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风电主控系统 

 F-C系列风电主控系统是为变速恒频兆瓦级风力发电系统配套的主控系统,兆瓦级风力发电系统的主控系统可以在一定的范围内通过协调控制风轮机、机械传动系统、发电机、变流单元等风力发电整机部件,实现自然风能----机械能---电能的转换,达到电能的可靠、稳定输出以及最大风能的捕获和提供。由于在这个转换过程中,自然风能的外部输入是不可控的,因而通过F-C系列主控系统可以在一定范围内通过风力机桨叶系统的调节(输入)和变流系统输出功率的调节达到最大风能转换和可靠、稳定输出功率的效果。F-C系列主控系统在对构成风力发电整机系统所有设备属性、运行参数和性能深刻了解的基础上达到了对整个风力发电系统的优化控制。

产品主要功能
F-C系列风电主控系统为我公司自行研制的风机专用控制器,其主要完成对变桨距控制器、逆变器、偏航机构、刹车机构、冷却系统和润滑系统等组成部分的监控。风力发电机组是复杂多变量的非线性系统,具有不确定性和多干扰等特点,因而风力发电控制系统的基本目标分为4个层次:保证可靠运行、获取最大能量、提供优质电力、延长机组寿命。F-C系列风电主控系统具有以下功能:
1)主控制器能准确判断外部环境的情况和风机状况,正确实现风机在运行、暂停、停机和急停状态之间转变
风力发电机组的启动方式包括自动启动、面板人工启动、顶部机舱人工启动和远程启动,各种启动方式的优先级由高到低依次为:顶部机舱人工启动、面板人工启动、远程启动、自动启动。当存在高级别启动控制时,对较低级别启动控制应不予响应。在系统第一次上电或电网故障停电后又恢复正常时,电控系统对电网及系统安全链进行检测,在无故障情况下,使系统处于待机状态。启动过程中完成系统自检、桨叶复位、根据风速将桨叶调整到合适位置,给变流器发出指令,直至并网发电。当风力发电机组需要脱离电网时,变桨距系统工作,桨叶按一定收桨速度转向90°,桨叶转动时,功率减少,在发电机与电网断开之前,发电机转速降到并网转速后,第一刹车组投入刹车,脱离电网,转速继续下降到一定转速,第二组刹车投入,最后风力发电机转速降为0,两组刹车继续处于刹车状态。


2)低风速时调节转速跟踪最优叶尖速比,实现最大风能捕获;高风速时调节桨距限制风能捕获,保持风力机的额定输出功率对于某一固定桨距角而言,存在唯一的风能利用系数最大值,对于任意的叶尖速比,桨叶节距角为0o时的风能利用系数相对最大,桨叶节距角增大,风能利用系数明显减小。变速变桨距风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现:在额定风速以下时,保持最优桨距角不变,采用最大功率跟踪法,调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化;在额定风速以上时,通过变桨距系统改变桨距角来限制风轮获取能量,使风力发电机组保持在额定功率下发电。通过对最优叶尖速比的跟踪,实现了最大风能的捕获。


3)偏航控制、自动解缆
风向标控制的自动对风:为了保证风力发电机组发挥最大效能,机舱必须准确对风;当风力发电机叶轮法线方向与风向一致时,风机吸收的功率最大;因此对风目标为叶轮法线方向与风向基本一致。当风向改变,超过允许误差范围时,系统计算机发出自动偏航指令,传感器和偏航电机组成的对风系统执行校正动作,使机舱准确对风。风向标控制的90°侧风在出现特大强风,遭遇切除风速以上的大风暴时,控制系统对机舱作90°侧风处理。由于90°侧风是在外界环境对风电机组有较大影响的情况下,为了保证风电机组的安全所实施的措施,所以在90°侧风时,应当使机舱走最短路径,且屏蔽自动偏航指令;在侧风结束后,应当抱紧偏航向,同时当风向变化时,继续追踪风向的变化,确保风电机组的安全。自动解缆:在偏航及90°侧风的过程中,电缆会随偏航电机的转动而扭转。如果偏航电机多次向同一方向转动,就会造成电缆缠绕、绞死、甚至绞断,因此设计系统自动解缆,若因故障,自动解缆未起作用,在扭缆达到一定的圈数,扭缆开关动作,报扭缆故障,停机等待人工解缆,在自动解缆过程中,屏蔽自动偏航操作。


4)对变桨机构的控制
在风力发电机组或电网发生故障时,可以控制变桨距机构使叶片顺桨,从而使叶轮迅速制动;在风速高于安全运行风速时,可以使叶片处于顺桨状态,改善风力机组的受力状况,避免大风对风力机的损害;通过合适的变桨距控制,可以减小传递链上的转矩振荡。具体的控制过程如下:
(1)当满足风力机起动条件时,PLC发出指令使叶片桨距角从0°匀速增大;
(2)当发电机并网后PLC根据反馈的功率进行功率调节,在额定风速之下保持较高的风能吸收系数,在额定风速之上,通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上;
(3)在有故障停机或急停信号时,PLC控制执行电机,使得叶片迅速变到桨距角为0°的位置。


5)对逆变系统的控制
主控系统通过组成塔底机架的F-C100电源模件、F-C100-CPU控制器模件、F-C100-CPA塔底网关模件、F-C100-CPB总线网关模件和各种I/O模件同变流系统交互,对塔底测点的监控,并且同HMI人机界面和后台监控连接。和变流系统的交互主要实现风力发电机组的并网和脱网,并且在发电过程中对变流系统下达转矩控制指令以优化发电量和控制最大发电量。


6)对液压系统和刹车系统的监控
在风力发电机中有两个液压机组,一个用于偏航制动器,一个用于主轴转子制动器。它们只用来操作制动装置。通过风电主控系统可以对刹车系统的具体操作过程进行监控。


7)对冷却和加热系统的监控
对于发电机来说,冷却循环的泵在高于发电机设定的转数时接通。冷却剂流过发电机和冷却器由压力继电器监控。没有流量时(1秒种以上)风力发电机关闭(正常停机连同流动确认)冷却水温在冷却水出口测量。高于40°C冷却器的风机接通。若温度超过60°C,则风力发电机的功率下降,而且是线性的。在60 °C -70°C之间时则由100%下降到70%。在超过70°C时(超过1分钟)风力发电机关闭(正常停机连同再起动)。在停机后,若冷却水温超过50°C ,则泵和风机有10分钟的随动。为防止在发电机内形成冷凝水,在冷却循环中装有一加热装置,环境温度低于10°C时,加热装置与泵一起接通。对于传动装置来说,传动装置油在支路中过滤和冷却。传动装置即使没有油循环也功能正常。这可进行以下操作:油泵只有在油池温度超过50°C时才接通。70°C以上冷却器的风机接通。80°C以上(持续1分钟以上)将关断(正常停机随重新起动)。在油池温度低于-5°C时要先使传动装置加温,使风力发电机在无负载情下以低转数(约5转/分钟)慢动模式运转。风力发电机只有油池温度低于20°C时风力发电机会整体关断。对于机舱来说,当舱温度低于一定值时,启动机舱加热器加热;当舱温度高于一定温度值时,启动机舱排风扇降温。对于控制柜来说,控制柜温度不仅指塔底的控制柜温度,而且也包括顶部机舱的控制柜温度。塔底和顶部机舱控制柜都装有加热器和冷却风扇。当控制柜温度低于设定值时,启动加热器;当控制柜温度高于设定温度时,冷却风扇工作,将温度控制在要求范围内。


8)对润滑系统的监控
通过风电主控系统还可以对风力发电机组的润滑系统进行监控。