2021风力发电机组的控制系统原理

风力发电机组的控制系统风力发电机组的控制系统1.1 风力发电机组控制系统的控制策略和功能1.2 风力发电机组的基本组成1.3 风力发电机组控制系统的基本组成1.4 变桨距系统1.5 偏航系统1.6 液压系统1.7 安全保护系统1.8 控制系统的设计控制目标：控制目标：保证系统的可靠运行保证系统的可靠运行能量利用率最大能量利用率最大电能质量高电能质量高机组寿命长机组寿命长常规控制策略：常规控制策略：在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大能量低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大能量高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组输出的功率为额定值高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组输出的功率为额定值减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出的功率波动，减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出的功率波动，避免共振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简单，控制代价小控制器简单，控制代价小调节机组功率，确保机组输出的电压和频率稳定调节机组功率，确保机组输出的电压和频率稳定1.1 控制系统的控制策略和功能控制系统要实现的基本功能控制系统要实现的基本功能：根据风速信号自动加入起动状态、并网或从电网切除起动状态、并网或从电网切除；根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制进行转速和功率控制；根据风向信号自动对风根据风向信号自动对风；迎风装置根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮相啮合的小齿轮转动，使机舱始终对准风向方向使机舱始终对准风向方向根据功率因数自动投入（或切出）相应的补偿电容补偿电容。1.1 控制系统的控制策略和功能控制系统要实现的基本功能控制系统要实现的基本功能：当发电机脱网时，能确保机组安全关机安全关机；在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行监测和记录监测和记录，对出现的异常情况能够自行判断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，以及风力发电机组的各项性能指标；能实现远程通信远程通信。1.1 控制系统的控制策略和功能独立运行的风力发电机组独立运行的风力发电机组 水平轴独立运行的风力发电机组由水平轴独立运行的风力发电机组由 风轮、尾舵、发电机、支架、电风轮、尾舵、发电机、支架、电缆、充电器、逆变器、蓄电池组成缆、充电器、逆变器、蓄电池组成 1.2风力发电机组的基本组成并网运行的风力发电机组并网运行的风力发电机组 并网运行的发电机组由风轮（并网运行的发电机组由风轮（包括叶片和轮毂包括叶片和轮毂）、增速箱、发电）、增速箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成 2 24 48 81 13 35 511116 69 97 710101212叶片轮毂主轴承主轴偏航电机塔筒齿轮箱机舱底盘联轴器发电机主控柜机舱罩1.2 风力发电机组的基本组成1.1.轮毂轮毂 轮毂是风轮的枢纽轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。再传到风力机驱动的对象。1.2 风力发电机组的基本组成1.1.轮毂轮毂 同时同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。在设计中应保证足够的强度。在设计中应保证足够的强度。2 2.叶片：叶片：捕获风能并将风力传送到转子轴心。1.2 风力发电机组控制系统的基本组成 定桨距定桨距叶片的叶根与轮毂直接相连，连接结构主要有叶片的叶根与轮毂直接相连，连接结构主要有法兰法兰式式，螺纹件预埋式螺纹件预埋式，钻孔组装式钻孔组装式三种。三种。叶片和轮毂的链接叶片和轮毂的链接变桨距变桨距风力发电机组叶片通过风力发电机组叶片通过变距轴承变距轴承与轮毂连接。与轮毂连接。1.1.调速或限速装置调速或限速装置从原理上看，有三类：第一类使风轮偏离主风向；第二类是利用气动阻力；第三类改变叶片的桨距角。4.4.塔架塔架风力机塔架载有机舱及转子。可以是管状的塔架（安全），也可是是格子状的塔架（便宜）。按结构不同，塔架可分为：按结构不同，塔架可分为：拉索式塔架拉索式塔架桁架式塔架桁架式塔架锥筒式塔架锥筒式塔架5.5.机舱机舱包容着风力机的关键设备，包括齿轮箱，发电机。维护人员可通过风力机塔进入机舱。双馈式机组机舱底盘多用铸件多用铸件多用焊接件多用焊接件 机舱壳体机舱壳体机舱壳体由机舱底盘、机舱罩和整流罩组成。塔架塔架叶片叶片轮毂轮毂主轴主轴齿轮箱齿轮箱发电机发电机机舱电机舱电气控制气控制柜柜风向标风向标风速仪风速仪偏航电机偏航电机整流罩整流罩机舱底盘机舱底盘机舱罩机舱罩 6 主传动功能：是将风力机的动力传递给发电机组成：主轴、主轴承、齿轮箱、联轴器等。7.7.风力发电机风力发电机种类有很多：异步发电机，同步发电机，开关磁阻发电机，轴向磁场发电机等。6 主传动8 8.偏航装置偏航装置借助电动机转动机舱，以使风轮转子叶片正对着风。偏航装置由电子控制器根据风向标感觉的风向来操作。风力发电机的液压系统属于风力发电机的一种动力系统，主要功能是为变桨控制装置、安全桨距控制装置、偏航驱动和控制装置、停机制动装置提供液压驱动力。它是为风力发电机上一切使用液压作为驱动力装置提供动力。在定桨距风力发电机组中，液压系统的主要任务是驱动风力发电机的气动刹车和机械刹车；在变桨距风力发电机组中，主要控制变距机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制机械刹车机构。9.9.液压系统液压系统1.2 风力发电机组的基本组成10.10.电子控制系统电子控制系统由传感器、执行机构和软由传感器、执行机构和软/硬件处理器系统组成。不断监硬件处理器系统组成。不断监控风力机状态控风力机状态11.11.风速计及风向标：风速计及风向标：用于测量风速及风向。12.12.冷却系统：冷却系统：有风冷和水冷。有风冷和水冷。一、控制系统的总体结构一、控制系统的总体结构控制系统的总体结构 控制系统的结构与功能u监视电网、风况和机组监视电网、风况和机组运行数据。运行数据。u并网、脱网控制。并网、脱网控制。u机组优化控制。机组优化控制。u一般采用微机控制。1.3 风力发电机组控制系统的构成 风力发电机组控制系统：风力发电机组控制系统：由传感器、执行机构和软由传感器、执行机构和软/硬件处理硬件处理器系统组成。器系统组成。传感器一般包括：传感器一般包括：风速仪，风向标，转速传感器风速仪，风向标，转速传感器，电量采集传，电量采集传感器，桨距角位置传感器，各种限位开关，振动传感器，温度感器，桨距角位置传感器，各种限位开关，振动传感器，温度和油位指示器，液压系统压力传感器，操作开关和按纽等。和油位指示器，液压系统压力传感器，操作开关和按纽等。执行机构一般包括：执行机构一般包括：液压驱动装置或电动变桨距执行机构，发液压驱动装置或电动变桨距执行机构，发电机转矩控制器，发电机接触器，刹车装置和偏航电机等。电机转矩控制器，发电机接触器，刹车装置和偏航电机等。处理系统：处理系统：通常由计算机或微型控制器和可靠性高的硬件安全通常由计算机或微型控制器和可靠性高的硬件安全链组成，链组成，以实现风机运行过程中的各种控制功能，同时必须满以实现风机运行过程中的各种控制功能，同时必须满足当严重故障发生时，能够保障风力发电机组处于安全状态。足当严重故障发生时，能够保障风力发电机组处于安全状态。1.3 风力发电机组控制系统的构成 整个系统由主控制系统主控制系统、机舱偏航控制系统机舱偏航控制系统、叶轮变桨控叶轮变桨控制系统组成制系统组成，各子系统通过通讯母线系统互联在一起各子系统通过通讯母线系统互联在一起。采用分布式采用分布式I/O方式：主控方式：主控+远程远程I/O站站 PLC控制器组成实时多任务操作系统。所有控制逻辑、控制器组成实时多任务操作系统。所有控制逻辑、控制策略、控制算法全部由控制策略、控制算法全部由PLC完成，执行单元按照完成，执行单元按照PLC输出的控制量进行动作。输出的控制量进行动作。1.3 风力发电机组控制系统的基本组成 具体的控制内容包括：具体的控制内容包括：信号的数据采集、处理，信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制，实现最大功率点跟踪控制，变桨控制、转速控制，实现最大功率点跟踪控制，功率因数控制，功率因数控制，偏航控制，偏航控制，自动解缆，自动解缆，并网和解列控制，并网和解列控制，停机制动控制，停机制动控制，安全保护系统，安全保护系统，就地监控、远程监控。就地监控、远程监控。1.3风力发电机组控制系统的基本组成信号采集 在风力发电机组运行过程中，必须对相关物理量进行在风力发电机组运行过程中，必须对相关物理量进行测量，并根据测量结果发出相应信号，将信号传递到主控测量，并根据测量结果发出相应信号，将信号传递到主控系统，作为主控系统发出控制指令的依据。系统，作为主控系统发出控制指令的依据。需要检测的信号需要检测的信号 速度信号；速度信号；温度信号；温度信号；位置信号位置信号 电气特性；电气特性；液流特性；液流特性；运动和力特性；运动和力特性；环境条件环境条件 1.3 风力发电机组控制系统的基本构成 主控系统主控系统及及控制策略实现机组的发电控制，是风机控控制策略实现机组的发电控制，是风机控制的核心制的核心。负责所有负责所有任务任务的处理：的处理：主控主控电源分配电源分配/转换、风机的起转换、风机的起/停；协调偏航控制、变桨控停；协调偏航控制、变桨控制、变流器控制；所有的辅助功能控制、保护、监视等。制、变流器控制；所有的辅助功能控制、保护、监视等。主控制系统主控制系统主控系统硬件主控系统硬件大型风电机组系统硬件由大型风电机组系统硬件由塔基控制器模块组塔基控制器模块组和和机舱控制器模块组机舱控制器模块组组组成。成。主控系统安装在塔基的主控制柜中。主控系统安装在塔基的主控制柜中。偏航控制系统（机舱控制柜）偏航控制系统（机舱控制柜）偏航控制系统控制策略偏航控制系统控制策略主要完成机舱主要完成机舱/轮毂电源分配轮毂电源分配/转转换，机舱偏航远程换，机舱偏航远程I/O，机舱辅助功能控制，塔基加速度监，机舱辅助功能控制，塔基加速度监控（振动）及发电机的温度保护等。控（振动）及发电机的温度保护等。偏航控制器由机舱顶部的风向标激活，风向标测量风偏航控制器由机舱顶部的风向标激活，风向标测量风向给偏航控制系统提供输入信号。通过控制器参数的设定，向给偏航控制系统提供输入信号。通过控制器参数的设定，使偏航载荷最小化使偏航载荷最小化。偏航速度设定为。偏航速度设定为0.5/s。风向标的测量信号滤波后如果超过风向标的测量信号滤波后如果超过15，风力发电机组，风力发电机组即开始偏航对风。风向标输出信号为即开始偏航对风。风向标输出信号为0，风向即为，风向即为0。29/15人机界面 人机界面是计算机与操作人员的交互窗口。其主要人机界面是计算机与操作人员的交互窗口。其主要功能是风力发电机组运行操作、状态显示、故障监测和功能是风力发电机组运行操作、状态显示、故障监测和数据记录。数据记录。一、运行操作一、运行操作 1.机组起停及复位机组起停及复位 2.手动操作手动操作 1.控制参数修改控制参数修改二、状态显示二、状态显示三、故障监测三、故障监测 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电驱动，在设计阶段需要考虑两种方式的优点和缺点。主要有三种组合形式：1、液压变桨距系统；2、电动变桨距系统；3、电-液结合的变桨距系统。1.4 变桨距系统1.4 变桨距系统一、液压变桨距系统一、液压变桨距系统 液压变桨距系统液压变桨距系统以以液压伺服阀液压伺服阀作为功率放大环节，以作