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风力发电机组的控制系统 PPT课件

作者:排列5 发布时间:2020-11-04 07:01 点击数:

  •3.1 风力发电机组控制系统的控制策略和功能 •3.2 风力发电机组的基本组成 •3.3 风力发电机组控制系统的基本组成 •3.4 变桨距系统 •3.5 偏航系统 •3.6 液压系统 •3.7 安全保护系统 •3.8 控制系统的设计 第3章 风力发电机组的控制系统 • 控制目标:  保证系统的可靠运行  能量利用率最大  电能质量高  机组寿命长 • 常规控制策略:  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  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...

  3.1 风力发电机组控制系统的控制策略和功能 3.2 风力发电机组的基本组成 3.3 风力发电机组控制系统的基本组成 3.4 变桨距系统 3.5 偏航系统 3.6 液压系统 3.7 安全保护系统 3.8 控制系统的设计 第3章 风力发电机组的控制系统 控制目标:  保证系统的可靠运行  能量利用率最大  电能质量高  机组寿命长 常规控制策略:  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  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,避免共振  减小功率传动链的暂态响应  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 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: 根据风速信号自动加入 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;  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 根据功率因数自动投入(或切出)相应的 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: 当发电机脱网时,能确保机组 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,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。 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 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 并网运行的发电机组由风轮( 包括叶片和轮毂 )、增速箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成 2 2 4 4 8 8 1 1 3 3 5 5 11 6 6 9 9 7 7 10 12 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. 轮毂 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,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. 轮毂 同时 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。 2 2. . 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式,螺纹件预埋式,钻孔组装式三种。 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。 风机叶片设计短片 3 3. . 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. 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: 拉索式塔架 桁架式塔架 锥筒式塔架 5. 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 多用焊接件 机舱壳体 机舱壳体由机舱底盘、机舱罩和整流罩组成。 塔架 叶片 轮毂 主轴 齿轮箱 发电机 机舱电气控制柜 柜 风向标 风速仪 偏航电机 整流罩 机舱底盘 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:主轰、主轰承、齿轮箱、联轰器等。 7. 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 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. 液压系统 3.2 风力发电机组的基本组成 10. 电子控制系统 由传感器、执行机构和软/ 硬件处理器系统组成。不断监控风力机状态 11. 风速计及风向标:用于测量风速及风向。 12. 冷却系统: 有风冷和水冷。 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  监视电网、风况和机组运行数据。  并网、脱网控制。  机组优化控制。 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/ 硬件处理器系统组成。 传感器一般包括: 风速仪,风向标,转速传感器 ,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。 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: 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, 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。 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 、 机舱偏航控制系统 、 叶轮变桨控制系统组成, 各子系统通过通讯母线系统互联在一起。 采用分布式I/O 方式:主控+ 远程I/O 站 PLC 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PLC 完成,执行单元按照PLC 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: 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, 功率因数控制, 偏航控制, 自动解缆, 并网和解列控制, 停机制动控制, 安全保护系统, 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。 需要检测的信号 速度信号; 温度信号; 位置信号 电气特性; 液流特性; 运动和力特性; 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 及 控制策略实现机组的发电控制,是风机控制的核心 。 负责所有 任务 的处理: 主控 电源分配/ 转换、风机的起/ 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。 主控制系统 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 成。 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) 偏航控制系统控制策略 主要完成机舱/ 轮毂电源分配/转 转换,机舱偏航远程I/O ,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。 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,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15 ,风力发电机组即开始偏航对风。风向标输出信号为0 ,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。 一、运行操作 1. 机组起停及复位 2. 手动操作 3. 控制参数修改 二、状态显示 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。 3.4 变桨距系统 3.4 变桨距系统 一、液压变桨距系统 液压变桨距系统 以 液压伺服阀 作为功率放大环节,以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 32 变桨距控制执行系统原理 二、电动变桨距系统 1 1 、总体结构 电动变桨距系统以 伺服电机驱动齿轮 系实现变距调节功能,可以使3 3 个叶片独立实现变桨距。 3.4 变桨距系统 2 2 、单元组成 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、 减速机、变距轴承、传感器、角度 限位开关、蓄电池、变压器等。 伺服电动机 : 变桨距系统常用的伺服电动机有异步电动机、无刷直流电动机和三相永磁同步电动机。 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轮的叶片和轮毂用螺栓连接。 35 三、电- - 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 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, 另一方面还要通过现场总线实现与主控制器的通信。 控制器的核心部件是微处理器或 PLC 。 (1) 开环控制 即将桨距角由顺桨状态( ( 一般 90 ) ) 按照一定的顺控程序置为 最大风能利用系数的角度( ( 一般2 2 ~3 3) ) ,以获得最大起动力矩。 (2) 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小的冲击,控制器也同时用于并网前的同步转速控制。 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 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。 偏航系统的功能就是跟踪风向的变化,驱动机舱围绕塔架中心线旋转, 使风轮扫掠面与风向保持垂直。 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。 39 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、偏航制动器、偏航液压回路等部分组成。 1 1 、 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 由控制器来实现偏航系统的控制。 人工操作 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: 控制变距机构 ,空气动力制动; 机械制动; ; 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 :将 机械能转换为液体压力能,如 液压泵。 一、液压元件 控制元件 :控制系统压力、流量、方向以及 进行信号转换和放大,作为控制元件的主要是各类 液压阀。 执行元件 :将流体的 压力能转换为机械能,驱动各类机构,如 液压缸。 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、 热交换器等。 3.6 液 压 系 统 1. 液压泵 液压泵是 能量转换装置,向液压系统 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 (1) 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 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 按功能分为 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。 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 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。 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 包括 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 用 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 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 ,实现执行元件的位移、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,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 ,制造成本、抗污染能力等方面优于电液伺服阀。 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。 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,是将输入的 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 液 压 系 统 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 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。 3.6 液 压 系 统 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: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。 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 油温低:粘度大,设备起动困难,压力损失大,振动。 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 一、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:由润滑系统自动完成润滑功能。 润滑剂: 主齿轮箱采用 液体润滑油, 轴承多采用 半固体的润滑脂。 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 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。 3.7 润滑与温控 1. 发电机的温控 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。 图3-62 采用水冷的发电机 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 油浸式变压器 , 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 ,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: 1 、大风保护安全系统; 2 、电网失电保护; 3 、参数越限保护(超速、超电压、超电流); 4 、振动保护 ; 5 、开机保护; 6 、关机保护 风电机组控制系统基本功能: 运行管理, 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: 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 一、机组运行安全保护系统 1. 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,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 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 1) 超速保护: ①当 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; ②叶尖扰流器制动液压系统设有独立超速保护装置 “突开阀” ”,控制系统失效时停机。 2) 超电压保护: 电气装置元件 瞬间高压冲击保护。对控制系统交流电源进行 隔离稳压,装置高压瞬态吸收元件。 3) 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,如 熔丝、断路器等。 4. 振动保护 机组应设有三级振动频率保护。 5. 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 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 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。 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。 四、安全链 独立 于计算机系统的 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 关机反应。 串接传感器的信号: :  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;  控制计算机发生死机,风轮过转速或发电机过转速;  故障排除,手动复位。 图 图3-5 安全链组成 四 防雷设计  设计依据标准  防雷总体概述  直击雷防护  机组等电位连接  系统屏蔽  机舱防雷  电源防雷  信号线防雷  基础防雷 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  IEC62305-1-4-2006 《雷电防护》  IEC61400-24:2002 《风力发电机组第24部分 雷电防护》  GB50052-95 《供配电系统设计规范》  GB50057-94 《建筑物防雷设计法规》  GB50343-2004 《建筑物电子信息系统防雷技术规范》 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 《 风力发电机组 防雷保护 》 规定,将防雷区分为 LPZ0 、 LPZ1 、LPZ2 等: LPZ0 :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) 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 LPZ0 区进一步减小,电磁场可能衰减(机舱、塔架、箱变内 LPZ2 :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)。 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  机舱内可导电部分进行等电位连接。  叶片、主轴承、发电机、齿轮箱、液压系统等做等电位连接接地  塔筒底部与接地网可靠连接(不少于4 4 点连接),机舱等电位接地端子排与塔筒可靠连接。  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:  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 。  AC/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  电位连接。 机舱内电气感应雷产生:  机组受雷击,机舱内部件易 受到雷电感应高电压而损坏  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 第一级使用雷击电涌保护器 第二级使用电涌保护器 第三级使用终端设备保护器 L1L2L3NPEN L1 L2 L3PEN N NN L1 L2 L3PEN N N10M5MF2.1 F2.2F1第2级保护 第3级保护 第1级保护F3均压等电位连接母线TN-S电网三级防雷保护措施 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 LPZ0~LPZ1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  垂直接地体和环形接地体组成  工频接地电阻小于4 4 欧  环形接地体4 4 点钢条焊接 一、需要检测的信号 1) 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: 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: 桨距角、叶尖扰流器位置、风轮偏角等。 4) 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: 液压或气压、液压油位等。 6) 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: 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 (1) 互感器 一种专供 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: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 电压互感器的接线) 电量变送器 功能:将被测电量变换成标准的直流电信号(一般为4~20mA的电流信号或0~5V的电压信号)。 目的:对风力发电机发出的 电量进行自动检测或对风力发电机组进行 自动控制。 1) 电流、电压变送器:有 平均值变送器和 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 交流仪表多用 有效值标定, 直流仪表多用 平均值标定。 电压和电流测量一般测取 线) 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。 2) 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、有效值、平均值等;可对信息和波形进行 数字存储。 3) 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、检测与控制,因此,需要使用 电压、电流变送器。 (4) 电功率测量 电功率的测量通常是指 有功功率的测量。 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 (1) 光电转速传感器 光电式转速传感器可分为 投射式和 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 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 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 应变片测取物体应变。 (2) 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 应变片 a)电阻丝式 b)箔式 4. 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或扭矩 等进行测量。 。 3.9 信 号 测 量 2) 箔式应变片:采用 金属 箔栅 电阻敏感元件制成应变片。 3) 半导体应变片:应用 单晶硅半导体的压阻效应制成的应变片。 (3) 应变测试系统 应变测试系统由 应变片、数据采集器和应变测试软件等构成。 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 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。 测功机 法; ; 校正 过的直流电机 法; ; 转矩仪法 法; 电阻 应变法等。 6. 温度的测量 检温计: 热电阻、热电偶和半导体热敏电阻等。 7. 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 安全链中 。 图6-20 Pt100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、故障监测和数据记录。 塔 基操作面板 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 机组调试和 检修 手动必须在 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 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 控制系统设计涉及的范围: 主控系统软硬件设计; 变距系统软硬件设计; 变流系统设计; 通讯链路设计(本机和风场); 防雷及布线设计; 安全系统设计(安全链及故障处理); 外围传感设计 3.11 控制系统的设计原则 105/15 控制系统设计原则: 高安全性 高可靠性 最大电能输出(叶片和最大风能捕获) 降低动载荷 (优化设计) 易于扩展 (不同需要之间的灵活选择) 便于维护 (远程诊断,故障追忆) 3.11控制系统的设计原则


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