風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行系統(tǒng)的使用手冊(cè)

1、FD77-1500-III風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 控制系統(tǒng)使用手冊(cè) 編號(hào)：CPCQ019 SM-01 共 21 頁(yè) 第 1 頁(yè)FD77-1500-III風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)使用手冊(cè)資料來(lái)源編制校對(duì)提出部門(mén)標(biāo)準(zhǔn)化審核常州軌道車(chē)輛牽引傳動(dòng)工程技術(shù)研究中心批準(zhǔn)標(biāo)記處數(shù)更改文件號(hào)簽 字日 期職責(zé)簽 字日 期 本使用手冊(cè)屬于FD77-1500-III風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的一部分，除此之外還包括人機(jī)界面使用手冊(cè)，變流器使用手冊(cè)和變槳系統(tǒng)使用手冊(cè)。目 錄1 控制器介紹41.1 系統(tǒng)功能描述51.2 FD77-1500-III風(fēng)機(jī)控制器基本參數(shù)62 控制柜上的操作元件72.1 塔筒柜的操作元件82.2 塔筒柜的開(kāi)關(guān)

2、器件102.3 機(jī)艙柜的操作元件122.4 機(jī)艙柜的開(kāi)關(guān)器件132.5 機(jī)艙柜主電源開(kāi)關(guān)153 運(yùn)行過(guò)程163.1 空轉(zhuǎn), 起動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行163.2 監(jiān)督控制173.2.1 啟動(dòng)過(guò)程173.2.2 關(guān)閉過(guò)程183.2.3 速度范圍和觸發(fā)等級(jí)193.2.4 過(guò)功率觸發(fā)等級(jí)193.2.5 電網(wǎng)故障和電氣故障193.2.6 偏航控制策略和故障觸發(fā)203.2.7 變槳系統(tǒng)描述和故障模式211 控制器介紹1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)，其中包括塔筒柜和機(jī)艙柜。由塔筒柜、機(jī)艙柜組成的主控系統(tǒng)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的心臟，由DCS分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念而來(lái)。顧名思義塔筒柜放置于塔筒底部、機(jī)艙柜位于機(jī)艙之中，

3、每個(gè)部分都各司其職同時(shí)又相互通訊共同構(gòu)成了風(fēng)機(jī)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大腦，將主控制器功能分解細(xì)化后分別規(guī)定其功能，有利于系統(tǒng)控制的高效、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、可靠同時(shí)也便于系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。圖1 風(fēng)機(jī)各控制部分布置圖1塔筒柜、2機(jī)艙柜、3變槳控制柜、4 變流器1.1 系統(tǒng)功能描述控制系統(tǒng)的總體功能包括發(fā)電控制，風(fēng)機(jī)所需要的力矩和槳距角的實(shí)時(shí)計(jì)算，系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視控制，安全系統(tǒng)功能等。機(jī)艙柜功能：采集傳感器信號(hào)，執(zhí)行主控系統(tǒng)的I/O功能；包括Bachmann的PLC，接觸器，熱繼電器，過(guò)電壓保護(hù)，空氣斷路器，熔斷器等。塔筒柜功能：執(zhí)行塔底中的一些I/O功能，實(shí)時(shí)計(jì)算風(fēng)機(jī)所需要的力矩和槳距角，與變流器和變槳系統(tǒng)通訊

4、，通過(guò)對(duì)變流器和變槳系統(tǒng)的指令給定來(lái)控制風(fēng)機(jī)的發(fā)電運(yùn)行，同時(shí)接收來(lái)自機(jī)艙柜的PLC傳來(lái)的傳感器的信息，并發(fā)送執(zhí)行命令給機(jī)艙柜的PLC，讓機(jī)艙柜執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。圖2 風(fēng)機(jī)控制器布置圖1.2 FD77-1500-III風(fēng)機(jī)控制器基本參數(shù)最大穩(wěn)定狀態(tài)電功率 1.5MW輪轂高度 80米切入風(fēng)速 3m/s切出風(fēng)速21m/s額定風(fēng)速10.5m/s最小穩(wěn)定狀態(tài)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速11r/min最大穩(wěn)定狀態(tài)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速18.1r/min最小運(yùn)行變槳角度0º最大變槳速度12º/s最小變槳速度 -12º/s2. 控制柜上的操作元件塔筒柜的操作元件圖3 塔筒柜的操作元件2.1 塔筒柜的操作元件操作元件

5、名稱(chēng)功能描述“EMERGENCY STOP”緊停按鈕在出現(xiàn)危險(xiǎn)或緊急情況時(shí)，按下緊停按鈕能立即停止危險(xiǎn)的動(dòng)作或使其失效，從而減輕傷害或避免傷害。 “reset safety loop”復(fù)位安全鏈按鈕復(fù)位按鈕的作用是復(fù)位安全鏈，當(dāng)安全鏈啟動(dòng)時(shí)，為了維持風(fēng)機(jī)的安全狀態(tài)，會(huì)使部分控制信號(hào)失效，復(fù)位按鈕按下會(huì)重新閉合安全鏈。松開(kāi)緊停按鈕，然后按復(fù)位按鈕進(jìn)行安全鏈的復(fù)位，系統(tǒng)才可以重新工作?！皉un off manual”鑰匙開(kāi)關(guān)鑰匙開(kāi)關(guān)有三個(gè)位置點(diǎn)，可以用隨機(jī)的鑰匙操作，位置在“|”處表示“run”即自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于這個(gè)位置時(shí)觸摸屏不能修改參數(shù)。位置在“|”表示“manual”即手動(dòng)運(yùn)行，處于這個(gè)

6、位置可以執(zhí)行觸摸屏的寫(xiě)入操作，可以通過(guò)觸摸屏修改參數(shù)。位置在“0”表示“off”即鑰匙開(kāi)關(guān)不起作用。 “Power”電源指示燈只是起簡(jiǎn)單的指示作用。當(dāng)燈亮?xí)r，表示機(jī)柜供電電源正常。當(dāng)燈不亮?xí)r，表示機(jī)柜沒(méi)有供電?！癛un”運(yùn)行指示燈當(dāng)燈亮?xí)r，表示機(jī)柜運(yùn)行正常。當(dāng)燈不亮?xí)r，表示機(jī)柜有故障。需要有經(jīng)驗(yàn)人員處理?！癕alfunction”故障指示燈當(dāng)燈亮?xí)r，表示有故障。當(dāng)燈不亮?xí)r，表示無(wú)故障。注意：緊停按鈕是在出現(xiàn)危險(xiǎn)或緊急情況時(shí)，能立即停止危險(xiǎn)的動(dòng)作或使其失效，從而減輕傷害或避免傷害，緊急按鈕是安全系統(tǒng)的重要組成部分，不受控制器控制，最大程度的保證人員和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全。緊急按鈕分別設(shè)置在塔筒柜和機(jī)

7、艙柜上，在變流器上也設(shè)置了同樣的保護(hù)措施。只有在人員受到危險(xiǎn)或者風(fēng)機(jī)處于危險(xiǎn)情況時(shí)，按下緊急按鈕會(huì)啟動(dòng)安全鏈，安全系統(tǒng)動(dòng)作，緊急制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)。2.2 塔筒柜的開(kāi)關(guān)器件圖4 塔筒柜的開(kāi)關(guān)器件布置圖塔筒柜的開(kāi)關(guān)器件功能5Q1Woodward MFR13 測(cè)量電壓輸入開(kāi)關(guān)6Q1升降機(jī)開(kāi)關(guān)1F5 1F6備用插座和照明的開(kāi)關(guān)2F2 2F3UPS 插座的開(kāi)關(guān)2F1UPS 輸入電源的開(kāi)關(guān)3F1塔筒柜風(fēng)扇開(kāi)關(guān)3F2 3F3 3F4塔筒柜加熱器開(kāi)關(guān)4F1機(jī)柜溫度控制的電源輸入2F6 2F724V電源開(kāi)關(guān)10F1安全鏈保護(hù)表1 塔筒柜開(kāi)關(guān)器件功能注意：UPS的操作，先把后面的白色的開(kāi)關(guān)合上

8、，再按動(dòng)面板上的“ON”按鈕，直到面板顯示電壓值。2.3 機(jī)艙柜的操作元件 機(jī)艙柜設(shè)置了相同的元件，僅僅多了輪轂燈開(kāi)關(guān)。輪轂燈開(kāi)關(guān)所在位置如圖4所示，用來(lái)控制輪轂內(nèi)的照明。圖5 機(jī)艙柜的操作元件2.4 機(jī)艙柜的開(kāi)關(guān)器件圖6機(jī)艙柜的開(kāi)關(guān)器件布置圖機(jī)艙柜的開(kāi)關(guān)器件功能1Q2 1Q3障礙燈開(kāi)關(guān)1Q4液壓站供電電源2Q1齒輪箱油泵電源2Q2齒輪箱風(fēng)扇電源2Q3吊車(chē)電源3Q1齒輪箱加熱電源5Q1 5Q2 5Q3 5Q4 5Q5 5Q6偏航電機(jī)電源6Q1發(fā)電機(jī)風(fēng)扇電源7Q1 7Q2機(jī)艙風(fēng)扇電源4F6變槳400V主電源開(kāi)關(guān)4F7 4F8400V插座開(kāi)關(guān)7F1主潤(rùn)滑系統(tǒng)電源7F2發(fā)電機(jī)加熱電源8F1 8F2機(jī)

9、艙柜風(fēng)扇電源8F3 8F4 8F5機(jī)艙柜加熱電源9F1機(jī)柜溫度控制器電源10F1備用插座電源開(kāi)關(guān)11F5變槳UPS電源11F7機(jī)艙照明開(kāi)關(guān)12F1齒輪箱碳刷磨損24V電源12F224V電源12F4 12F5 12F6機(jī)艙柜內(nèi)部用24V電源表2 機(jī)艙柜開(kāi)關(guān)器件功能2.5 機(jī)艙柜主電源開(kāi)關(guān)機(jī)艙柜的主電源開(kāi)關(guān)設(shè)置在機(jī)柜側(cè)面，如下圖所示圖7 機(jī)艙柜主電源開(kāi)關(guān)3. 運(yùn)行過(guò)程3.1 空轉(zhuǎn), 起動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在無(wú)障礙的操作準(zhǔn)備情況下處于旋轉(zhuǎn)(等待風(fēng)力)的工作狀態(tài), 也稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)位置。轉(zhuǎn)子以0° 的傾斜角不受制動(dòng)的空轉(zhuǎn)，以便同時(shí)測(cè)出風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)速大于或等于每秒3 米時(shí)，通過(guò)變槳系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉的角

10、度，就可使風(fēng)力發(fā)電設(shè)備獲得最佳的葉尖速比。只要轉(zhuǎn)速一達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，就會(huì)自動(dòng)接通電源:l 風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，在這個(gè)部分負(fù)荷范圍內(nèi)，雙饋異步發(fā)電機(jī)的變流器會(huì)調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩，調(diào)整的方法是根據(jù)轉(zhuǎn)矩的特性曲線來(lái)優(yōu)化功率輸出。l 風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片角度的方式來(lái)限制發(fā)出的功率。在這個(gè)工作范圍里變流器會(huì)把發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩一直保持在額定值。有大風(fēng)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備會(huì)先以轉(zhuǎn)子的加速來(lái)做反應(yīng)，而且會(huì)用調(diào)整葉片角度的方式來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)數(shù)使它達(dá)到額定值每分鐘18.1 轉(zhuǎn),風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在連接電網(wǎng)的發(fā)電狀態(tài)中，用可變的轉(zhuǎn)速和可變的槳葉角運(yùn)行。風(fēng)速太低時(shí)，轉(zhuǎn)子停止不動(dòng)，留在等待旋轉(zhuǎn)的位置，風(fēng)來(lái)時(shí)，它會(huì)自動(dòng)運(yùn)

11、轉(zhuǎn)起來(lái)。3.2 監(jiān)督控制監(jiān)督控制包括風(fēng)機(jī)正常啟動(dòng)和關(guān)閉的過(guò)程，過(guò)速或者過(guò)功率故障，以及邏輯上的變槳或偏航故障。如電網(wǎng)連接失敗，發(fā)電機(jī)和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)直接報(bào)告給控制器，將用“電網(wǎng)故障“來(lái)處理此問(wèn)題。3.2.1 啟動(dòng)過(guò)程啟動(dòng)過(guò)程被設(shè)計(jì)成不會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)載有任何明顯的增加。不要求設(shè)計(jì)的啟動(dòng)過(guò)程帶初級(jí)負(fù)載計(jì)算。3.2.2 關(guān)閉過(guò)程下表列出了幾種不同的發(fā)電機(jī)關(guān)閉過(guò)程。前五種由控制器執(zhí)行，后兩種由安全系統(tǒng)執(zhí)行。停機(jī)程序變槳系統(tǒng)動(dòng)作發(fā)電機(jī)動(dòng)作偏航系統(tǒng)是否繼續(xù)工作軸剎車(chē)是否使用正常停機(jī)功率設(shè)置點(diǎn)降到0，發(fā)電機(jī)斷開(kāi)，速度設(shè)置點(diǎn)降低到0。葉片運(yùn)行在正常的變槳速度上是否緩慢停機(jī)正常變槳速度0功率斷開(kāi)是否快速停機(jī)快

12、速變槳速度0功率斷開(kāi)是否電網(wǎng)故障停機(jī)正常變槳速度電網(wǎng)故障或者其他電氣故障斷開(kāi)否否變槳故障停機(jī)變槳電池組連接0功率斷開(kāi)是否安全系統(tǒng)停機(jī)變槳電池組連接立刻斷開(kāi)否否E-緊停按鈕停機(jī)變槳電池組連接立刻斷開(kāi)否是表3 發(fā)電機(jī)停機(jī)程序我們注意到，正常停機(jī)程序使用功率變槳-速度和轉(zhuǎn)矩-速度控制來(lái)影響關(guān)斷，其它地方的關(guān)斷過(guò)程都是開(kāi)環(huán)的。變槳系統(tǒng)必須能夠達(dá)到12º/s的快速變槳速度，正常變槳速度設(shè)置在5º/s。需要注意的是，我們經(jīng)常使用正常變槳率，而不是快速變槳率，這樣能夠減少負(fù)面的結(jié)構(gòu)負(fù)載的作用力。3.2.3 速度范圍和觸發(fā)等級(jí)控制器能保持瞬時(shí)發(fā)電機(jī)速度低于穩(wěn)定狀態(tài)最大值的105%，高于穩(wěn)定

13、狀態(tài)最小速度值的98%。觀察測(cè)得的速度范圍和觸發(fā)等級(jí)如下表。風(fēng)輪速度(r/m)發(fā)電機(jī)速度(r/m)最小穩(wěn)定狀態(tài)速度11.001100最大穩(wěn)定狀態(tài)速度18.101810最大的期望運(yùn)行速度19.001900軟件過(guò)速故障19.501950安全系統(tǒng)過(guò)速故障20.302030表4 速度范圍和觸發(fā)等級(jí)軟件過(guò)速故障導(dǎo)致快速停機(jī)程序，安全系統(tǒng)過(guò)速故障導(dǎo)致安全系統(tǒng)停機(jī)程序。3.2.4 過(guò)功率觸發(fā)等級(jí)運(yùn)行在IEC61400-1版本2的設(shè)計(jì)公差中的最大瞬時(shí)功率為1635kW。過(guò)功率等級(jí)設(shè)置如下表。過(guò)功率等級(jí)電功率軟件過(guò)功率故障1750 kW安全系統(tǒng)過(guò)功率故障1830 kW表5 功率差錯(cuò)等級(jí)軟件過(guò)功率故障會(huì)導(dǎo)致快速停

14、機(jī)程序。安全系統(tǒng)過(guò)功率故障會(huì)導(dǎo)致安全系統(tǒng)停機(jī)程序。3.2.5 電網(wǎng)故障和電氣故障電網(wǎng)故障或者任何發(fā)電機(jī)和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的故障都會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)故障停機(jī)程序。3.2.6 偏航控制策略和故障觸發(fā)機(jī)艙上安裝有風(fēng)向標(biāo)和機(jī)艙方向傳感器。偏航控制算法在發(fā)電運(yùn)行中，會(huì)監(jiān)視10分鐘內(nèi)的平均偏航誤差，如果超過(guò)8º，就會(huì)指揮偏航系統(tǒng)依0.546º/s驅(qū)動(dòng)15秒（機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)8º）。偏航調(diào)節(jié)完成后，10分鐘的偏航誤差復(fù)位到0。如果發(fā)電機(jī)正在運(yùn)行，3秒內(nèi)的偏航錯(cuò)誤超過(guò)45º，發(fā)電機(jī)將進(jìn)入正常停機(jī)程序。如果偏航控制算法發(fā)現(xiàn)機(jī)艙方向信號(hào)在30秒內(nèi)改變大于10º（明顯長(zhǎng)于期望的時(shí)間10

15、º，0.0546º/s），或者機(jī)艙方向不按照偏航調(diào)節(jié)的要求5秒內(nèi)1º的改變，則它會(huì)提升一個(gè)報(bào)警等級(jí)。3.2.7 變槳系統(tǒng)描述和故障模式各個(gè)葉片都有獨(dú)立的變槳驅(qū)動(dòng)、電機(jī)、軸控制器。三個(gè)獨(dú)立的軸控制器由一個(gè)獨(dú)立的位于發(fā)電機(jī)輪轂的輪轂控制器控制。輪轂控制器接收從塔底控制器的總線傳輸?shù)淖儤嵌纫蟆８鱾€(gè)葉片也裝備了2個(gè)獨(dú)立的變槳角度傳感器，直接連接到輪轂控制器上。軸控制器包括它們自己的傳感器，如變槳電機(jī)的速度，變槳電機(jī)的位置，電流。各個(gè)變槳電機(jī)裝備了變槳?jiǎng)x車(chē)。下表列出了可能變槳故障的范圍，以及詳細(xì)的原因，故障檢測(cè)，控制動(dòng)作，保證變槳特性。故障特征可能原因故障發(fā)現(xiàn)停機(jī)程序相關(guān)的變槳?jiǎng)幼魉腥~片失控變槳通信失敗100ms內(nèi)的通信錯(cuò)誤檢查變槳故障停機(jī)所有的葉片由電池運(yùn)行逐漸減速變槳系統(tǒng)供電故障100ms內(nèi)的變槳系統(tǒng)狀態(tài)檢查發(fā)電機(jī)控制器內(nèi)的變槳控制算法失敗由變槳要求的全面檢查發(fā)現(xiàn)（下面詳細(xì)說(shuō)明）快速停機(jī)所有的葉片運(yùn)行在快速變降速度單葉片失控變槳角度變頻失敗或者軸控制器失敗2個(gè)變槳角度轉(zhuǎn)換之間的差異超過(guò)1º測(cè)量和要求的變槳角度1秒內(nèi)的差異超過(guò)3º變槳故障停機(jī)所有的葉片由電池運(yùn)行逐漸減速單葉