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1、Z82-2000机组技术规范1 总体设计方案湘电Z82-2000风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网、低温运行的总体设计方案，如图2所示。其优点如下：图2 Z82-2000直驱风电机组l 风机适合于类风区使用，发电量高于其它同类风机，经济效益明显；l 由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机机组的可靠性和可利用率；l 永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；l 机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；l 可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；l 变流器以及升压变压器均设置在机舱内，有效降低机舱到塔筒底部的电缆成本。l 机械传
2、动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；l 利用变速恒频技术，可以进行无功补偿；l 由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。该机型采用了多种创新设计技术，与目前国际市场上现有的直接驱动机型相比，具有以下优点：l 发电机效率高，变速范围宽(6rpm-19rpm)；l 无励磁损失；l 无碳刷和滑环，减少了维护量，提高了可利用率；l 发电机结构紧凑，尺寸小；l 变桨系统采用无刷交流电机，电容作为后备电源，寿命长，免维护；l 变频装置采用经过验证的成熟技术，谐波分量低；l 机舱结构设计采用了人性化设计方案，尽可能地方便运行人员检查维修，在设计中加入爬升助力机构，使运行人员在维护过程中攀登梯子
3、时变得格外轻松。特别针对于低温地区对风机的运行要求，我们采取了如下措施：l 金属结构件按照低温型技术规范，材料选用适应低温环境的钢材。法兰、塔筒及关键焊接结构件采用Q345E低合金高强钢材料、轮毂等大型铸件采用EN-GJS-350-22U-LT材料，低温冲击功在-40时至少达到27J。l 制动系统的介质油采用耐低温油品：变桨驱动齿轮箱、偏航驱动齿轮箱等采用低温齿轮油。如壳牌T15，可耐-40+160，壳牌T32，可耐-40+240。l 润滑系统采用低温润滑脂：变桨轴承、变桨驱动、偏航轴承、偏航驱动总成及主轴承的润滑脂采用gleitmo 585K，其最低运行温度可以达到-57。 l 主要电缆电线
4、采用硅胶电缆：硅橡胶则在-60度-70度时仍具有较好的弹性，某些特殊配方的硅橡胶还可承受极低温度。同时硅橡胶还具有很高的电阻率 ，在很宽的温度和频率范围内其阻值保持稳定，硅橡胶对高压电晕放电和电弧放电具有很好的抵抗性。l 电缆电线接头不采用锡焊，而采用压接方式：锡材料在低温时容易产生脆化开裂，影响机械强度及导电可靠性；而压接方式在低温下仍能很好地保证连接的机械强度及导电可靠性。l 关键系统自带加热器。用于测风速及风向的气象站、变频器、主控柜、机舱控制柜、轮毂控制柜、冷却控制柜等自带有电加热器，可以保证其在低温环境下各个系统仍能正常工作。Z系列机组已经过日本北海道(其中Z82型2台)、芬兰、内蒙
5、卓资地区的实际运行，通过了长时间低温考验，完全能够适用于-40低温环境使用要求。2 Z82/2000部件描述直驱式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。Z82-2000机组主要部件包括：叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机、偏航系统、变频器、控制系统、升压变压器、测风系统、塔架等，如图3所示。图3 湘电Z82-2000直驱风力发电机组结构2.1 叶轮根据空气动力学最佳效率和对污物的最低敏感度原则，采用真空注入技术用玻璃钢/环氧树脂通过特殊工艺研制而成。每一叶片重量为6450公斤，叶片长度为40.0米(按外部叶片底部直径为1.9米)，最大弦长3.1米，共三片。 叶片上装有一
6、个集成防雷保护系统。叶片表面漆有国际通用的航空标志。 图4 叶轮2.2 发电机发电机是一多极永磁发电机，直接安装在轮毂上。磁铁提供转子励磁，所以不需要外励磁场，与带外励磁场的绕线转子比较，发电机 的损耗可降低25%。定子外部装有冷却风扇，由空气冷却。定子绕组用真空压力浸漆(VPI)。发电机通有经过滤的干燥循环空气,保证了发电机内的温度均匀，当密封处稍有泄漏时，保证发电机的内部为正压，因此灰尘和盐雾不可能进入到发电机内。发电机的重量为53吨，外形尺寸为3.9m2.0m。 图5 发电机2.3 主轴承特殊设计的大直径三列圆柱滚子轴承。其非转动内环与发电机定子相连，转动外环安装在轮毂和发电机转子之间。
7、轴承可承受轴向、径向负荷以及弯矩。轴承配有一个全自动化的润滑系统，该系统由风机控制器监控。 图6 主轴承2.4 变频器Z82/2000 采用变桨变速系统，并使用永磁同步发电机来提供高效、高品质电源。发电机产生的变频电能经整流、逆变成恒定频率(交流-直流-交流变换)的交流电，然后馈入电网。为使谐波电流最小、频率和电压稳定，采用全功率变频器。变频器按照风机输出功率与转速之间的函数关系来控制风机的功率；并使功率稳定在额定值(当风速大于额定值时)。叶轮的旋转速度由桨距控制并保在特定的范围内，变频器和桨距控制作为一个“主-从”系统，无功功率是可控的，标准设定至0(cos=1)。设置的UPS 系统能保证风
8、机在电网电压跌落200 msec 的情况下，仍能正常运行。对于电网运营商来说，这些特性是非常重要的。图7 2MW变频器2.5 塔筒机舱安装在钢制管状塔筒上，塔筒为全防腐蚀保护。通过机舱底板上设置的铰链式安全门，可从塔筒进入机舱。塔筒内配有多级爬梯、休息平、照明系系统。塔筒由四段构成。根据标准，塔筒通过地基周围的接地回路与大地相连，根据土壤的情况，接地系统可适当调整以适应土壤条件。 图8 塔筒2.6 轮毂轮毂是风电机组的关键部件之一，联接风机叶片和发电机转子，在风力作用下与叶片一起带动发电机转子旋转，为发电机工作提供动力。 图9 轮毂2.6.1轮毂的主要功能 l 连接叶片、变桨控制、正常停机；l
9、 连接发电机转子、紧急制动和停机锁定。2.6.2 轮毂主要组成部份和作用l 变桨装置变桨装置主要由带PTC保护和计数装置的直流伺服电机、变速箱、啮合齿轮、齿轮润滑器等组成。三个变桨驱动配有行星齿轮箱，通过小齿轮与叶片轴承的内圈相啮合来驱动叶片。驱动器通过伺服整流器推动，用于变桨控制和正常停机，并且直接通通过蓄电池进行紧急停机。通过速度和角度传感器所接受的信息传递给PLC处理后反馈给执行机构，从而达到变桨的自动控制。图10 变桨系统l 滑环装置主要由滑环、碳刷、电缆、检测叶轮转速的编码器、支架等组成。它能够将来自机舱的电能和电信号传递到转动的轮毂中。l 润滑脂装置润滑装置主要由脂泵、分配器、管路
10、、油嘴等组成。轮毂内的润滑系统自动润滑变桨轴承和变桨齿轮。l 制动和锁紧装置轮毂部分的制动和锁紧装置分两块。1) 叶片的制动和锁紧：叶片的制动主要是由装在伺服电机上的刹车装置来完成，在风机正常运行和叶片变桨过程中由刹车装置保证叶片处于正确的位置；叶片的锁紧由安放在叶轮轮毂和叶片轴承之间的锁紧装置来完成，在维护叶片和轮毂期间,叶片变桨机械装置上的旋转装置必须锁紧。2) 轮毂(转子)的制动和锁紧：转子的制动和锁紧装置主要由稀油液压站，管路、盘式制动执行机构、液压锁紧销等组成。风机运行过程中，当平均风速高于12m/s或瞬时风速超过18m/s时，轮毂处于制动或锁紧状态。在风机叶轮里进行检查工作时，必须
11、保证止动销插上，使轮毂处于锁紧状态。 l 轮毂体轮毂体承载着叶片、叶片轴承、变桨装置、滑环装置及控制柜、润滑系统、蓄电池组等，并有足够的空间供工作人员的检修和维护。轮毂与发电机的转子相连，在风力的作用下与叶片和电机转子一起旋转。轮毂体必须有较好的综合机械性能。根据风场的气候条件，我们可提供两种牌号的轮毂材料：1) 球墨铸铁EN-GJS-400-18U-LT(欧洲标准)(相当于国内QT-400-18)其性能指标如下：抗拉强度-392MPa屈服强度-250 MPa延伸率-8.6%-20的冲击值-13.8J2) 球墨铸铁EN-GJS-350-22U-LT(欧洲标准)(国内暂无相应的牌号)其性能指标如
12、下：抗拉强度-355 MPa屈服强度-224 MPa延伸率-27.0%-40的冲击值-13.8J2.7 机舱2.7.1 总体说明机舱主体结构由两大部分构成，一部分是一个紧凑的球墨铸铁，内部装有偏航系统、维护用的提升机、控制板等；另一部分是箱式焊接结构件，内部装有变频器、控制器，变频器冷却系统等。机舱整体设计简洁，其外形几何设计能确保载荷最大限度地转移到塔架上；内顶部设有照明装置，外顶部尾端装有气象站；机舱整体装配重量32吨，外形尺寸11m2.9m3.3m。图11 机舱2.7.2 偏航装置偏航系统安装在机舱内部，它能够根据安装在机舱罩顶部的风向标所提供的风的方向信号来调整叶轮方向。人工偏航调整能
13、在机舱控制柜和塔底控制柜上操作。机舱配有自动解缆控制系统，避免扭曲对电缆造成伤害。图12 偏航装置3 Z82/2000控制系统3.1 控制系统的主要功能自动及手动起停风机变桨控制偏航控制风速和风向监视风机的保护紧急保护多种监视功能(风速，风向，发电机定子温度，轴承温度，电池电压等)数据信息网络辅助功能(注脂泵，伺服制动，基脚锁定，风冷，升降机等)操作屏界面备用蓄电池紧急防护系统，脱离于控制系统运行，用来对风机进行安全操作3.2 控制系统特点稳定性：性能强大的PLC系统，具有VxWorks操作系统。网络连接：具有标准以太网来进行数据处理的PLC系统。精炼性：操作简单，维护方便。性价比高：采用小型
14、触摸屏操作。控制系统采用的是bachmann电子公司的PLC模块及网络终端。设计符合IEC61400-21标准。 3.3 控制系统的结构l Z82风电机组控制系统结构如下图所示：图13 风电控制系统框图l 控制系统的硬件组成控制系统主要由下列硬件组成：主风电控制系统：安装在塔基的主控制柜中。它负责所有的事情处理，风机的起停，偏航控制，变桨控制，所有的辅助功能控制，保护、监视、调整叶片，机舱及变频器工作。风电主控系统包括安装在主控制柜上的操作屏。机舱控制箱：安装在机舱内，主要完成机舱偏航远程I/O，机舱辅助功能控制，塔基速度监视及发电机的保护。轮毂控制箱：安装在轮毂内，主要用于轮毂远程变桨控制，
15、轮毂辅助控制，紧急变桨控制。1) 主风电控制系统主要组成部分如下：风电控制系统的中央处理功能PLC；操作界面：本地操作屏，包括按钮，开关和5.7”LCD触摸屏；通讯：机舱控制系统箱采用FastBus，光缆连接；ABB变频器采用CANOpen电缆连接；以太网转换，PLC、触摸屏、ABB变频器采用光缆连成以太网局域网。2) 机舱控制箱位于机舱内,其主要功能如下：本地机舱/轮毂低压配电/转换机舱和轮毂急停系统本地偏航手动操作连接到PC机，通常在维修/保养作本地操作屏用机舱远程I/O：偏航控制，包括液压制动机舱远程I/O：气象站机舱远程I/O：主轴承润滑系统机舱远程I/O：偏航轴承润滑系统机舱远程I/
16、O：发电机监视机舱远程I/O：机舱温度监视机舱远程I/O：烟雾检测机舱远程I/O：风冷机舱远程I/O：故障灯机舱远程I/O：机座锁定和维修刹车通讯：连至主风电控制系统的光纤FastBus通讯：连至轮毂控制箱的CANOpen塔基速度检测及其保护机舱控制箱主要构成：PLC站 机舱远程I/O及通讯塔基X-Y加速度传感器24VDC电源紧急故障继电器3) 轮毂控制箱轮毂控制箱位于轮毂内，它包括一个六边形的箱体，三个分开的部分，每个部分负责一个叶片控制。轮毂控制箱的作用：电池监视SBP变桨控制紧急控制模块ECM独立的电子过速保护PLC远程I/O：轮毂速度检测PLC远程I/O：变桨控制PLC远程I/O：变桨
17、轴承注脂PLC远程I/O：变桨齿轮注脂PLC远程I/O：轮毂温度监视通讯：通过滑环与机舱采用CANOpen连接轮毂控制箱的主要组成：24VDC-20A电源3168VDC/4Ah电池 紧急变桨电源MaxiDCD200-25/50 变桨驱动伺服装置ECM1-ECM3 紧急控制模块 变桨控制FTF123超速继电器 独立的超速继电器保护4 防雷和接地保护4.1 标准接地和防雷保护的设计按照以下标准IEC 61400-1 风机设计需求委员会草案 Ed.3IEC 61024-1 建筑物的防雷保护，第1部分：总则可选择性的符合下面标准，附加的测量也在此文件中进行了描述NEN 1014 防雷保护 (荷兰标准)
18、GL-IV-1-7-7Germanischer Lloyd, book IV, Non-marine Technology, 第1部分-风能,第7章 电气安装, 第7部分：电保护测量。4.2 防雷保护等级及区域根据标准GL-IV-1-7-7 ，Z系列机组的防雷保护等级为II级，因为塔筒高度超过了60米。根据标准GL-IV-1-7-7，Z系列机组可划分几个防雷保护区：LPZ 0A and LPZ 0B叶轮突出部分风机周围的土壤LPZ 1叶轮内部防雷导体。气象站避雷针，钢结构与机舱相连，导体与机舱接地排连接。轮毂内部全金属结构，与机舱接地排连接。机舱内部全金属结构。塔筒内部全金属结构，连接到基础接
19、地电极，内部分段使用电缆连接。变压器房 屏蔽，连接到变压器接地电极。从风机塔筒到变压器房的电缆屏蔽电缆，屏蔽两段分别与塔基和变压器的接地排连接。LPZ 2在下面设备内的所有电气 轮毂控制箱，包括变桨电机、电缆和传感器。 机舱控制柜，包括偏航电机、电缆和传感器 主风电控制系统 B-B变频器屏蔽测量，金属套，铠装电缆以及过压保护。所有大的金属部件直接焊接到接地排上或者直接与塔筒、机舱、轮毂连接。塔筒内部各节法兰盘使用 50 mm2 的铜导线连接。Z82 在不同金属裸露部分设计了等电位排， 以保证各部件的电位差最小。5 安全体系标准的防护系统：通过变桨驱动使桨片与风向一致来停止系统(包括三个随桨片转
20、动PLC，用以驱动变桨直流电机)；紧急(备用)防护系统：在标准的防护系统的可靠性不能保证的情况下，由紧急系统带动三个桨片与风向一致。为每个桨片提供一个DC168V/4Ah蓄电池，用以驱动直流变桨电机；控制电源及紧急按钮；UPS电源，DC24V。保证主风电控制系统PLC在电网故障时，非易失存储器能保存信息。6 中央及远程监控系统6.1 系统简介中央及远程监控系统采用Garrad Hassan公司的GH SCADA系统。此监控系统的设计面向风电机组制造商、风场开发运行管理人员及投资者。它能最大限度的满足风场运行的需要，同时具有卓越的分析和报告功能。图14 中央监控系统示意图 6.2 GH SCAD
21、A中央监控系统功能l 控制命令 GH SCADA系统允许采用本地或远程的方式对单个风电机组或风电机组群进行控制。l 在线数据浏览用户可以通过一个图形用户接口(GUI)所显示的表征风场运行状态的地图或一系列表格如风电机组状态概览、气象站和电网状态表来监视风场的运行状态。GUI提供了连接到指定群组或单元的风场顶层画面。单元使用图标表示，图标表明了单元的型号、名称以及设备当前状态。屏幕风场地图的背景显示了云、植物和道路等等。列表画面则显示了完整的站点状态。画面中清楚的定义了风电机组、气象站、电网及当前事件区域。风电机组的状态显示了风电机组在线、故障、停车、报警、电能输出数值。气象站状态显示了站点风速
22、、风向、温度、气压和空气密度；电网状态显示了风场的电能输出站点电力损耗和所有生产效率。当前站点事件清楚的表示了事件代码、事件描述、响应状态和响应时间。点击画面中的高亮度的地方可以得到单台风电机组、气象站和电网的详细状态信息。l 报告、分析和数据库功能10分钟的运行数据和所有的事件数据将被存储在相关的工业标准数据库中。任何支持ODBC的数据库都可以被使用。所有数据被服务器接收时都包含时间标签，读取的记录号将在所有的维护统计计算中使用。l 报告报告功能提供了访问GH SCADA内部强大的报告、分析和数据库功能。GH SCADA提供了统计及事件数据的扩展分析及浏览功能。l 电能生产每台风电机组、风电
23、机群或整个风场的实际发电量、预期发电量和计划发电量的任何时期的数据都可以使用。l 趋势图可以选择单台风电机组、气象站和气象站天线中的任何信号的生成趋势曲线。l 功率曲线功率曲线可以选择用户需要的时间段和风速。功率曲线的生成符合IEC61400-12标准。l 本地和远程访问所有的本地或远程用户访问SCADA系统都是通过标准的WEB浏览器进行，允许多用户同时访问。远程访问简单容易。l 远程报警系统的报警支持本地声光报警，同时也支持手机、传呼机、传真或EMAIL等远程报警方式，可根据需要进行配置。l 气象站数据气象站数据可以根据风速、风向、扰流、温度、压力、密度和其他来自安装的传感器数据。包括频率分布、起风和平均数、最大最小值和标准偏离数据分析。l 可利用率可利用率计算建立在通用、透明的实际测量数据的基础之上。对所有发电时间进行记录，而且把它们分为15个相互独立的类别。任何时期的可利用率都可以进行计算。缺省的计算方式由系统提供，用户也可以定义自己的可利用率计算方法。