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1、 金风金风1.5MW1.5MW风机电控系统介绍风机电控系统介绍 孙伟孙伟1 主要内容：主要内容：1、电气控制系统的构成、电气控制系统的构成2、1.5兆瓦兆瓦Verteco变流系统机组主电气回路的构成变流系统机组主电气回路的构成3、变桨系统及其功能、变桨系统及其功能4、机舱控制系统及其功能、机舱控制系统及其功能5、塔底主控系统及其功能、塔底主控系统及其功能6、变频系统及其功能、变频系统及其功能7、冷却系统及其功能、冷却系统及其功能8、远程、远程/中央监控系统的构成及功能中央监控系统的构成及功能9、机组的防雷系统、机组的防雷系统2变桨系统变流系统主控系统整流单元逆变单元控制单元传感器单元执行单元变
2、桨传感器变桨执行器件变桨控制单元变桨备电控制单元滤波单元监控系统工业以太网监控软件总线系统直驱直驱1.5MW电控系统组成电控系统组成保护单元3电控系统各部分的关系4VERTECO控制系统实际的物理分布及通信连接5 VERTECO变流主回路 VERTECO变流回路主要采用4个变频器3个框架开关组成（1个在变流柜中作电网侧的主空气开关，另外两个在机舱内的接线柜中作发电机侧的空气开关），采用可控整流方式，即整流部分采用可控的IGBT整流（发电机侧的变频器作为整流器）。核心部件为变频器。1U1 为电网侧逆变变频器，2U1和3U1为发电机侧整流变频器，4U1为制动/耗能变频器，1Q1 为电网侧主空气开关
3、，5R1和4R1为制动/能耗电阻器，3H1为高压整流块，3T1为高压充电变压器，3K11为充电控制接触器，电网侧1C2 电容组为滤波电容组，1L1为电网侧滤波电抗器。任何一款变频器在下线时，都要经过严格的测试认证，其可靠性和稳定性要优于一般的IGBT单元。VERTECO变流单元采用水冷却的方式。（如下图所示）VERTECO变流器单元之间采用了光纤通信的交换数据，变频器和主控系统采用PROFIBUS总线的通信，除此以外变频器间又冗余了一条CAN BUS总线。VERTECO变流器的变频器采用并排安装的方式。61.5兆瓦风机的主电气回路（兆瓦风机的主电气回路（verteco系统）系统）7Vertec
4、o变流柜内部结构变流柜内部结构8A:叶片B:轮毂C:变桨电机（3个独立变桨系统）D:发电机转子（永磁磁钢）E:发电机定子（铜排线圈）F:偏航电机（3个）G:风速仪、风向标H:机舱罩I:底座J:塔筒（65m）机舱及轮毂内的构成机舱及轮毂内的构成9变桨控制系统变桨控制系统变桨控制柜10变桨系统分布结构变桨系统分布结构1112滑环和变桨电机13 变桨电控系统主电路采用交流变桨电控系统主电路采用交流-直流直流-交流回路，变桨电机采用交流异步电机，变交流回路，变桨电机采用交流异步电机，变桨速率通过变桨电机的转速调节，采用开环频率控制。相比采用直流电机调速的变桨控制桨速率通过变桨电机的转速调节，采用开环频
5、率控制。相比采用直流电机调速的变桨控制系统，在保证调速性能的前提下，避免了直流电机存在碳刷容易磨损，维护工作量大、成系统，在保证调速性能的前提下，避免了直流电机存在碳刷容易磨损，维护工作量大、成本增加的缺点。本增加的缺点。每个叶片的变桨控制柜，都配备一套由超级电容组成的备用电源，超级电容储备的能每个叶片的变桨控制柜，都配备一套由超级电容组成的备用电源，超级电容储备的能量，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足以使叶片以量，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足以使叶片以7/s的速率，从的速率，从0顺桨顺桨到到90三次。当来自滑环的电网电压掉电时，备用电源直接给变桨控制系统供电，仍可
6、保三次。当来自滑环的电网电压掉电时，备用电源直接给变桨控制系统供电，仍可保证整套变桨电控系统正常工作。当超级电容电压低于软件设定值，主控在控制风机停机的证整套变桨电控系统正常工作。当超级电容电压低于软件设定值，主控在控制风机停机的同时，还会报电网电压掉电故障。相比密封铅酸蓄电池作为备用电源的变桨系统，采用超同时，还会报电网电压掉电故障。相比密封铅酸蓄电池作为备用电源的变桨系统，采用超级电容的变桨系统具有下列优点：级电容的变桨系统具有下列优点：a、充电电流大，充电时间短；、充电电流大，充电时间短；b、交流变直流的整流模块同时作为充电器，无须再单独配置充放电管理电路；、交流变直流的整流模块同时作为
7、充电器，无须再单独配置充放电管理电路；c、超级电容的容量随使用年限的增加，减小的非常小。、超级电容的容量随使用年限的增加，减小的非常小。d、寿命长；、寿命长；e、无须维护；、无须维护；f、体积小，重量轻等优点、体积小，重量轻等优点;g、充电时发热量低。、充电时发热量低。14变桨控制柜15变桨系统原理图变桨系统原理图 变桨系统实现风力发电机组的变桨控制，在额定功率以上通过控制叶片桨距角使输出功率保持在变桨系统实现风力发电机组的变桨控制，在额定功率以上通过控制叶片桨距角使输出功率保持在额定状态。在停机时，调整桨叶角度，使风力发电机处于安全转速下。额定状态。在停机时，调整桨叶角度，使风力发电机处于安
8、全转速下。16机舱控制系统机舱控制系统 采集机舱内的各个传感器、限位开关的信号；采集并处理叶轮转速、采集机舱内的各个传感器、限位开关的信号；采集并处理叶轮转速、发电机转速、风速、温度、振动等信号，控制对风偏航和液压站的工作。发电机转速、风速、温度、振动等信号，控制对风偏航和液压站的工作。17机舱检测的信号有：1、环境温度（模拟量信号）2、机舱温度（模拟量信号）3、发电机温度（模拟量信号）4、发电机转速（数字量和模拟量信号）5、风向和风速（模拟量信号）6、机舱位置（模拟量信号）7、机舱振动（模拟量信号）8、叶轮锁定信号（数字量信号）9、发电机断路器的反馈信号（数字量信号）10、纽缆信号（数字量信
9、号）11、振动开关信号（数字量信号）等等18塔底主控制系统塔底主控制系统 塔底主控制系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜通讯，接收机舱信号，并根据实时情况进行判断发出偏航或液压站的工作信号；与三个独立的变桨柜通信，接收三个变桨柜的信号，并对变桨系统发送实时控制信号控制变桨动作；对变流系统进行实时的检测，根据不同的风况对变流系统输出扭矩要求，使风机的发电功率保持最佳；与中央监控系统通讯、传递信息。控制包括机组自动启动，变流器并网，主要零部件除湿加热，机舱自动跟踪风向，液压系统开停，散热器开停，机舱扭缆和自动解缆，电容补
10、偿和电容滤波投切以及低于切入风速时自动停机。1920启动和并网控制启动和并网控制 风力发电机的起动和并网过程如下：由风向传感器测出风向主控制风力发电机的起动和并网过程如下：由风向传感器测出风向主控制器使偏航驱动机构动作，从而使风力发电机组对准风向。同时检测风速器使偏航驱动机构动作，从而使风力发电机组对准风向。同时检测风速（只要有风发电机转子就有转动，随着风速的增加发电机的感应电压也（只要有风发电机转子就有转动，随着风速的增加发电机的感应电压也逐步增加，即电机端电压逐步升高），当风速超过切入风速时，机组开逐步增加，即电机端电压逐步升高），当风速超过切入风速时，机组开始启动，当机组达到一定条件时，
11、通过全功率变流器控制的功率模块和始启动，当机组达到一定条件时，通过全功率变流器控制的功率模块和变流器网侧电抗器、电容器的变流器网侧电抗器、电容器的LC滤波作用使系统输出电压等于电网电压、滤波作用使系统输出电压等于电网电压、频率也达到并网条件，同时检测电网电压与变流器网侧电压之间的相位频率也达到并网条件，同时检测电网电压与变流器网侧电压之间的相位差，当其为零或相等（过零点）时实现并网发电（这些条件在金风差，当其为零或相等（过零点）时实现并网发电（这些条件在金风1.5MW机组里全部通过变流装置的控制来实现，变流装置通过锁相控制机组里全部通过变流装置的控制来实现，变流装置通过锁相控制和和SPWM调制
12、等使机组输出达到并网条件）。调制等使机组输出达到并网条件）。21控制及安全保护控制及安全保护 整个运行过程都处于主控整个运行过程都处于主控PLC严密控制之中。其安全保护系统分三层结构：计算机严密控制之中。其安全保护系统分三层结构：计算机系统，独立于计算机的安全链，器件本身的保护措施。在机组发生超常振动、过速、电系统，独立于计算机的安全链，器件本身的保护措施。在机组发生超常振动、过速、电网异常、出现极限风速等故障时保护机组。对于电流、功率保护，采用两套相互独立的网异常、出现极限风速等故障时保护机组。对于电流、功率保护，采用两套相互独立的保护机构，诸如电网电压过高，风速过大等不正常状态出现后。电控
13、系统会在系统恢复保护机构，诸如电网电压过高，风速过大等不正常状态出现后。电控系统会在系统恢复正常后自动复位，机组重新启动。正常后自动复位，机组重新启动。具体运行过程为：具体运行过程为：A、当风速持续10分钟（可设置）超过3m/s，风机将自动启动。叶轮转速大于10转分时并入电网。B、随着风速的增加，发电机的出力随之增加，当风速大于12m/s时，达到额定出力，超出额定风速机组进行恒功率控制（通过变桨控制和变流器的扭矩控制实现）。C、当风速高于22米/秒持续10分钟，将实现正常停机（变桨系统控制叶片进行4/s顺桨，转速低于切入转速时，风力发电机组脱网）。D、当风速高于28米/秒并持续10秒钟时，实现
14、正常停机；当风速高于33米/秒并持续1秒钟时，实现正常停机。E、当遇到一般故障时，实现正常停机（变桨4/s 顺桨）。G、当遇到特定故障时，实现紧急停机（变流器脱网，网侧断路器断开，叶片以7/s的速度顺桨）。F、当遇到某些固定故障时，实现快速停机（变桨6/s 顺桨）。22安全系统安全链的结构安全系统安全链的结构23 安全链是独立于计算机系统的软硬件保护措施。采用反逻辑设计，将可安全链是独立于计算机系统的软硬件保护措施。采用反逻辑设计，将可能对风力机组造成致命伤害的故障节点串联成一个回路：紧急停机按钮（控能对风力机组造成致命伤害的故障节点串联成一个回路：紧急停机按钮（控制柜）、发电机过速模块（开关
15、）、扭缆开关、来自变桨安全链的信号、紧制柜）、发电机过速模块（开关）、扭缆开关、来自变桨安全链的信号、紧急停机按钮（机舱）、震动开关、急停机按钮（机舱）、震动开关、PLC过速信号、总线正常信号，一旦其中过速信号、总线正常信号，一旦其中一个动作，将引起紧急停机过程，使主控系统和变流系统处于闭锁状态。一个动作，将引起紧急停机过程，使主控系统和变流系统处于闭锁状态。震动开关安装在机舱底板上。当底板出现过大振动时，该装置会给控制震动开关安装在机舱底板上。当底板出现过大振动时，该装置会给控制器发出一个信号，安全链断开，风力机组执行紧急停机并给出故障信息。器发出一个信号，安全链断开，风力机组执行紧急停机并
16、给出故障信息。过速保护通过过速保护模块过速保护通过过速保护模块 overspeed控制，叶轮转速控制，叶轮转速(即发电机转速）即发电机转速）超过一定范围，过速保护模块超过一定范围，过速保护模块 overspeed内的继电器断开节点，使安全链断。内的继电器断开节点，使安全链断。扭缆开关是用来保护电缆的，当电缆向同一方向累计扭转超过设定圈数扭缆开关是用来保护电缆的，当电缆向同一方向累计扭转超过设定圈数时扭缆开关动作，安全链断。时扭缆开关动作，安全链断。当变桨系统出现故障时，来自变桨安全链的信号消失，使安全链断。当变桨系统出现故障时，来自变桨安全链的信号消失，使安全链断。24变桨系统与主控系统安全链
17、的关系变桨系统与主控系统安全链的关系 从上图我们可以看出，变桨系统通过每个变桨柜中的K4继电器的触点来影响主控系统的安全链，而主控系统的安全链是通过每个变桨柜中的K7继电器的线圈来影响变桨系统。变桨的安全链与主控的安全链相互独立而又相互影响。当主控系统的安全链上一个节点动作断开时，安全链到变桨的继电器-115K3线圈失电，其触点断开，每个变桨柜中的K7继电器的线圈失电触点断开，变桨系统进入到紧急停机的模式，迅速向90度顺桨。当变桨系统出现故障（如变桨变频器OK信号丢失、90度限位开关动作等）时，变桨系统切断K4 继电器上的电源，K4 继电器的触点断开，使来安全链自变桨的继电器-115K7 线圈
18、失电，其触点断开，主控系统的整个安全链也断开。同时，安全链到变桨的继电器-115K3线圈失电，其触点断开，每个变桨柜中的K7继电器的线圈失电触点断开，变桨系统中没有出现故障的叶片的控制系统进入到紧急停机的模式，迅速向90度顺桨。这样的设计使安全链环环相扣，能最大限度的对机组起到保护作用。25 网侧逆变功率模块1U1的作用是将发电机发出的能量转换为电网能够接受的形式并传送到电网上。而发电机侧整流功率模块2U1和3U1则是将发电机发出的电能转换为直流有功传送到直流母线上。制动功率模块4U1则是在当某种原因使得直流母线上的能量无法正常向电网传递时将多余的能量在电阻4R1和5R1上通过发热消耗掉，以避
19、免直流母线电压过高造成器件的损坏。（变流柜的电路如下图）变流柜中采用的功率模块都是VACON公司生产的通用变频器。每一个变频器都各自配有一个控制器，这里所说的控制器也是VACON公司为变频器所配的控制器。这些控制器和功率模块一一对应，相互之间通过光纤和CAN总线互连。从硬件上看，这些控制器的基本配置一致，从控制角度看，1U1 的控制器是变流器主要的控制核心，通过它变流器完成和风机主控制器之间的信息和命令交互，同时完成对其他控制器的操作。可以看到，1U1 和2U1 及3U1之间通过光纤和CAN总线连接，而4U1与其他控制器的连接是通过CAN总线实现，这是因为1U1/2U1/3U1之间需要高速通讯
20、以满足系统正常运行所需，而制动功率模块的相应时间可以慢一些。Verteco变流系统变流系统2627Verteco变流器元件散热是通过一套强制水冷系统实现的。变流器元件散热是通过一套强制水冷系统实现的。水冷的优点是水的比热系数大，同样体积的水和空气，在水冷的优点是水的比热系数大，同样体积的水和空气，在同样温升下，水吸收的热量大，同时，柜同样温升下，水吸收的热量大，同时，柜体采用散热管道体采用散热管道铺设方式铺设方式散热，有利于集中把热量排出塔架，也解决了塔架散热，有利于集中把热量排出塔架，也解决了塔架内部噪声大的问题。缺点是柜体结构较复杂，制造成本大。风内部噪声大的问题。缺点是柜体结构较复杂，制
21、造成本大。风冷方式优点是结构简单，缺点是散热效率低。冷方式优点是结构简单，缺点是散热效率低。28Verteco水冷系统29Verteco水冷系统的散热风扇30除水冷系统以外，Verteco变流柜内部还有1套风冷却系统。3132中央监控系统中央监控系统中央监控的功能控制功能：实现远程停机、复位、启动、偏航的命令数据收集功能：实时读取就地控制系统的数据数据管理并制成相应表格功能：形成各种曲线，制作日报表、月报表、年报 表，并通过数据对风机运行状况进行分析中央监控的实现方式数据通讯接口：TCP/IP网络接口数据通讯方式：中央监控为主站，就地控制器为从站。主轮询方式读取数据方式 通讯介质：风机和风机之
22、间，风机到中央监控之间均采用光纤介质33风机就地监控网络风机就地监控网络34风机内部与中央监控的连接形式风机内部与中央监控的连接形式35远程通讯方式远程通讯方式1：电话网络：电话网络36远程通讯方式远程通讯方式2：INTERNET网络网络37远程通讯方式远程通讯方式3：GPRS,CDMA无线网络无线网络38 金风科技根据电力行业远程数据监控要求，确保数据的安全性，可以采用电力专网为传输介质。如果配有完善的网络路由器及防火墙，也可通过光纤、ISDN、ADSL、CDMA、GPRS等上Internet，通过VPN实现远程监控。使远程监控机成为就地网络中一台客户端，具备现场风机远程监控功能，软件系统管
23、理人员可以通过权限设置，来确定远程客户具备权限（特别是对控制权限的约定），从而实现远程监测（监控）。39 对于处于旷野之中高耸物体，无论怎么样防护，都不可能完全避免雷击。因此，对于风力发电机组的防雷来说，应该把重点放在遭受雷击时如何迅速将雷电流引入大地，尽可能地减少由雷电导入设备的电流，最大限度地保障设备和人员的安全，使损失降低到最小的程度。金风1.5MW风力发电机组的防雷系统就是遵循这一原则而设计的，从叶尖到机组基础，各部分均采用了严密的防雷击保护措施（见下图），防雷按照IEC61024标准所规定的I级保护等级要求，参照执行IEC 61400-24、DIN VDE 0127、GB50057-
24、1994等标准金风1.5MW风力发电机组的防雷系统，根据相应的防雷标准，我们将风力发电系统的内外部分分了多个电磁兼容性防雷保护区。其中，在机舱、塔身和主控室内外可以分为LPZ0、LPZ1和LPZ2三个区（如下图）。针对不同防雷区域采取有效的防护手段，主要包括雷电接受和传导系统、过电压保护和等电位连接等措施，这些都充分考虑了雷电的特点而设计，实践证明这一方法简单而有效。40LPZ 1LPZ 2LPZ 1 LPZ 1LPZ 2LPZ 2LPZ 0LPZ 1LPZ 0:41主配电采用的是TN-C式供电系统，即系统的N线和PE线合为一根PEN线。根据以上对不同电磁兼容性防雷保护区的划分和应用SPD的原
25、理，在塔底的690V 电网进线侧和变压器输出400V侧安装SPD即防雷器以防护直接雷击，将残压降低到2.5kV水平，同时做好风机的接地系统。控制柜主回路防雷图控制柜主回路防雷图42在风向标风速仪信号输出端加装信号防雷模块防护，残余浪涌电流为20kA（8/20s）,响应时间小于等于500ns。43作为风力发电机组中位置最高的部件，叶片是雷电袭击的首要目标，同时叶片又是风力发电机组中最昂贵的部件，因此叶片的防雷击保护至关重要。研究结果表明叶片的完全绝缘不能降低被雷击的风险而只能增加受损伤的程度，还有在很多情况下雷击的位置在叶尖的背面。根据IEC61400-24风力发电机组防雷击保护标准的要求，对叶
26、片进行防雷击设计。在叶片叶尖部位安装一个金属接闪器，用77平方毫米的铜质电缆导线把叶尖接闪器和轮毂部位的防雷引下线可靠地连接（见下图）。44 雷电从接闪器通过导引线导入叶片根部的金属法兰，通过雷电从接闪器通过导引线导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂、主轴传至机舱，再通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。轮毂、主轴传至机舱，再通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。按按IEC61400-24标准的推荐值，如风力发电机组要达到一级防标准的推荐值，如风力发电机组要达到一级防雷击保护要求，则叶片防雷击铜质电缆导线截面积最小为雷击保护要求，则叶片防雷击铜质电缆导线截面积最小为50平平方毫米，因此，本设计可以满足要求
27、。方毫米，因此，本设计可以满足要求。45 在叶片内部，雷电传导部分将雷电从接闪器导入叶片根部的金属法兰，通过在叶片内部，雷电传导部分将雷电从接闪器导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂传至机舱。轮毂传至机舱。机舱底板与上段塔架之间、塔架各段之间塔架除本身螺栓连接之外还增加了机舱底板与上段塔架之间、塔架各段之间塔架除本身螺栓连接之外还增加了导体连接。导体连接。在机舱的后部还有一个避雷针，在遭受雷击的情况下将雷电流通过接地电缆在机舱的后部还有一个避雷针，在遭受雷击的情况下将雷电流通过接地电缆传到机舱底座，避免雷电流沿信号及传动系统的传导。传到机舱底座，避免雷电流沿信号及传动系统的传导。机舱底座为球墨铸铁
28、件，机舱内的零部件都通过接地线与之相连，接地线尽机舱底座为球墨铸铁件，机舱内的零部件都通过接地线与之相连，接地线尽可能地短直。雷电流通过塔架和铜缆经基础接地传到大地中（见下图）。可能地短直。雷电流通过塔架和铜缆经基础接地传到大地中（见下图）。机组的接地按照机组的接地按照GL规范设计，符合规范设计，符合IEC61024-1或或GB50057-1994的规定，的规定，采用平均直径大于采用平均直径大于10米的接地圆环，单台机组的接地供频电阻米的接地圆环，单台机组的接地供频电阻4，多台机组的，多台机组的接地进行互连。这样通过延伸机组的接地网进一步降低接地电阻，使雷电流迅速接地进行互连。这样通过延伸机组的接地网进一步降低接地电阻，使雷电流迅速流散入大地而不产生危险的过电压。流散入大地而不产生危险的过电压。4647谢谢！谢谢！48