控制系统的执行机构及传感器

风力发电机组监测与控制 控制系统的执行机构及传感器第一节气动制动机构与机械制动机构第二节偏 航 系 统第三节液 压 系 统第四节变 桨 系 统第五节变 流 系 统第六节自动润滑系统第七节温度监控传感器第八节安全保护控制回路传感器第一节气动制动机构与机械制动机构一、气动制动机构二、机械制动机构一、气动制动机构气动制动机构是大型风力发电机组的主要制动装置。对于定桨恒速风力发电机组，气动制动机构是叶尖扰流器；对于具有变桨机构的风力发电机组，气动制动机构是变桨机构。机械制动机构是风力发电机组安全保护系统的辅助制动机构。机械制动有两种执行方式：一种是弹簧力制动，液压力停止制动，这样可以保证在电网断电情况下的制动效果；另一种是液压力制动，弹簧力停止制动，这样可以实现可控的柔性机械制动，但如果电网长时间断电则机械制动会松开。二、机械制动机构二、机械制动机构图7-1机械制动机构二、机械制动机构图7-2制动夹钳第二节偏 航 系 统一、偏航系统的基本结构二、偏航控制系统三、偏航传感器四、偏航限位开关五、测风仪一、偏航系统的基本结构图7-3偏航系统结构二、偏航控制系统图7-4偏航控制系统框图三、偏航传感器图7-5偏航传感器信号四、偏航限位开关图7-6偏航传感器和偏航限位开关五、测风仪图7-7常见测风仪第三节液 压 系 统1.起动前状态2.正常运行状态3.停机过程时的状态4.系统保护1.起动前状态(1)阀14.1、14.2得电，阀15失电，叶尖扰流器收回；机械制动阀22.1、22.2失电，高速制动靠弹簧力制动；阀21、23失电，偏航制动靠液压力制动。(2)当压力传感器19.2检测到的压力低于140bar时，液压泵起动补压，直到压力传感器19.2检测到的压力等于150bar时，液压泵停止。(3)当压力传感器19.1检测到的压力低于102bar时，机气转换阀15得电，同时机械油路给气动油路补油，直到压力传感器19.1检测到的压力等于106bar时，机气转换阀15失电。(4)叶尖扰流器每隔10min收放一次，每次释放扰流器时阀14.1和14.2只有一个得电，且是轮流动作。图7-9定桨恒速风力发电机组的液压系统实物图1.起动前状态图7-9定桨恒速风力发电机组的液压系统实物图1.起动前状态表7-1对照表1.起动前状态2.正常运行状态1)风力发电机组起动时，机械制动阀22.1、22.2得电，高速制动夹钳停止制动，叶轮转动。2)当风向改变时，风力发电机组会自动对风，偏航制动阀21得电，偏航卸荷阀23失电，偏航制动夹钳在偏航减压阀24的作用下有25bar的余压，使得机组偏航时比较平稳。3)为了防止运行时气动压力过高，当气动平均压力超过107bar达到10min时，叶尖比例阀14.2就会失电120ms，将气动压力减小到正常范围。3.停机过程时的状态1)阀14.1(或阀14.2慢速制动)失电，叶尖扰流器甩出，桨叶液压缸里的液压油回到油箱，气动压力表M1的压力为0，叶轮在扰流器的作用下转速下降。2)停机后的状态就是起动前的状态。4.系统保护1)当风力发电机组发生飞车时，气动压力会随着叶轮转速的加快而增高。2)主溢流阀11是整个系统的安全阀，当系统压力超过185bar时，主溢流阀11就会溢流。图7-10气动制动与机械制动压力图说明：开机时液压泵起动内漏引起的压力下降液压泵重新起动温升引起的压力升高电磁阀动作引起的压力下降停机时电磁阀打开图7-10气动制动与机械制动压力图4.系统保护第四节变 桨 系 统一、变桨系统的工作原理二、采用液压变桨的执行机构三、采用电动变桨的执行机构一、变桨系统的工作原理变桨系统的主要功能是通过调节桨叶对气流的攻角，改变风力机的能量转换效率从而控制风力发电机组的功率输出，变桨系统还在机组需要停机时提供空气动力制动。变桨执行机构是变速恒频风力发电机组控制系统的一个重要组成部分，通常采用液压驱动或动驱动，在设计阶段需要考虑两种方式的优点和缺点。二、采用液压变桨的执行机构(1)快速性。(2)节能。(3)安全性。二、采用液压变桨的执行机构图7-11液压变桨系统三维图二、采用液压变桨的执行机构图7-12电液比例变桨距系统原理图图7-13电液比例控制框图二、采用液压变桨的执行机构图7-14电动变桨系统三维图三、采用电动变桨的执行机构三、采用电动变桨的执行机构(一)电动变桨系统的结构(二)电动变桨系统采用的驱动设备(三)电动变桨系统的控制(一)电动变桨系统的结构图7-15电动变桨系统的组成(二)电动变桨系统采用的驱动设备1.直流串励电动机2.其他电动机类型3.后备电源1.直流串励电动机图7-16直流串励电动机转矩-转速特性1.直流串励电动机图7-17直流变桨驱动结构2.其他电动机类型图7-18交流异步电动机变频驱动下的转矩-转速特性2.其他电动机类型图7-19交流变桨驱动结构3.后备电源后备电源可以在紧急情况下直接驱动直流电动机进行顺桨，但对交流电动机而言，在后备电源和驱动电动机之间的驱动器的可靠性就显得十分重要，特别是考虑到风力发电机组在现场遭遇雷击的风险。变桨执行机构必须要独立地做到失效安全，所以必须为每个叶片提供独立的蓄能器或后备电源。后备电源被安装在轮毂内，每片桨叶的驱动机构都有独立的后备电源。通常后备电源为铅酸蓄电池或超级电容。铅酸蓄电池的成本较低，但体积大，也比较重，对工作温度的要求比较高，寿命有限，通常23年必须更换。超级电容的体积小，功率密度大，可靠性好，但比较昂贵。(三)电动变桨系统的控制图7-20电动变桨驱动系统的控制信号联系第五节变 流 系 统一、双馈变流器的组成二、全功率变流器的组成三、变流器的控制一、双馈变流器的组成双馈变流器位于绕线转子异步发电机的转子和电网之间，其功率大约为发电机功率的30%，相对于全功率逆变，该方式减小了变流损失，降低了变流器的成本。双馈变流器由配电部分、主控部分、进线滤波部分、网侧变流器、转子侧变流器和Crowbar保护电路组成，如图7-21所示。二、全功率变流器的组成全功率变流器也是一个双PWM的变流器，硬件构成体系与双馈变流器并无太大不同，只是在发电机侧连接的是定子绕组，而双馈变流器连接的是转子绕组。此外就是全功率变流器不配备Crowbar保护电路，但全功率变流器需要在直流环节配备可控的泄放电阻以适应电网低电压穿越的要求。由于全功率变流器的换流容量大，所以在架构上可以采取多路并联的方式，如图7-22所示的全功率变流器结构中就采用了三个通道的并联。值得指出的是，风力发电机组使用的兆瓦级永磁同步发电机通常采用多相绕组，以减小直流侧的电压波动，于是变流器也可采用每个通道对应一组发电机三相绕组的接法。在变流器与发电机定子绕组间应配备一个开关，防止在维修时，由于永磁发电机自由运转而在发电机定子绕组产生的空载电动势造成人身伤害。三、变流器的控制图7-22全功率变流器结构第六节自动润滑系统由于大型风力发电机组的价值越来越高，对于机组可利用率的要求也越来越高，所以很多的大型风力发电机组都安装了自动润滑系统。兆瓦级变速恒频风力发电机组的自动润滑系统可以分为四个部分，分别是变桨轴承自动润滑系统、主轴自动润滑系统、发电机轴承自动润滑系统和偏航轴承自动润滑系统。各个位置使用的自动润滑系统的外形和结构基本相同，差异的只是容量和供电等方面。第六节自动润滑系统图7-23是典型的自动润滑系统，主要由油箱、集成控制器和分配器组成。自动润滑泵将油箱内的油脂定期经过高压油管输出，由分配器将油脂分配到各个润滑点上，同时，在被润滑设备上将安装集油盒以收集多余的废油。自动润滑系统在自动控制润滑时也具备系统自检的能力，能在故障时向风力发电机组控制系统输出报警信号。值得一提的是对变桨内齿环的润滑通常使用专用的润滑小齿轮，通过带润滑孔的小齿轮与变桨轴承内齿环啮合而进行润滑。图7-23自动润滑系统第六节自动润滑系统图7-24润滑小齿轮第六节自动润滑系统第七节温度监控传感器风力发电机组的传动系统每个旋转部件都能产生热，这些热量不能及时散出就会损伤部件。如发电机、齿轮箱和机舱的温升监控，通常温升检测传感器采用工业铂电阻Pt100进行测试。第八节安全保护控制回路传感器一、超速开关二、机械振动传感器三、极限振动保护传感器四、纽缆开关一、超速开关图7-25超速开关接线原理图二、机械振动传感器1.基本参数2.频率滤波器3.继电器4.所允许的环境条件5.结构二、机械振动传感器图7-26振动测试原理图1.基本参数(1)电源电压：(2)允许电压范围：21.626.4V(3)消耗电流：典型值为80mA，最大为250mA；(4)消耗电能：典型值为1.9W，最大为6.6W；(5)振动输入；(6)报警级别(加速)(7)分辨率：0.001；(8)精确度(25)：0.003g。2.频率滤波器(1)频率范围：最小为0.10Hz，最大为5.00Hz；(2)分辨率：0.01Hz；(3)频带BW(80db/decade)根据中频Fo，在5步中可选择;最小：Fo/40Hz,最大：Fo/2Hz;(4)响应时间(依据中频Fo):最小为1s，最大为6s；(5)报警延时：最小为，最大为25.5s。3.继电器(1)最大关断电压：42V;(2)最大关断电流：AC(或DC)1A,30W；(3)可选择串口通信；(4)端口号：1;(5)M-NET(6)RS485通信端口;(7)传输速率：30038400bit/s;(8)最大电缆长度：1km;(9)推荐电缆型号：120.25w/屏蔽。4.所允许的环境条件(1)运行温度：-2060；(2)运输/保管温度：-4085(3)最大湿度：95%(40时)；(4)最大工作高度：海拔3000m。5.结构(1)尺寸：8060175mm；(2)重量：0.680kg。三、极限振动保护传感器图7-27振动开关原理图四、纽缆开关图7-28纽缆开关原理图