三合一电控系统解读

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1、 *2 1.三合一电控系统介绍 2.三合一电控系统之主控系统 3.三合一电控系统之变流器系统 4.三合一电控系统之变桨系统 5.三合一电控系统模块工作状态说明 6.三合一电控系统安全注意事项 *3 风力发电机组电控系统 主控系统 变流器系统 变桨系统 *4 采集传感器数据，实现状态监控和故障诊断，对变桨、变流器、 液压站及电机马达等进行协调控制，保证风力发电机组的安全平稳运 行。 风力发电机组-主控系统 主控系统功能图 通用PLC 变流器系统 发电机 转矩控制 变桨系统 风轮 转 速控制 液压站 刹车抱闸 电机马达 偏航 温度 润滑控制 HMI人机交互 传感器 数 据采集通讯 状态故障监控 *

2、5 通过同步电动机，控制三个桨叶变桨，把风能转化为可量化的风 轮动能，在突发情况下支持紧急变桨，保证风力机组的安全。 风力发电机组-变桨系统 温度、位移 传感器 主控通讯 HMI人机交互 变桨PLC 驱动器 伺服电机 控制 电机马达 温度、润滑 控制 充电器 超级电容 状态监控 变桨系统功能图 *6 应用电力电子技术，通过优化控制方法，把风轮的动能转化为电 能，输入电网。 风力发电机组-变流器系统 变流器系统框图 故障诊断 HMI人机交互 主控通讯 变流器网侧、 机侧协调控制 并网发电 IGBT 晶体管 数字信号处理器DSP 现 场可编辑门阵列FPGA 冷却系统控制 电网数据 *7 上海电气输

3、配电集团研发生产的2MW风力发电机组三合一电控系 统，采用完全自主知识产权的风机主控、变流、变桨系统。 三者在硬件的兼容性，在软件和控制算法的开放性，三个系统可 以有机融合，实现风机电控系统一体化，保证风机协调平稳运行。 三合一电控系统-“合” *8 电控系统功能合并 风机电控系统的主控、变流器和变桨系统都具有状态监控、手动调 试维护、运行数据记录等相似功能，而且三个系统具有一定交互性，故 可对相似功能集中优化设计。 硬件的“合” 一个操作屏，集中实现三者的状态监控、调试维护；内部 灵活通讯方式，省去中间的转接环节，节省硬件成本； 软件的“合” 将类似、简单、次要的功能集中实现和完善，简约规范

4、程 序；减少中间转换程序，便于故障问题分析解决，提高cpu利用效率。 控制算法的“合” 控制功能上的交互性和开放性，三者控制算法可以取 长补短，有效融合，利于算法深层次优化，实现转速、转矩柔性控制。 三合一系统-“合” *9 三合一电控系统结构 在上海电气输配电集团风力发电三合一电控系统中，主控与变桨系 统 通过CANopen总线进行数据通讯，减少中间转化环节；主控与变流器 通过RS232通讯，简便容易实现，节约通讯成本。 三合一电控系统将主控、变流器、变桨系统的状态监控、调试和维 护 等功能合并在一起集中实现。主控系统与变流器和变桨系统都有数据 交互，并且主控系统采用通用PLC，功能强大，将

5、功能合并集中实现于 主控系统的控制器和操作屏上。 三合一电控系统-“合” *10 上海电气输配电集团的风力发电机组一体化电控系统，即三合一 电控系统，具备以下特点： 将主控制器、变桨控制器、变流器的控制功能整合，使风机 运行更 加协调。 更好的实时性，更高的可靠性、以及更方便的可维护性。 更完善的录波机制，记录电控系统各部件的实时状态以供故 障预警 与分析。 快捷、贴心的一站式售后服务。 通过电科院LVRT张北认证，并通过电科院模型一致性认证。 风电三合一电控系统 *11 三合一电控系统-系统结构 三合一电控系统拓扑图 *12 主控系统的特点 采用软件安全控制与独立硬件安全链相结合的安全系统；

6、 软件安全控制实时监测风机的运行：将风机的故障细分32类故障分别 处理； 独立的硬件安全链以可编程安全PLC为主体，编程控制安全输出，可靠 性高、易于维护； 存储每次故障触发前后10分钟的全部风机数据以供分析。 主控系统 的创新点 先进的转矩与变桨控制算法，能够使风机响应调度要求，稳定工作在 任何工作点，实现功率的稳定输出； 优化的转矩PID算法有效提高小风下的发电量并使功率输出更稳定； 优化控制传动链载荷 主控系统-特点 *13 主控系统电气结构 风机主控制系统电气结构由塔底控制柜和机舱控制柜组成。 塔底控 制柜为主控制系统的主站，控制器采用通用型PLC，包括电 源模块和分布式I/O模块、继

7、电器和断路器，实现各种外部信号采集和 电机马达控制和各种保护。通过RS232接口与变流器通讯，通过 POWERLINK通讯协议实现与机舱控制柜通讯。通过CANopen与变桨通 讯，塔底控制柜配有触摸屏一台，实现风机状态监控和维护调试。 机舱控制柜主要由通讯模块和分布式I/O组成，通讯模块实现与 塔底 控制柜通讯，并实现变桨系统与塔底PLC通讯数据的交互。 主控系统-电气结构 *14 主控系统运行流程 风机主控系统的运行流程包括十种运行模式： 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。 流程控制就是根据外界状况对运行模式进行切换控

8、制，保证风机 平 稳运行。 主控系统-运行流程 *15 主控系统-运行流程 主控系统运行流程图 *16 初始化模式 当风力发电机组主控制器在重新启动、参数修改、程序更改等情况发 生 之后，需要进入初始化模式。初始化模式完成参数文件的读取与赋值。 停机模式 当状态代码激活时，风机将执行停机程序，机组将进入停机模式，在 停 机模式下：偏航系统启动自动偏航程序，如果产生禁止偏航、自动解 缆 、偏航齿润滑、禁止自动偏航信号时，偏航系统将不执行自动偏航程 序 ；如果系统状态允许自动复位，控制系统将根据可自动复位状态码的 复 位延时，发出复位指令，可自动复位的次数由状态码决定；允许通过 手 动复位的方式进

9、行复位，但要求复位人员具备相应权限；可以通过 SCADA系统对风机进行手动复位，复位人员同样要求具备相应的权限。 主控系统-运行流程 *17 待机模式 如果60s平均风速大于3.5m/s，启动倒计时程序； 按下柜门面板或HMI上的“启动按钮”，则可跳过自启动倒计时，进入 偏航对风。 自检测模式 在自检测程序模式下，控制器将分别对变桨系统、液压系统、测速 传 感器、高速轴刹车进行测试； 主控系统-运行流程 *18 空转模式 松开高速轴刹车；空转模式下，风机对外不输出功率，当发电 机转速 大于400rpm且偏航位置与风向位置差小于45，则进入启动模式； 如果控制器在空转模式下超过24小时，或者10

10、min平均风速小于3m/s， 则退出空转模式，回到待机模式。 启动模式 提升发电机转速至并网转速1180rpm；控制发电机转速，使得发电机转速 在118030rpm范围内，维持20s之后，主控制器向变流器发出信号，进 入“切入模式”。 主控系统-运行流程 *19 切入模式 变流器收到主控发出的信号后，开始对发电机进行励磁，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， 将并网信号反馈给主控制器确认该信号并且进入升速并网模式。 升速并网模式 通过变桨距使发电机转速设定点以梯度上升至额定转速 。 发电模式 在发电模式下，主控制器根据转矩表和发电机转速差值求出 输出转矩值，

11、向变流器输出转矩要求和功率因数，风机向电网输出功率 。 当下述条件之一满足时，进入降容运行模式。 变流器入水口温度 高于45；发电机绕组温度高于85；发电机轴承温度高于70；接收到 SCADA的功率限制使能信号和功率设定点。 主控系统-运行流程 *20 变桨移动模式 变桨移动程序在启动模式和发电模式下执行；当桨距角 在一段时间内变化幅度较小时，通过变桨移动程序来保证桨叶能够可 靠变桨。 降容运行 将发电机转速设定点设置为1368rpm；当变流器入口水温度、发电机 绕组温度、发电机轴承温度恢复正常或SCADA系统不限功率运行时， 返 回至发电模式。 空转共振 将发电机转速设定点设置为1180rp

12、m；当桨距角大于8持续20s，退出 空转共振模式，返回启动模式。 主控系统-运行流程 *21 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，通过HMI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。 主控系统-运行流程 *22 停机控制 在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，主控制器根据机组 发生的故障种类判断，分别执行不同的控制程序：正常停机、快速停机、 紧急停机、安全链紧停等，以保护机组的安全运行。 主控系统-停机控制 *23 主控系统-停机控制 停机程序说明图 *24 制动程序0：不停机 出现下述状态

13、，执行制动程序0，风机继续运行在 人机界面或SCADA中给出报警信号。温度报警，包括：发电机定子温 度、发电机轴承温度；风轮制动刹车片报警；机舱振动报警；润滑油 油位低，包括：偏航轴承、偏航齿轮、主轴承。 主控系统-停机控制 *25 制动程序10：正常停机 出现下述状态，执行制动程序10(切换到STOP模式，桨距位置回到89， 变桨速度为4/s；当风轮转速低于8.3rpm时，变流器脱网) 温度超限，包括 ：塔底温度、机舱温度、塔底控制柜温度、机舱控 制柜温度、变流器控制柜温度、液压油温度(DI)、主轴承温度、变桨电机 温度(DI)、箱变温度、发电机定子温度、发电机轴承温度、发电机进风口 温度、

14、发电机出风口温度、发电机滑环温度、齿轮箱轴承温度；变流器 故障1(变流器UPS报警)；偏航故障；UPS故障；齿轮箱故障(润滑油油压， 冷却水水压等)；发电机故障(电刷故障)；液压系统液位超限；结冰故障； 初始化故障(读取参数文件)；避雷器故障；振动故障；航灯故障； 主控系统-停机控制 *26 保护信号，包括：加热器保护(液压油泵加热器、发电机加热器1、发电机 加热 器2、齿轮箱润滑油加热器、齿轮箱润滑油泵加热器、齿轮箱冷却水 泵加热器) 、马达保护(液压油泵马达、偏航电机总保护、偏航电机14， 齿轮润滑油泵马 达、)、制动保护(偏航制动)、风扇保护(发电机内部冷却 风扇、齿轮箱冷水风扇 、机舱

15、冷却风扇、塔底冷却风扇)、冷却水泵保护( 齿轮箱冷却水泵)、控制柜温度 保护(塔底控制柜、机舱控制柜)、风轮制动 刹车片磨损、风轮速度偏差比较超限 、主控CPU占用率过高、风速计或风 向标失效。 主控系统-停机控制 *27 制动程序30：快速停机 出现下述状态，执行制动程序30(切换到STOP模式，桨距 位置回到89， 变桨速度为5.5/s；当风轮转速低于8.3rpm时，变流器脱网) 变流器故障2(发电机 过速，变流器系统故障，变流器crowbar动作)； 塔底和机舱的熔断器故障；电网故障(电压，电流，频率，过功率等)；液 压系统 压力故障；通讯故障(profibus等)；风轮转速超限(18.

16、5rpm)。 主控系统-停机控制 *28 制动程序50：紧急停机 出现下述状态，执行制动程序50(切换到STOP模 式，变流器立刻脱网， 桨距位置回到89，变桨速度为7/s，当风轮转速小于5rpm时，液压系统 执行风轮制动) 变流器故障3(电网故障，CSC状态)；变桨系统故障(通讯，电池，桨距 位 置)；风轮转速超限(19rpm)；停机故障(执行制动程序10或30，35秒 后风轮转速还大于10rpm，或90秒后风轮转速大于4rpm)。 主控系统-停机控制 *29 制动程序70：安全链紧停。 出现下述状态，执行制动程序70(变桨系统 电池释放最大的可控电流进 行向后变桨，使桨距位置回到91，当风轮转速小于5rpm时，液压系统执 行风轮制动) 塔底紧停按钮；塔底主电源故障(400VAC)；机舱紧停按钮；机舱远程 紧停按钮；风轮超速1紧停；风轮超速2紧停；机舱振动紧停；变桨系 统 紧停；偏航扭缆紧停；变流器紧停按钮；变流器并网开关故障。 主控系统-停机控制