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1、风电机组控制与安全系统培训课程-1,中国科学院电工研究所鄂春良,控制系统的技术要求与原理适用于采用异步发电机的定桨距失速型风电机组,个人简介,1998年硕士毕业后到中国科学院电工研究所工作，一直从事大型风电机组的控制与风电场的监控系统的研发工作；参与完成国家攻关项目600kW、750kW风电机组控制系统及其产业化参与完成国家攻关项目“风电场集中与远程监控系统”的开发工作。参与863计划变速恒频风电机组控制系统的研发工作,风电机组控制系统的相关定义,控制系统：接受风力发电机组信息和环境信息，调节风力发电机组，使其保持在工作要求范围内的系统。（解释：一组程序逻辑保证机组在规定的外部条件下能有效、安
2、全运行。针对变速恒频机组还要求供电品质和风能转换效率。）安全保护系统：确保风力发电机组运行在设计范围内的系统。当超速、振动、电网故障等外部条件极限值出现后，保护系统执行安全方案外部条件：影响风力发电机组工作的各种外部因素，包括风况、其他气候因素（温度、雪、冰等）和电网条件。,风电机组控制系统的相关定义,失效（failure)：执行某项规定功能的终结。失效-安全(fail-safe)：设计特性中的一项，即设备或系统中个别部件失效时仍能保持设备或系统的安全。故障（fault）：不能执行某规定功能的一种特征状态。是功能项失效的结果。冗余技术（redundancy)：应用两路器件或系统，用于确保一路器
3、件或系统失效时，另一路器件或系统仍能有效地执行所要求的功能。,大型（并网）风力发电机组的类型（从机组结构和运行方式上分类）,定桨距失速型风电机组：其特征是失速型叶片，鼠笼异步发电机；典型机型Jacobs600kW，NEG MICON 600kW。主动失速型：改进型变桨距风电机组：其特征是全桨变距，闭环变距控制系统；变速变桨距风电机组：多级增速齿轮箱+双馈发电机风轮直接驱动（无齿轮箱）+多极同步电机（永磁或交流励磁）混合式（单级增速齿轮箱+多极同步电机）,失速型风电机组的总体结构,失速型风电机组总体结构示意图,失速型风电机组的特征,失速型叶片：叶尖扰流器：鼠笼异步发电机：双速电机：主动失速型：改
4、进型,失速型风电机组控制系统的一般要求,环境条件：温度范围-20+40，极端温度范围-30+50；最高相对湿度=95%；电网条件：电压690V 10%；频率50Hz 2%；控制柜防护等级IP54；控制器和电路板应符合相应国家标准；电磁兼容性：抗电磁干扰，执行元件不发生误动作。冗余技术：采用冗余技术可使电路或系统中单一故障引起危险的可能性减至最小。两个独立元件同时失效视为不可能事件。相异技术：采用具有不同操作原理或不同类型器件的控制电路。如：常开和常闭触电的组合；电和非电系统的结合等。目的与冗余技术相同。,失速型风电机组的执行机构与传感器,执行机构（元件）：冷却风扇电机；齿轮油泵电机；液压油泵电
5、机；偏航电机；提升电机；发电机加热器；齿轮油加热器；机舱加热器；补偿电容器；刹车电磁阀；叶尖电磁阀；传感器：风速仪；风向标；转速传感器（电机、叶轮）；温度传感器（发电机及轴承、齿轮油、机舱、环境、可控硅）；振动传感器；压力传感器（系统压力、叶尖压力）；偏航计数器等,定桨距风电机组的运行状态,无风待机状态：发电运行：大电机发电；小电机发电故障停机状态：人工维护状态：状态切换过程：启动；双速电机切换；刹车制动。,定桨距风电机组的基本运行过程,开机自检：对于第一次上电需要该过程。机组自动检测电网、风况、环境温度、机组本身状态（如：各种温度、压力油位、控制电源、安全链、维护开关位置等在正常状态）；待机
6、：自检通过后，开始执行“制动解除”即松闸和“机舱对风”（当风速达到对风风速2.5m/s)。如风速低于启动风速3m/s，则机组处于待机状态。自动启动（人工启动）：风轮在风的升力作用下开始旋转，当转速达到并网转速时，执行软并网；并网：一般采用软并网；双速电机切换：大-小，小-大；,定桨距风电机组的基本运行过程,偏航与解缆：风向改变；电缆缠绕。脱网：当机组运行自身和外部条件不满足时，机组执行脱网程序。电动机启动：车间调试时使用；,控制系统的基本结构,风电机组控制器由塔底控制柜和机舱顶部控制柜组成。塔底控制柜包括功率柜和计算机柜（含电容补偿）。功率柜与计算机柜可成角形放置，也可背靠背放置。机舱顶部控制
7、柜习惯称为TB1柜（TopBox)。功率柜为风力发电机组的主配电系统，包括发电机与电网连接主回路、可控硅主回路、电量采集回路、电源变换、防雷保护回路、安全继电器电路等。计算机柜包括中心控制器及其控制电路、电容补偿装置及其控制保护电路等。顶部控制柜(TB1)包括机舱内传感器信号的处理与转换，这些信号包括温度信号、叶轮过速信号、风速风向信号、转速驱动信号等。同时，也为机舱内的电动机如偏航电机、液压油泵等执行机构提供电源。整体结构如下图所示：,温度变送器1,温度变送器2,叶轮过速,转速驱动,闸磨损,端子排,功率柜,计算机柜,TB1柜,塔底,K3,K2,K11,可控硅,TR13,电量采集,刀熔开关及控
8、制接触器,PLC模块,中间继电器板,软并网板,控制系统的基本结构,也有在TB1柜中设置智能单元（或称为可编程单元如PLC等），就近采集传感器数据，就地处理。符合集散分布控制原则。TB1柜处理后的数据通过现场总线传递到塔底的主控制器。,TB1柜,主控制器,PROFIBUS,传感器a,传感器c,传感器b,控制系统的基本功能,风力发电机控制系统的主要功能分为9个方面：1、机组正常运行控制2、机组运行状态监测与显示3、机组运行统计4、机组故障监测与处理5、机组的安全保护6、远程通信7、维护功能8、机组运行参数设置9、人机接口,控制系统的功能结构,控制系统的基本功能,机组正常运行控制 自动控制：机组自动
9、控制功能主要有自动起动、自动停机、机舱自动跟踪风向、自动解缆、自动软并网、电容补偿自动投切、自动复位（针对可自复位故障）、温度自动控制（包括发电机绕组温度控制、发电机轴承温度控制、齿轮油温度控制、机舱温度控制、可控硅温度控制）、液压系统自动开停、发电机除湿加热等。手动控制：机组手动控制功能主要有机组手动起动、手动停机、手动偏航（包括手动左偏和手动右偏）、手动复位、维护等,控制系统的基本功能,机组运行状态监测与显示 电网参数：电网的电压、频率 环境参数：风速，风向，环境温度 发电机：三相电流，有功功率，无功功率，功率因数，发电机转速，发电机绕组温度，发电机前/后轴承温度 叶轮：叶轮转速，叶轮过速，液压系统：液压泵工作状态，液压油位，液压系统压力，叶尖压力偏航系统：偏航电机工作状态，左/右偏航角度，偏航闸状态（刹车/释放）软并网：可控硅温度齿轮箱：齿轮油位，齿轮油压力，齿轮油过滤，齿轮油温度，齿轮油轴承温度。制动系统：高速闸状态（刹车/释放）、闸磨损机舱：机舱温度,控制策略,软并网：无功补偿：双速电机切换：,
