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1、山东职业学院 风力发电技术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11.2 W2000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
2、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任课教师 教研室主任 年 月 日教 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
3、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
4、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
5、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 根据风速信号自动进入起动状态、并网或从电网切出； 根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制； 根据风向信号自动对风； 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； 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； 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
6、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
7、以维持1520min。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：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；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
8、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
9、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：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；控制系统数字地和模拟地完全分开；控制器各功能板所有电源均采用隔离电源；输入输出的信号线均采用带护套的抗干扰屏蔽线；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；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
10、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
11、、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11.2 W2000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
12、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2.2.1登录及权限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
13、。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Etherc
14、at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
15、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
