风力发电机组电控系统基本组成及各组成部分的功能特点

6．理解主控系统基本组成及功能特点；
7．认识主控制柜、机舱控制柜主要的电气设备，了解其性能特点；
8．理解风力发电机组监控系统的监测内容，认识常用的传感器，了解其性能特点；
9．清楚风力发电机组电控系统采取的安全保护措施。
二、任务准备与实施建议
1．通过主控室监控画面和就地监控画面，记录电控系统监测的数据信息，了解这些数据的安全范围。
（二）变流电控系统
风力发电机组的变流电控系统能够实现以下两个功能。
（1）能量转换功能
变流器在风机系统中的主要作用是把风能转换成适应电网的电能，反馈回电网。
（2）低电压穿越功能
随着国家电网公司对国内风机运行标准的提高，风力发电机组要具备低电压穿越功能，在电网波动短时间能够正常运行，在一段时间内保证风机不脱网。
【讲解新课】
情境四风力发电机组电控调试与运行维护
任务二风力发电机组电控系统的认知
一、学习目标
1．理解风力发电机组电控系统基本组成及各组成部分的功能特点；
2．理解变流电控系统功能、变流柜柜体布局；
3．理解变流电控系统网侧与电机侧控制原理；
4．理解变桨电控系统基本组成及功能特点；
5．认识变桨电控柜主要电气设备，了解其性能特点；
变桨系统内部电气及控制检测主要包括以下部分：
（1）开关电源：将50HZ线电压400V（三相）交流电输入转换为60V直流电输出；
（2）变桨变频器：将60VDC转换成三相频率可变的29VAC，通过变频变速调节变桨电机；
（3）超级电容：储备电能；
（4）A10检测模块，检测采集超级电容高低电压，判断是否正常；将取自超级电容的60V与30V直流电压信号、充电器的直流电流输出信号，经过信号处理，转换成适合beckoff双极性模拟输入模块允许输入范围内的信号；
4）恒功率阶段
该阶段为变桨，但叶轮转速基本恒定阶段，叶片位置设定值或叶片变桨速率的设定值，则由控制策略根据叶轮转速、风机输出功率计算所得。
5）停机阶段
在上述运行的各个阶段，无论是按停机按钮（主控柜上停机按扭、就地显示屏上停机按钮、中央监控上停机命令），还是风机发生运行故障、阵风、小风、安全链故障，风机将根据上述不同情况，以不同速度朝90°顺桨。
3．变桨电气系统组成
每个叶片配备一套变桨电气系统，由变桨柜、备用电源柜、变桨电机、91°限位开关、接近开关等组成。
1）启动阶段
叶片从顺桨位置开始，直到叶轮转速增加到9RPM或10RPM，风机开始发电，这个过程为变速、变桨过程。风机开始发电时叶片角度大小由风的状况决定，目前主控软件规定，在切入风速下，开始发电时叶片角度在1.5°。
2.Verteco变流系统主拓扑结构
变流器采用了可控整流的方式把发电机发出的电整流为直流电，通过网侧逆变模块把直流电变成工频交流电并入电网。其控制方式为分布式控制，这种方式和它的主电路拓扑结构相对应，即网侧和发电机侧各有独立的控制器，以网侧控制器为主控制器，通过控制器之间的联系进行相互信息的交换和控制，其它控制器为子控制器。
分钟
课后记事：
教学内容
教学方法
【课堂组织】纪律考勤
【复习旧课】
1.风力发电机组控制系统的运行控制原理及控制功能；
2.安全保护内容及保护措施。
【引入新课】
风力发电机组配备的电控系统以可编程控制器为核心，控制电路是由PLC中心控制器及其功能扩展模块组成。主要实现风力发电机正常运行控制、机组的安全保护、故障检测及处理、运行参数的设定、数据记录显示以及人工操作，配备有多种通讯接口，能够实现就地通讯和远程通讯。
除水冷系统以外，Verteco变流柜内部还有1套风冷却系统。可以在变流柜内形成风冷却循环以防止出现局部过热现象，并且柜体内还装有湿度监测传感器，以保障变流系统在适宜的湿度下工作。
（三）变桨电控系统
1．变桨电控系统基本功能
变桨控制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。
3．网侧控制原理
网侧功率单元的作用是将直流母线上的直流有功功率转换为50Hz交流有功功率传送到电网上，其控制对象为直流母线电压。见图4-17。当直流母线上输入有功功率增加到大于通过网侧模块输送到电网上的有功时，将导致直流母线电压上升；而当直流输入有功功率下降到小于输送到电网的有功时，直流母线电压会下降。也就是说，直流母线电压的变化直接反应了发电机发出的功率的变化。网侧功率模块通过监测直流母线电压的波动，就可以得到输出有功电流的大小。
7．思考电控系统中各设备可能出现的故障。
三、相关知识学习
（一）风力发电机组电控系统概述
风力发电机组的电气控制系统由低压电气柜、电容柜、控制柜、变流柜、机舱控制柜、三套变桨柜、传感器和连接电缆等组成，电控系统包含正常运行控制、运行状态监测和安全保护三个方面的职能。
电控系统又可分为变桨系统、变流系统、主控系统和监控系统等四大子系统。
主控制柜位于塔底，是机组可靠运行的核心，主要由可编程控制器（PLC）及其扩展模块组成，分别组成主站和低压配电（LVD）站，其结构紧凑，主要完成数据采集及输入、输出信号处理，逻辑判定等功能；向变流控制柜的执行机构发出控制指令并接收变流控制柜送出的实时状态数据；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；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；与中央监控系统实时传递信息；根据信号的采集、处理和逻辑判断保障整套机组的可靠运行。主控制柜能够满足无人职守、独立运行、监测及控制的要求，运行数据与统计数值可通过就地控制系统或远程的中央监控计算机记录和查询。可以通过就地操作面板显示风力发电机组信息，通过操作面板的按键实现对风力发电机组的操作，可以由中央监控计算机远程实施对风力发电机组的基本控制，包括包括机组自动启动、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、电容补偿和电容滤波投切以及低于切入风速时自动停机。控制器存储采集到的数据，并通过通信设备连续的把数据传递给中央监控计算机，便于中央监控计算机作其它的数据分析。
项目名称
风力发电机组运行维护与调试
编写教师
编写日期
年 月 日
审核教师
审核日期
年 月 日
实训班级
实训日期
年 月 日
指导教师
实训地点
风机测试实训室
实训内容：学习情境四风力发电机组电控系统调试与运行维护
任务二风力发电机组电控系统的认知
教学目标：1）理解风力发电机组电控系统基本组成及各组成部分的功能特点
2）理解变流电控系统网侧与电机侧控制原理
8）故障诊断和记录功能
9）人机界面
10）通讯功能
（2）安全控制系统
安全系统是独立于风机正常控制系统外的状态监控系统。安装在风机上独立于正常控制系统外的传感器和执行机构通过安全模块连成一个独立的系统。当这些传感器动作时，触发安全控制系统,安全系统一旦被触发，风机立即停机，并且切断偏航系统接触器，风机停止偏航和自动起机，此时风机脱离正常控制系统，从而最大程度上保持风机的安全。安全控制系统从功能上可分为：
4．机舱控制柜
柜内主要包括低压配电单元、电机转速检测单元、风速、风向检测单元、Topbox I/O子站和外围辅助控制回路组成。Topbox I/O子站通过Profibus-DP总线和塔底控制主站连接，其主要功能是采集和处理信号。它采集的信号包括：液压站油位、润滑加脂、偏航计数、机舱左偏航、机舱右偏航，机舱维护、机舱启动、机舱停止、振动开关、环境温度、机舱温度、发电机绕组温度，风向、风速、发电机转速、叶轮转速、叶轮锁定、机舱加速度、发电机接触器等。机舱柜内的各种PLC模块采集到的信号全部通过总线耦合器BK3150和DP总线传输给塔底主控制器，由主控器进行集中的处理和管理，并由主控器发出控制信号使机舱中的元件动作，执行偏航和W直驱风力发电机组为例，说明变流系统的硬件基本组成，见图4-13。
由发电机发出的交流电，其电压和频率都很不稳定，随叶轮转速的变化而变化。经过电机侧整流单元（或称INU）整流，变换成直流电；再经过斩波升压，使电压升高到正负600V，送到直流母排上；再通过逆变单元（或称AFE）把直流电逆变成能够和电网相匹配的形式送入电网。为了保护变流器系统的稳定，还设置了一个过压保护单元（CHOPPER），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，它可以将多余的能量在电阻上通过发热消耗掉，以避免直流母线电压过高造成器件的损坏。
（5）BC3150总线端子控制器及beckoff模块，是带PLC功能的总线耦合器。控制器有一个PROFIBUS-DP现场总线接口，可在PROFIBUS系统中作为智能从站使用，完成变桨安全控制，采集状态信号，发出控制信号。
外部驱动及检测部分包括：
（1）变桨电机：驱动变桨减速器；
（2）旋转编码器：增量式和绝对式混合型的旋转编码器，检测变桨角度和变桨速度；
6）风机变桨系统调试与维护阶段
在风机停机后，通过对连接到机舱控制柜控制手柄上执行变桨操作，可以进行强制手动变桨操作，在超出－2°~90°的范围内变桨。
5．变桨电控系统安全保护
主控通过变桨系统组态获取变桨系统运行过程中出现的故障，变桨系统故障诊断包括以下几个大项：温度、电容电压不平衡、变桨位置比较、旋转编码器、变桨位置传感器、变桨限位开关、变桨速度超限等故障。这些故障通过主控程序的分析给出不同的停机指令，并且有一些可以在条件满足之后重新自动复位重启，但是有一些需要经过维护人员处理以后手动复位才能够重新运行。
（四）主控系统
1.主控系统的基本功能
主控系统是整机控制的核心，可以分为两个子系统：常规控制系统、安全控制系统。
（1）常规控制系统
用来控制整个风机在各种外部条件下能够在正常的限定范围内运行。从功能上分为：
1）功率控制系统