1、山东职业学院机电装备系 新能源应用技术教研室 主讲教师：张为宾 1 1 控制系统控制系统 2 2 W2000W2000型风机控制系统型风机控制系统 主要内容主要内容 控制系统 1 安全保护 2 安全链 3 信号测量 4 一、控制系统 1 1、控制系统的总体结构控制系统的总体结构 风力发电机组的风力发电机组的控制系统采控制系统采用用微机微机控制控制，属于离散型控制属于离散型控制。是将风向标、风速计、风轮转速，是将风向标、风速计、风轮转速，发电机的电压、频率、电流，电发电机的电压、频率、电流，电网的电压、电流、频率，发电机网的电压、电流、频率，发电机和增速齿轮箱等的温升，机舱和和增速齿轮箱等的温升
2、，机舱和塔架的振动，电缆过缠绕等传感塔架的振动，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微机，由微机根据设计程序发出各种控制指令。各种控制指令。一、控制系统 一、控制系统 2 2、主控制器主控制器 1 1）主控制器主控制器的构成的构成 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相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相联系联系，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，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，沟通沟通信息信息及传递指令。及传递指令。主控制器一
3、般分臵于机舱控制柜和塔基控制柜中主控制器一般分臵于机舱控制柜和塔基控制柜中。一、控制系统 2 2）机舱机舱控制柜控制柜 机舱控制柜的功能是：机舱控制柜的功能是：1 1)采集采集机舱内振动开关、油位、压差、磨损、发电机机舱内振动开关、油位、压差、磨损、发电机PTCPTC及接触器、及接触器、中间继电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、转速、风速风速风向、温度、振动等脉冲、模拟量风向、温度、振动等脉冲、模拟量信号。信号。2 2)通过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接收变桨系统温度反馈和
4、顺桨反馈，发送信号使变桨距系统紧急急顺桨顺桨和复位。通过变桨距系统和复位。通过变桨距系统RSRS-485485通信，控制桨距角变化，实现最大通信，控制桨距角变化，实现最大风能风能捕获和捕获和功率控制。功率控制。一、控制系统 3 3）塔塔基控制柜基控制柜 塔基控制柜的功能是：塔基控制柜的功能是：1 1)控制器控制器的处理模块的处理模块(CPU(CPU模块模块)位于塔基控制柜，主要完成数据采集位于塔基控制柜，主要完成数据采集及及I I/O O信号信号处理；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光纤通信，接，接收机舱
5、信号，返回控制信号；与中央监控系统通信，传递信息。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 2)对对变流器、变桨距系统、变流器、变桨距系统、液压系统，液压系统，偏航偏航系统，润滑系统，系统，润滑系统，齿轮齿轮箱及箱及机组关机组关键设备的温度及环境温度键设备的温度及环境温度等作监控；变流器和等作监控；变流器和变桨变桨距系统的耦合控制，与变流器通距系统的耦合控制，与变流器通信，实现机组变速恒频运行、有功及无功信，实现机组变速恒频运行、有功及无功调节调节、功率控制、高速轴紧急制动、偏航、功率控制、高速轴紧急制动、偏航自动对风、自动解缆、自动对风、自动解缆、发发电电机机和和主轴自动主
6、轴自动润滑、主要部件的除湿加热和润滑、主要部件的除湿加热和散热器开散热器开停。停。3 3)对定子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、过电流流、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、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检测。4 4）通过通过和机舱控制柜相连的信号线实现系统安全关机、紧急关机、安全链和机舱控制柜相连的信号线实现系统安全关机、紧急关机、安全链复位复位等功能。等功能。一、控制系统 3 3、控制系统的功能、控制系统的功能 在运行的风速范围内，确保系统的稳定
7、在运行的风速范围内，确保系统的稳定；低风速时，低风速时，跟踪跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能最佳叶尖速比，获取最大风能；高风速时，限制风能的捕获，高风速时，限制风能的捕获，保持输出保持输出功率为额定值功率为额定值；减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械机械应力和输出功率的应力和输出功率的波动，避免共振波动，避免共振；减小功率传动链的暂态响应减小功率传动链的暂态响应；控制器控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；确保机组输出电压和确保机组输出电压和频率的频率的稳定。稳定。一、控制系统 为了完成上述要求，控制系
8、统为了完成上述要求，控制系统必须必须 根据根据风速信号自动进入起动状态、风速信号自动进入起动状态、并网或并网或从电网切出从电网切出；根据根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制功率及风速大小自动进行转速和功率控制；根据根据风向风向信号自动信号自动对风对风；根据根据功率因数自动投入功率因数自动投入(或切出或切出)相应的补偿电容相应的补偿电容(对于设臵对于设臵补偿电容补偿电容的的机组机组)。当发电机脱网时，能确保机组安全关机。当发电机脱网时，能确保机组安全关机；在在机组运行过程中，机组运行过程中，能对能对电网、风况和机组的运行状况进行监测和记电网、风况和机组的运行状况进行监测和记录，对出现的异常情
9、况能够录，对出现的异常情况能够自行判断自行判断并采取相应的保护措施，并能够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，以根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发电反映风力发电机组的各项性能指机组的各项性能指标标；对于对于在风电场中运行的风力发电机组还应在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信具备远程通信的功能。的功能。二、安全保护 安全安全保护保护 风力发电机组的控制系统具有两种基本功能风力发电机组的控制系统具有两种基本功能：一一个是运行管理功能个是运行管理功能，一个一个是安全保护功能。是安全保护功能。风力发电机组的安全保护系统风力发电机组的安全保护系统包括包括 避避雷雷系
10、统系统 运行运行安全安全保护系统保护系统 微控制器微控制器抗干扰抗干扰保护系统保护系统 微微控制器的自动检测控制器的自动检测功能功能 紧急紧急故障安全链故障安全链保护系统保护系统 接地保护系统接地保护系统 二、安全保护 1 1大风保护安全系统大风保护安全系统 多数多数机组取机组取l0minl0min平均平均25m/s25m/s为切出风速，由于此时风的能量很大，为切出风速，由于此时风的能量很大，系统必须系统必须采取保护采取保护措施措施。在在关机前对失速型风力发电机组，风轮叶片自动降低关机前对失速型风力发电机组，风轮叶片自动降低风能的风能的捕获，捕获，风力发电机组的功率输出仍然保持在额定功率风力发
11、电机组的功率输出仍然保持在额定功率左右左右。对于对于变桨距变桨距风力发电风力发电机组，必须调解叶片桨距角，实现功率输出机组，必须调解叶片桨距角，实现功率输出的调节，限制最大功率的的调节，限制最大功率的输出输出，保证发电机运行安全，保证发电机运行安全。当当大风关机时，机组必须按照安全程序关机。大风关机时，机组必须按照安全程序关机。关机后关机后，风力发电，风力发电机组一般采取偏航机组一般采取偏航9090。背风背风。二、安全保护 2 2电网失电保护电网失电保护 风力发电机组离开电网的支持是无法工作的风力发电机组离开电网的支持是无法工作的。一旦一旦失电，空气动力制动失电，空气动力制动和机械和机械制动系
12、统动作，相当于执行紧急关机制动系统动作，相当于执行紧急关机程序。这时舱内和塔架内的照明程序。这时舱内和塔架内的照明可以维持可以维持1 15 520min20min。对对由于电网原因引起的停机，控制系统将在电网恢复正常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供电l0minl0min后，自动恢复正常运行。后，自动恢复正常运行。二、安全保护 3 3参数越限保护参数越限保护 1 1)超速保护超速保护：当转速传感器检测到发电机或风轮转速超过额定转速当转速传感器检测到发电机或风轮转速超过额定转速的的110110时，时，控制器将给出正常关机指令控制器将给出正常关机指令；防止风轮超速，采取硬件设臵
13、超速防止风轮超速，采取硬件设臵超速上限上限，此上限高于软件设臵的超，此上限高于软件设臵的超速上限，一般在低速轴处设臵叶轮转速传感器速上限，一般在低速轴处设臵叶轮转速传感器，一旦，一旦超出检测上限，就引超出检测上限，就引发安全保护系统动作发安全保护系统动作。2 2)超电压保护：超电压保护：超电压保护是指对电气装臵元件遭到的瞬间高压冲击所超电压保护是指对电气装臵元件遭到的瞬间高压冲击所进进行行的保护，通常对控制系统交流电源进行隔离稳压保护，同时装臵加高压的保护，通常对控制系统交流电源进行隔离稳压保护，同时装臵加高压瞬态吸收瞬态吸收元件，提高控制系统的耐高压能力。元件，提高控制系统的耐高压能力。3
14、3)超电流保护：超电流保护：控制系统所有的电器电路控制系统所有的电器电路(除安全链外除安全链外)都必须加都必须加过电流保过电流保护护器，如熔丝、断路器等。器，如熔丝、断路器等。二、安全保护 4 4振动保护振动保护 机组一般设有机组一般设有三级振动频率保护三级振动频率保护：振动开关、振动频率上限：振动开关、振动频率上限l l、振动频、振动频率率极限极限2 2，当振动开关动作时，系统将分级进行处理。，当振动开关动作时，系统将分级进行处理。5 5开机保护开机保护 采用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软切控制切控制限
15、制并网时对电网的电冲击；对于同步风力发电机，采取同步、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、同相、同压同压并网控制，限制并网时的电流冲击。并网控制，限制并网时的电流冲击。6 6关机保护关机保护 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制基本一致一致。二、安全保护 2 2、微控制器抗干扰保护系统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
16、或控制装臵既不因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臵既不因外界电磁干扰外界电磁干扰的影响而误动作或丧失功能，也不向外界发送过大的噪声干的影响而误动作或丧失功能，也不向外界发送过大的噪声干扰，扰，以免影响以免影响其他系统或装臵正常工作。其他系统或装臵正常工作。微微控制器抗干扰保护系统要遵循的原则是控制器抗干扰保护系统要遵循的原则是：抑制噪声源，直接消除抑制噪声源，直接消除干扰产生干扰产生的原因的原因；切断电磁干扰的传递途径，或提高传递途径对电磁干扰的切断电磁干扰的传递途径，或提高传递途径对电磁干扰的衰减作用衰减作用，以消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合以消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合；加强受扰设备抵抗加强受扰设备抵抗电磁干扰电磁干扰的能力，降低其噪声灵感度的能力，降低其噪声灵感度。二、安全保护 抗干扰抗干扰措施有措施有：进入微控制器所有输入信号和输出信进入微控制器所有输入信号和输出信号均采用光隔离器号均采用光隔离器，实现，实现微机控制系统内部微机控制系统内部与外界完全的电气隔离与外界完全的电气隔离；控制系统数字地和模拟地控制系统数字地和模拟地完全完全分开分开；控制器
