。 10）通讯功能。系统集成水冷系统、变桨系统、变流系统，从而实现协同控制。同时，把机组信息实时上传到中央集控中心。机组控制系统结构图如下图,Switch变流/自主变流/Vensys变桨系统机组电气控制系统的拓扑结构,Freqcon 变流/ Vensys 变桨系统 机组电气控制系统的拓扑结构,2、安全控制系统。 安全系统是独立于风机正常控制系统外的状态监控系统。安装在风机上独立于正常控制系统外的传感器和执行机构。传感器和执行机构通过安全模块连成一个独立的系统，当这些传感器动作时，触发安全控制系统，安全系统一旦被触发，
13、风机立即会停机，并且切断偏航系统接触器，风机停止偏航和自动起机，此时风机脱离正常控制系统，从而最大程度上保持风机的安全。安全控制系统结构图如图2。从功能上分为： 1）扭缆保护功能。当机舱位置相对零度偏航位置偏差900度时，急停停机。 2）过速保护功能。当风机转速大于额定转速的1.2倍时，急停风机。 3）震动保护功能。当风机震动开关动作，急停风机。 4）变桨故障保护功能。当风机变桨系统安全链系统动作，急停风机。 5）急停功能。当风机机舱或塔底急停开关动作，急停风机。 6）PLC看门狗。当风机发生通讯故障或者PLC系统失效时，安全系统动作，急停风机,安全控制系统结构图,1、主控制柜 主控制柜主要由
14、可编程控制器（PLC）及其扩展模块 组成，分别组成主站和低压配电（LVD）站，其结构紧凑， 主要完成数据采集及输入、输出信号处理，逻辑功能判定 等功能；向变流控制柜的执行机构发出控制指令并接收变流控制柜送出的实时的状态数据；与机舱柜及变桨控制系统通讯，接收机舱柜及变桨控制系统的信号；与中央监控系统实时传递信息；根据信号的采集、处理和逻辑判断保障整套机组的可靠运行。主控制柜能够满足无人职守、独立运行、监测及控制的要求，运行数据与统计数值可通过就地控制系统或远程的中央监控计算机记录和查询，是风力发电机组电气控制系统的核心。它可以通过就地操作面板显示风力发电机组信息，通过操作面板的按键实现对风力发电
15、机组的操作、并且可以由中央监控计算机远程实施对风力发电机组的基本操作（启机、停机、复位、左右偏航）。控制器存储采集到的数据，并通过通信设备连续的把数据传递给中央监控计算机，以便于中央监控计算机作其它的数据分析。主控柜如下图所示。,机舱控制柜内主要包括低压配电单元、电机转速检测单元、风速、风向检测单元、以及Topbox I/O子站、外围辅助控制回路组成。Topbox I/O子站通过Profibus DP总线和塔底控制主站连接，其主要功能是采集和处理信号，它采集的信号如下：液压站油位、润滑加脂、偏航计数、机舱左偏航、机舱右偏航、机舱维护、机舱启动、机舱停止、振动开关、环境温度、机舱温度、发电机绕组
16、温度、风向、风速、发电机转速、叶轮转速、叶轮锁定、机舱加速度、发电机接触器。采集到的信号通过DP总线送往主控柜，由控制器对这些信号做统一处理。机舱柜如下图：,2、机舱控制柜,1 主站接口模块 图4.5 CX1500-M310外观图 现场总线主站模块在 CX1000 系统中的作用是通过和从站模块组成分布式结构，从而完成整机控制和监控。,2 CPU模块 CX1020 是基本 CPU 模块通过一个功能更为强大的 600MHz Intel CPU 对现有CX1000 系列产品进行了扩展。除了 CPU 和芯片组之外，CX1020 模块还包含各种尺寸的主存储器。控制器从 CF 卡启动。,CX1020 的标准配置包括一个64MB 的 CF 卡以及两个以太网 RJ 45 接口。这两个接口与一个内部交换机相连，用户可以在不使用额外以太网交换机的情况下创建线型拓扑结构。所有其它 CX 系列产品组件都可以通过设备两侧的 PC104 接口进行连接。产品
