风力发电机组的控制系统文稿教学课件

风力发电机组的控制系统文稿演示优选风力发电机组的控制系统ppt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3.1 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。3.1 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。3.1 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 3.2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3.2 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，也是叶片根部与主轴的连接轮毂是风轮的枢纽，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。3.2 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。3.2 风力发电机组控制系统的基本组成定桨距叶片的叶根与轮毂直接相连，连接结构主要有法兰定桨距叶片的叶根与轮毂直接相连，连接结构主要有法兰式，螺纹件预埋式，钻孔组装式三种。式，螺纹件预埋式，钻孔组装式三种。叶片和轮毂的链接叶片和轮毂的链接变桨距风力发电机组叶片通过变距轴承与轮毂连接。变桨距风力发电机组叶片通过变距轴承与轮毂连接。风机叶片设计短片风机叶片设计短片3 3.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3.2 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：有风冷和水冷。冷却系统：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。3.3 风力发电机组控制系统的构成 风力发电机组控制系统：由传感器、执行机构和软风力发电机组控制系统：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：液压驱动装置或电动变桨距执行机构，发执行机构一般包括：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。3.3 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。3.3 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。3.3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 3.3 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塔基控制器模块组和机舱控制器模块组组大型风电机组系统硬件由塔基控制器模块组和机舱控制器模块组组成。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。偏航速度设定为使偏航载荷最小化。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。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 3.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30 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。3.4 变桨距系统3.4 变桨距系统一、液压变桨距系统一、液压变桨距系统 液压变桨距系统以液压变桨距系统以液压伺服阀液压伺服阀作为功率放大环节，以作为功率放大环节，以液体压力驱动执行机构。组成如下：液体压力驱动执行机构。组成如下：液压变桨距系统的组成控制策略核心-变桨角度反馈闭环控制，角度设定依赖于叶轮转速。角度设定与反馈的偏差信号送入变桨角度伺服控制器，从而控制桨叶角度及叶轮转速亦即发电机输出的电气功率。3.4 变桨距系统变桨距控制执行系统原理二、电动变桨距系统二、电动变桨距系统1 1、总体结构、总体结构 电动变桨距系统以电动变桨距系统以伺服电机驱动齿轮伺服电机驱动齿轮系实现变距调节系实现变距调节功能，可以使功能，可以使3 3个叶片独立实现变桨距。个叶片独立实现变桨距。333.4 变桨距系统2 2、单元组成、单元组成 单个叶片变桨距装置一般包括单个叶片变桨距装置一般包括控制器、伺服驱动器、伺服电动机、控制器、伺服驱动器、伺服电动机、减速机、变距轴承、传感器、角度减速机、变距轴承、传感器、角度限位开关、蓄电池、变压器等。限位开关、蓄电池、变压器等。伺服电动机伺服电动机：变桨距系统常用的伺服电动机有异步电动机、无刷直变桨距系统常用的伺服电动机有异步电动机、无刷直流电动机和三相永磁同步电动机。流电动机和三相永磁同步电动机。变距轴承变距轴承：对于电动机驱动齿轮式变距的机组来说，一般选用有对于电动机驱动齿轮式变距的机组来说，一般选用有内齿的内齿的4 4点接触球式转盘轴承，变距轴承的内外圈分别与风点接触球式转盘轴承，变距轴承的内外圈分别与风轮的叶片和轮毂用螺栓连接。轮的叶片和轮毂用螺栓连接。三、电三、电-液变桨距系统液变桨距系统 特点是电液伺服系统中使用交流伺服电机而不是电液伺特点是电液伺服系统中使用交流伺服电机而不是电液伺服阀。因此具有电动机控制灵活和液压出力大的双重优点。服阀。因此具有电动机控制灵活和液压出力大的双重优点。四、变桨距系统的控制四、变桨距系统的控制 变桨距系统的控制是由控制器来实现的。控制器一方变桨距系统的控制是由控制器来实现的。控制器一方面控制执行机构完成变桨距的动作，面控制执行机构完成变桨距的动作，另一方面还要通过现另一方面还要通过现场总线实现与主控制器的通信。场总线实现与主控制器的通信。控制器的核心部件是微处控制器的核心部件是微处理器或理器或PLCPLC。(1)(1)开环控制即将桨距角由顺桨状态开环控制即将桨距角由顺桨状态(一般一般90)90)按照一按照一定的顺控程序置为最大风能利用系数的角度定的顺控程序置为最大风能利用系数的角度(一般一般223)3)，以获得最大起动力矩。，以获得最大起动力矩。(2)(2)闭环控制通过变桨距控制使转速以一定升速率上升闭环控制通过变桨距控制使转速以一定升速率上升至同步转速，进行升速闭环控制；为了对电网产生尽可能至同步转速，进行升速闭环控制；为了对电网产生尽可能小的冲击，控制器也同时用于并网前的同步转速控制。小的冲击，控制器也同时用于并网前的同步转速控制。36变桨距系统3.5 偏航系统 水平轴风力机风轮绕垂直轴的旋转叫偏航。偏航系统水平轴风力机风轮绕垂直轴的旋转叫偏航。偏航系统可以分为被动偏航系统和主动偏航系统。可以分为被动偏航系统和主动偏航系统。一、偏航系统的功能一、偏航系统的功能 由于风向经常改变，如果风轮扫掠面和风向不垂直，由于风向经常改变，如果风轮扫掠面和风向不垂直，不但功率输出减少，而且承受的载荷更加恶劣。不但功率输出减少，而且承受的载荷更加恶劣。偏航系统的功能就是跟踪风偏航系统的功能就是跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。面与风向保持垂直。3.5 偏航系统 二、偏航系统的组成和工作原理 偏航系统是一个自动控制系统，其组成和工作原理如下图。3.5偏航系统偏航系统结构偏航系统的执行机构一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航系统的执行机构一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航液压回路等部分组成。偏航制动器、偏航液压回路等部分组成。40 1 1、偏航轴承、偏航轴承 偏航轴承的内外圈分别与机组的塔体和机舱用螺栓连接。2 2、偏航驱动、偏航驱动 偏航系统用在对风、解缆时，驱动机舱相对于塔筒旋转，一般为驱动电机或液压驱动单元，安置在机舱中，通过减速机驱动输出轴上的小齿轮，小齿轮与固定在塔筒上的大齿圈啮合，驱动机舱偏航，啮合齿轮可以在塔筒外，也可以在塔筒内。3 3、偏航制动、偏航制动偏航制动的功能是使偏航停止，同时可以设置偏航运动的阻尼力矩，以使机舱平稳转动。第二节偏 航 系 统偏航系统偏 航 系 统u由控制器来实现偏航系统的控制。u人工操作u信号交换偏航控制器四、偏航系统的控制1.偏航控制的硬件偏 航 系 统2.偏航控制的软件偏航控制系统由于采用计算机控制，因此必须依赖控制软件。偏航系统工作流程(1)自动偏航功能(2)手动偏航功能(3)自动解缆功能(4)90侧风功能3、偏航传感器（1）解绕传感器（2）偏航方向传感器3.6液压系统功能：以有压液体为介质，实现动力传输和运动控制的机械单元。优点：传动平稳、功率密度大、易实现无级调速、易更换元器件和过载保护可靠等。图5-30风力发电机组液压站主要用于：主要用于：控制变距机构控制变距机构，空气动力制动；，空气动力制动；机械制动机械制动；偏航驱动与制动偏航驱动与制动；齿轮箱润滑油液的冷却和过滤；发电机水冷；变流器的温度控制；开关机舱和驱动起重机等。3.6液 压 系 统动力元件动力元件：将机械能转换为液体压力能机械能转换为液体压力能，如液压泵液压泵。一、液压元件一、液压元件控制元件控制元件：控制系统压力、流量、方向以及进行信号转换和进行信号转换和放大放大，作为控制元件的主要是各类液压阀液压阀。执行元件执行元件：将流体的压力能转换为机械能，驱动各类机构压力能转换为机械能，驱动各类机构，如液压缸液压缸。辅助元件辅助元件：保证系统正常工作除上述3元件外的装置。油油箱、过滤器、蓄能器、箱、过滤器、蓄能器、热交换器热交换器等。3.6液 压 系 统1.液压泵液压泵液压泵是能量转换能量转换装置，向液压系统输送压力油，推动执行元件输送压力油，推动执行元件。齿轮泵a)解剖图b)原理图液压泵的图形符号a)定量泵b)变量泵一、液压元件一、液压元件(1)液压泵分类及工作原理：液压泵分类及工作原理：按结构可分为齿轮泵、叶片 泵、柱塞泵和螺杆泵等3.6液 压 系 统(1)方向控制阀方向控制阀控制液压系统的油流方向，接通或断开油路，控制执行机构的起动、停止或改变运动方向。1)单向阀普通单向阀(逆止阀):控制油液沿一个方向流动，不能反向流动。图5-33单向阀a)剖面图b)图形符号1阀体2锥阀3弹簧4、5挡圈图5-34液控单向阀a)工作原理图b)图形符号2)液控单向阀(带有控制口的单向阀):控制口通压力油时，油液可反向流动。2.液压阀液压阀按功能分为方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀、电液伺服阀、电液比例阀等。电液伺服阀、电液比例阀等。3.6液 压 系 统图5-35电磁换向阀a)、b)、c)工作原理图d)图形符号3）换向阀:利用阀心相对于阀体的运动，控制液流方向、接通或断开油路，改变执行机构的运动方向、起动或停止。换向阀稳定工作位置：“位”；对外接口：“通”3.6液 压 系 统(2)压力控制阀压力控制阀控制油液压力控制油液压力，或利用压力作为信号来控制执行元件和电气元件或利用压力作为信号来控制执行元件和电气元件动作动作的阀。图3-36直动型溢流阀a)球阀b)锥阀c)图形符号1阀心2阀体3调压弹簧4调压手轮按功用分：溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等。图3-37溢流阀的作用a)定压溢流b)限压安全c)卸荷回路3.6液 压 系 统控制液体流量液体流量的阀类，简称流量阀。通过改变控制口大小调节通过阀的液体流量，改变执行元件运动速度改变执行元件运动速度。图5-40节流阀a)剖面图b)图形符号c)应用节流阀的回路(3)流量控制阀流量控制阀包括节流阀节流阀、调速阀和分流集流阀等。3.6液 压 系 统(5)电液比例阀电液比例阀用比例电磁铁比例电磁铁代替普通电磁换向阀电磁铁的液压控制阀。也可根据输入电信号连续成比例地控制系统流量和压力。(4)电液伺服阀电液伺服阀根据输入电信号连续成比例地控制系统流量和压力的液压控制阀根据输入电信号连续成比例地控制系统流量和压力的液压控制阀。将小功率的电信号转换为大功率的液压能输出将小功率的电信号转换为大功率的液压能输出，实现执行元件的，实现执行元件的位移、速度、加速度及力的控制位移、速度、加速度及力的控制。电液伺服阀控制精度高，响应速度快控制精度高，响应速度快，应用于控制精度要求较高的场合。动态特性上不如电液伺服阀动态特性上不如电液伺服阀，制造成本、抗污染能力等方面优于，制造成本、抗污染能力等方面优于电液伺服阀。电液伺服阀。3.6液 压 系 统液压变距型风力发电机组液压系统中的液压缸有时采用差动连接差动连接。图5-46液压缸的差动连接图5-45液压缸a)解剖图b)图形符号液压缸是液压系统的执行元件执行元件，是将输入的液压能转变为机械能液压能转变为机械能的能量转换装置。可以很方便地获得直线往复运动直线往复运动。3.液压缸液压缸3.6液 压 系 统蓄能器：蓄能器：储存和释放液体的压力能。图5-47蓄能器a)活塞式b)气囊式c)隔膜式d)图形符号4.辅助元件辅助元件蓄能器、过滤器、油箱、冷却器、加热器、密封件蓄能器、过滤器、油箱、冷却器、加热器、密封件、油管、管接头、压力表和压力表开关等。按结构可分为弹簧式，重锤式和充气式充气式。3.6液 压 系 统过滤器：过滤器：净化油液杂质，控制油液污染。图5-48过滤器a)解剖图b)图形符号图5-49油箱a)解剖图b)图形符号油箱油箱:液压油的储存器。3.6液 压 系 统油温高：粘度下降，泄漏倾向增加；密封老化，油液氧化。油温高：粘度下降，泄漏倾向增加；密封老化，油液氧化。冷却器冷却器:风冷式、水冷式和冷媒式图5-50管式水冷却器a)解剖图b)图形符号图5-51电加热器a)安装位置b)图形符号热交换器热交换器油温低：粘度大，设备起动困难，压力损失大，振动。油温低：粘度大，设备起动困难，压力损失大，振动。加热器加热器:热水或蒸汽加热、电加热3.6液 压 系 统密封装置防止系统油液的内外泄漏，以及外界灰尘和异物的侵入，保证系统建立必要压力。密封要求：在一定压力和温度范围内良好密封性；与运动件之间摩擦系数小；寿命长，不易老化，抗腐蚀能力强。3.7润滑与温控风力发电机组的自动润滑系统可以分为 主齿轮箱自动润滑系统主齿轮箱自动润滑系统 主轴和发电机轴承自动润滑系统主轴和发电机轴承自动润滑系统 变桨距和偏航系统自动润滑系统变桨距和偏航系统自动润滑系统一、润滑一、润滑手动润滑手动润滑:人工定时定量向被润滑点加入润滑剂。自动润滑自动润滑:由润滑系统自动完成润滑功能。润滑剂润滑剂:主齿轮箱主齿轮箱采用液体润滑油液体润滑油，轴承轴承多采用半固体的润滑半固体的润滑脂脂。各个位置使用的自动润滑系统的外形和结构基本相同，差异的只差异的只是容量和供电等方面是容量和供电等方面。3.7润滑与温控图3-58主轴承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。典型的自动润滑系统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3.7润滑与温控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。3.7润滑与温控二、温度控制二、温度控制温控主要是温度的采集、处理、维持系统的稳定可靠运行。温控主要是温度的采集、处理、维持系统的稳定可靠运行。包括发电机冷却，变流器温控，变压器冷却，液压系统温控等。包括发电机冷却，变流器温控，变压器冷却，液压系统温控等。3.7润滑与温控1.1.发电机的温控发电机的温控风力发电机一般为全封闭式的风力发电机一般为全封闭式的，其散热条件比开启式电机要差。，其散热条件比开启式电机要差。图3-62采用水冷的发电机二、温度控制二、温度控制图3-63变流器冷却系统原理图2.变流器的温控：大功率变流器通常加设专门的温度控制系统，变流器中的冷却液可以借助于液压泵进行循环，同时根据环境温度对润滑液加热或冷却。图5-64变流器温度控制系统外形3.7润滑与温控3.变压器的冷却变压器的冷却油浸式变压器油浸式变压器，干式变压器干式变压器图3-66变压器的冷却系统4.液压系统的温控温度传感器、冷却器、加热器 保护环节以失效保护为原则进行设计保护环节以失效保护为原则进行设计，即当控制失败，风，即当控制失败，风力发电机组内部或外部故障引起机组不能正常运行时，系统安力发电机组内部或外部故障引起机组不能正常运行时，系统安全保护装置动作，保护风力发电机组处于安全状态。全保护装置动作，保护风力发电机组处于安全状态。引起控制系统自动执行保护功能的情况有：引起控制系统自动执行保护功能的情况有：1、大风保护安全系统；、大风保护安全系统；2、电网失电保护；、电网失电保护；3、参数越限保护（超速、超电压、超电流）；、参数越限保护（超速、超电压、超电流）；4、振动保护、振动保护 ；5、开机保护；、开机保护；6、关机保护、关机保护 风电机组控制系统基本功能：运行管理运行管理，安全保护安全保护。3.8安全保护3.8 安全保护 风力发电机组的安全保护系统包括：风力发电机组的安全保护系统包括：1、运行安全保护系统，2、微控制器抗干扰系统，3、微控制器的自动检测功能，4、紧急故障安全链保护系统，5、避雷系统，6、接地保护系统接地保护系统 一、机组运行安全保护系统一、机组运行安全保护系统1.大风保护安全系统大风保护安全系统风速达到25m/s(10min)为切出风速，关机前功率输出；关机时机组按照程序安全停机；关机后偏航90背风。2.电网失电保护电网失电保护电网失电，空气动力制动和 机械制动系统动作，相当于执行紧急关机程序。3.参数越限保护参数越限保护风力发电机组运行中，当参数数据达到限定值时，控制系统根据设定好的程序自动处理。参数越限保护实例参数越限保护实例1)超速保护：超速保护：当转速传感器转速传感器检测到发电机或风轮转速超过额定转速的110%时，控制器给出正常关机指令；叶尖扰流器制动液压系统设有独立超速保护装置“突开阀突开阀”，控制系统失效时停机。2)超电压保护：超电压保护：电气装置元件瞬间高压冲击保护。瞬间高压冲击保护。对控制系统交流电源进行隔离稳隔离稳压，装置高压瞬态吸收元件压，装置高压瞬态吸收元件。3)超电流保护：超电流保护：控制系统所有的电器电路(除安全链外)必须加过电流保护器过电流保护器，如熔熔丝、断路器丝、断路器等。4.振动保护振动保护机组应设有三级振动频率保护。5.开机保护开机保护定桨距风力发电机组软切入控制限制并网对电网的电冲击。同步风力发电机同步、同相、同压并网控制限制并网电流冲击。6.关机保护关机保护小风、大风及故障情况时，空气动力制动后后软切除脱网关机。3.8 安全保护三、控制器的自动检测功能三、控制器的自动检测功能 微控制器应能够对系统的故障进行自动检测。利用自动检微控制器应能够对系统的故障进行自动检测。利用自动检测和修复方法可以使微控制器的故障自动消除，或者使系统操测和修复方法可以使微控制器的故障自动消除，或者使系统操作者能更快地发现故障部件，迅速修复，已达到微控制器安全作者能更快地发现故障部件，迅速修复，已达到微控制器安全运行的目的。运行的目的。二、微控制器抗干扰保护系统二、微控制器抗干扰保护系统 使微机控制系统或控制装置既不因外界电磁干扰的影响而误动使微机控制系统或控制装置既不因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扰，以免影响其他系作或丧失功能，也不向外界发送过大的噪声干扰，以免影响其他系统或装置正常工作。统或装置正常工作。四、安全链四、安全链独立于计算机系统独立于计算机系统的最后一级保护措施最后一级保护措施：将可能对风力发电机组造成致命伤害的故障节点串联成一个回路，一旦其中有一个动作，便会引起紧急关机紧急关机反应。串接传感器的信号串接传感器的信号：u紧急关机按钮、控制器程序监视器（看门狗）、液压缸压力继电器、扭缆传感器、振动传感器、控制器DC24V电源失电等；u控制计算机发生死机，风轮过转速或发电机过转速；u故障排除，手动复位。图图3-5安全链组成安全链组成四四 防雷设计防雷设计n 设计依据标准n 防雷总体概述n 直击雷防护n 机组等电位连接n 系统屏蔽n 机舱防雷n 电源防雷n 信号线防雷n 基础防雷设计依据及标准设计依据及标准风力发电系统综合防雷系统设计方案依据标准风力发电系统综合防雷系统设计方案依据标准n IEC62305-1-4-2006 雷电防护n IEC61400-24:2002 风力发电机组第24部分 雷电防护n GB50052-95 供配电系统设计规范n GB50057-94 建筑物防雷设计法规n GB50343-2004 建筑物电子信息系统防雷技术规范防雷总体设计防雷总体设计 雷电对风力发电机组的危害不可忽视。直击雷和感应雷及雷电电磁脉雷电对风力发电机组的危害不可忽视。直击雷和感应雷及雷电电磁脉冲的侵入是主要造成电气设备、控制系统和通讯系统损坏的原因。冲的侵入是主要造成电气设备、控制系统和通讯系统损坏的原因。根据根据风力发电机组风力发电机组 防雷保护防雷保护规定，将防雷区分为规定，将防雷区分为LPZ0LPZ0、LPZ1LPZ1、LPZ2LPZ2等：等：LPZ0LPZ0：区内的物体可能遭到直击雷击，传导全部雷电流或区内的物：区内的物体可能遭到直击雷击，传导全部雷电流或区内的物 体不会遭到直接雷击，但该区的电磁场没有衰减。（叶片）体不会遭到直接雷击，但该区的电磁场没有衰减。（叶片）LPZ1 LPZ1：区内的物体不会遭到直击雷击，该区内所有导电体的电流比：区内的物体不会遭到直击雷击，该区内所有导电体的电流比 LPZ0LPZ0区进一步减小，电磁场可能衰减（机舱、塔架、箱变内区进一步减小，电磁场可能衰减（机舱、塔架、箱变内 LPZ2 LPZ2：包括的所有设备，为了进一步减小干扰效应，还必须采取：包括的所有设备，为了进一步减小干扰效应，还必须采取 附加屏蔽措施（齿轮箱、发电机、控制柜）。附加屏蔽措施（齿轮箱、发电机、控制柜）。直接雷防护叶尖接闪器、避雷针、机舱外壳引导体直击雷地网直击雷放电通道机组等电位连接 等电位连接措施等电位连接措施n机舱内可导电部分进行等电位连接。机舱内可导电部分进行等电位连接。n叶片、主轴承、发电机、齿轮箱、液压系统等做叶片、主轴承、发电机、齿轮箱、液压系统等做等电位连接接地等电位连接接地n塔筒底部与接地网可靠连接（不少于塔筒底部与接地网可靠连接（不少于4 4点连接），点连接），机舱等电位接地端子排与塔筒可靠连接。机舱等电位接地端子排与塔筒可靠连接。n塔底配电、控制设备外壳做等电位连接塔底配电、控制设备外壳做等电位连接机舱防雷机舱内电气感应雷防护：机舱内电气感应雷防护：n对发电机、控制器、继电保护和通讯系统安装相应的对发电机、控制器、继电保护和通讯系统安装相应的过电压保护装置过电压保护装置。nAC/DCAC/DC电源线路、控制线路、传感器线路等应用屏蔽线，屏蔽线两端做等电源线路、控制线路、传感器线路等应用屏蔽线，屏蔽线两端做等n 电位连接。电位连接。机舱内电气感应雷产生：机舱内电气感应雷产生：n机组受雷击，机舱内部件易机组受雷击，机舱内部件易受到雷电感应高电压而损坏受到雷电感应高电压而损坏n机舱塔筒间电源线及信号线受雷电感应高电压损坏设备机舱塔筒间电源线及信号线受雷电感应高电压损坏设备电源防雷电源防雷第一级使用雷击电涌保第一级使用雷击电涌保护器护器 第二级使用电涌保护器第二级使用电涌保护器 第三级使用终端设备保第三级使用终端设备保护器护器 三级防雷保护措施三级防雷保护措施电源防雷发电机输出端（690V）到塔底并网柜安装电源浪涌保护器SPD塔底配电柜(690V)到变压器电源线路安装电源浪涌保护器机舱到轮毂（400V/230V)配电线路安装电源浪涌保护器塔底控制柜（230V)到机舱柜配电线路安装电源浪涌保护器塔底控制柜到机舱控制柜(24V),机舱控制柜到变桨柜（24V)安装24V电源浪涌保护器信号线路防雷LPZ0LPZ1区的测控信号线路：（如风向标、风速仪的线路）在柜内的变送器前端加装模拟信号防雷器或开关信号防雷器进行保护。机舱柜到变桨柜信号线安装信号防雷器机舱到塔底信号线安装信号防雷器机组光纤通讯安装金属部分在进光端机前做等电位连接。基础防雷n 垂直接地体和环形接地体组成垂直接地体和环形接地体组成 n 工频接地电阻小于工频接地电阻小于4 4欧欧 n 环形接地体环形接地体4 4点钢条焊接点钢条焊接一、需要检测的信号一、需要检测的信号1)速度信号：速度信号：发电机转速、风轮转速、偏航转速和方向等。2)温度信号：温度信号：主轴承温度、齿轮箱油温、液压油油温、齿轮箱轴承温度、发电机轴承温度、发电机绕组温度、环境温度、电器柜内温度、制动器摩擦片温度等。3)位置信号：位置信号：桨距角、叶尖扰流器位置、风轮偏角等。4)电气特性：电气特性：电网电流、电压、功率因数、电功率、电网频率、接地故障、逆变器运行信息等。5)液流特性：液流特性：液压或气压、液压油位等。6)运动和力特性：运动和力特性：振动加速度、轴转矩、齿轮箱振动、叶根弯矩等。7)环境条件：环境条件：风速、风向、湿度等。3.9信号测量3.9信 号 测 量二、主要信号测量技术1.测量仪表的分类及构成模拟式：利用被测量驱动指针运动，产生位移或偏角。特点：简洁反应被测量，但易引起测量误差。数字式：特点：精确度教高。图6-6数字式仪表的构成2.基本电量测量基本电量测量(1)互感器互感器一种专供测量仪表、控制及保护设备用测量仪表、控制及保护设备用的特殊变压器。分为电压互感器（电磁式电压互感器，电容式电压互感器）和电流互感器。1)电磁式电压互感器：电磁式电压互感器：工作原理和结构与电力变压器相似，容量较小，通常只有几十伏安或几百伏安。2)电流互感器：将高压电流和低压大电流变换成电压较低的小电流，提供给仪表使用。图6-8电流互感器的接线图6-7电压互感器的接线3.9信 号 测 量(2)电量变送器电量变送器功能：功能：将被测电量变换成标准的直流电信号(一般为420mA的电流信号或05V的电压信号)。目的目的:对风力发电机发出的电量进行自动检测电量进行自动检测或对风力发电机组进行自动控制自动控制。1)电流、电压变送器：电流、电压变送器：有平均值变送器平均值变送器和有效值变送器有效值变送器(交流电压、电流测量)。2)功率变送器(3)电压与电流的测量电压与电流的测量交流仪表交流仪表多用有效值标定有效值标定，直流仪表直流仪表多用平均值标定平均值标定。电压和电流测量一般测取线电压线电压和线电流线电流。1)用指示式仪表测量：用指示式仪表测量：进行电压、电流测量时，常选用指示式电工仪表指示式电工仪表。2)用数字存储示波器测量：用数字存储示波器测量：变速恒频控制接入变流器，对电压电流测量要求提高。数字存储示波器可显示被测电压或电流波形、信号、频率、周期、幅值、电压或电流波形、信号、频率、周期、幅值、有效值、平均值有效值、平均值等；可对信息和波形进行数字存储数字存储。3)用电量变送器测量：用电量变送器测量：风力发电系统需要对电压和电流进行自动监测、对电压和电流进行自动监测、检测与控制检测与控制，因此，需要使用电压、电流变送器电压、电流变送器。(4)电功率测量电功率测量电功率的测量通常是指有功功率有功功率的测量。测量方法：测量方法：功率表测量，功率变送器测量，用电压电流信号计算3.转速的测量转速的测量(1)光电转速传感器光电转速传感器光电式转速传感器可分为投射式投射式和反射式反射式两种，风力发电机组中主要采用投射式。图6-14投射式光电转速传感器的测速原理图6-15电感式接近开关(2)电感式接近开关电感式接近开关图6-16电感式接近开关工作原理图6-17电感式接近开关安装实况3.9信 号 测 量(1)电阻应变法原理电阻应变法原理在外力作用下，物体内部将产生应力，应力表征了物体的受力情况。常使用应变片应变片测取物体应变。(2)应变片的种类和特点应变片的种类和特点1)电阻丝式应变片：电阻值与应变呈线性变化电阻丝式应变片：电阻值与应变呈线性变化。图6-18应变片a)电阻丝式b)箔式4.应力的测量应力的测量目的：对风力机叶片根部载荷、风轮载荷、塔架载荷以及塔顶弯矩目的：对风力机叶片根部载荷、风轮载荷、塔架载荷以及塔顶弯矩或扭矩等进行测量。或扭矩等进行测量。3.9信 号 测 量2)箔式应变片：箔式应变片：采用金属金属箔栅箔栅电阻敏感元件电阻敏感元件制成应变片。3)半导体应变片：半导体应变片：应用单晶硅半导体的压阻效应单晶硅半导体的压阻效应制成的应变片。(3)应变测试系统应变测试系统应变测试系统由应变片、数据采集器和应变测试应变片、数据采集器和应变测试软件软件等构成。图6-19转矩测量的电阻应变法a)应变片的粘贴b)桥式测量电路5.转矩的测量转矩的测量发电机输入机械转矩，偏航变桨距执行机构输出转矩测量，借助主发电机输入机械转矩，偏航变桨距执行机构输出转矩测量，借助主轴进行风轮转矩、俯仰力矩测量。轴进行风轮转矩、俯仰力矩测量。测功机法测功机法；校正过的直流电机法校正过的直流电机法；转矩仪法转矩仪法；电阻应变法电阻应变法等。6.温度的测量温度的测量检温计检温计：热电阻热电阻、热电偶和半导体热敏电阻等。7.振动开关振动开关振动激活传感器的微动开关，改变内部继电器的状态。通常用在安全链安全链中。图6-20Pt100温度传感器图6-21振动开关图6-22操作面板总缆界面3.10人机界面人机界面主要功能：风力发电机组运行操作、状态显示、故障监测风力发电机组运行操作、状态显示、故障监测和数据记录和数据记录。塔基操作面板塔基操作面板监控远程操作面板监控远程操作面板一、运行操作1.机组起停及复位3.10人 机 界 面2.手动操作主要用于机组调试机组调试和检修检修手动必须在停机状态停机状态下进行。图6-23密码输入图6-24手动操作第四节人 机 界 面图6-25偏航控制参数3.控制参数修改控制参数修改操作需要相应权限操作需要相应权限图6-26齿轮箱和主轴状态参数二、状态显示图6-27故障监测窗口三、故障检测3.10人 机 界 面