金風1.5兆瓦機組主控制系統(tǒng)工作原理講解

1、金風兆瓦機組主控制系統(tǒng)工作原理講解主要內(nèi)容：一、風力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)的組成二、 風力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)三、PLC模塊的功能及組態(tài)結(jié)構(gòu)四、現(xiàn)場總線profibusDP五、主控系統(tǒng)的功能變槳系統(tǒng)變流系統(tǒng)主控系統(tǒng)整流單元逆變單元控制單元傳感器單元執(zhí)行單元變槳傳感器變槳執(zhí)行器件變槳控制單元變槳備電控制單元濾波單元監(jiān)控系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控軟件總線系統(tǒng)直驅(qū)電控系統(tǒng)組成一、風力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)的組成各個部分之間的關(guān)系二、 風力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu) 金風風力發(fā)電機組的主控系統(tǒng)以德國beckhoff公司生產(chǎn)的嵌入式PLC控制器為核心。PLC控制器主要實現(xiàn)風力發(fā)電機組的過程控制、安全保

2、護、故障檢測、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)顯示以及人工操作，配備有多種通訊接口，能夠?qū)崿F(xiàn)就地通訊和遠程通訊。采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線組網(wǎng)，安全可靠。其中主控系統(tǒng)是機組可靠運行的核心，主要完成數(shù)據(jù)采集及輸入、輸出信號處理；邏輯功能判定；對外圍執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制指令；與機艙柜及變槳控制系統(tǒng)通訊，接收機艙柜及變槳控制系統(tǒng)的信號；與中央監(jiān)控系統(tǒng)通訊、傳遞信息。三、PLC模塊的功能及組態(tài)結(jié)構(gòu)、PLC的基礎(chǔ)知識什么是PLC？ 可編程序控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，國際電工委員會（IEC）于1987年頒布了可編程控制器標準草案第三稿。在草案中對可編程控制

3、器定義如下： “可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計”。 PLC有什么特點？1、通用性強，使用方便； 2、功能強，適應(yīng)面廣； 3、可靠性高，抗干擾能力強 ；4、編程方法簡單，容易掌握 ；5、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維修工作量少，極為方便。控制程序變化方便，具有很好的柔性；6、體積小、重量輕、功耗低。PLC

4、的應(yīng)用1、開關(guān)量邏輯控制 ；2、運動控制 ；3、閉環(huán)過程控制 ；4、數(shù)據(jù)處理 ；5、通訊聯(lián)網(wǎng)PLC的組成PLC由四部分組成 ：中央處理單元（CPU板）、輸入輸出（I/O）部件和電源部件、PLC的工作原理PLC采用分時操作原理，從第一條程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執(zhí)行執(zhí)行程序，直到程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描執(zhí)行，并周而復(fù)始地重復(fù)進行。由于CPU的運算處理速度很快，所以從宏觀上來看，PLC外部出現(xiàn)的結(jié)果似乎是同時完成的。整個過程包括內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理五個階段。PLC執(zhí)行程序的過程 集中采樣： 在一個掃描周期中，對輸入狀態(tài)的采樣只在

5、輸入處理階段進行。當PLC進入程序處理階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入處理階段才對輸入狀態(tài)進行重新采樣。集中輸出： 在用戶程序中如果對輸出結(jié)果多次賦值，則最后一次有效。在一個掃描周期內(nèi)，只在輸出處理階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進行刷新。在其它階段里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。輸入和輸出PLC工作時大多數(shù)時間與外部輸入/輸出設(shè)備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。、PLC輸入和輸出模塊的基本原理 數(shù)字輸入模塊用于連接外部的機械觸點和電子數(shù)字式傳感器，例如二線式光電開關(guān)和接近開關(guān)等。數(shù)字量輸入模塊將從現(xiàn)場傳來的外部數(shù)字信號的電平轉(zhuǎn)換

6、為PLC內(nèi)部的信號電平。輸入電路中一般設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入觸點的抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤輸入信號，輸入電流一般為數(shù)毫安。（如圖所示） 數(shù)字量輸出模塊用于驅(qū)動電磁閥、接觸器、小功率電動機、燈和電動機啟動器等負載。數(shù)字量輸出模塊將CPU內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)化為控制過程所需的外部信號電平，同時有隔離和功率放大的作用。輸出模塊的功率放大元件有驅(qū)動直流負載的大功率晶體管和場效應(yīng)晶體管、驅(qū)動交流負載的雙向晶閘管或固態(tài)繼電器。（如圖所示） 模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，其主要組成是A/D轉(zhuǎn)換器。（如圖所示） 模擬量輸出模塊用于將CPU送給它的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成為比例的

7、電流信號或電壓信號，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是D/A轉(zhuǎn)換器。（如圖所示）、倍福PLC模塊KL9010是K_BUS終端端子(模塊)KL9010總線末端端子可用于總線耦合器和總線端子之間的數(shù)據(jù)交換。每一個站都可在右側(cè)使用KL9010作為總線末端端子?？偩€末端端子不具有任何其它功能或連接能力。機組的主控制器CX1500-M310CX1020CX1100KL9210KL6904KL9010 主控器由CX1500-M310模塊負責DP通訊，由CX1020負責機組程序的邏輯判斷，由CX1100負責CPU的供電及后續(xù)模塊的通訊，由KL9210負責后續(xù)模塊的供電，由KL6904負責安全鏈的判斷

8、和管理。各個功能模塊內(nèi)部的通訊圖 主控制器通過現(xiàn)場總線Profibus-DP與各個子站進行交互通訊，各個功能模塊通過K-Bus總線進行通訊，主CPU通過PC104總線進行內(nèi)部通訊。PC 104總線以太網(wǎng)口1以太網(wǎng)口2CX1020內(nèi)部的通訊結(jié)構(gòu)各個子站內(nèi)部及對外的通訊結(jié)構(gòu)K-Bus總線BC/BK3150Profibus-DP、倍福PLC模塊的組態(tài)運行 在使用工控軟件中，我們經(jīng)常提到組態(tài)一詞，組態(tài)英文是“Configuration”,其意義究竟是什么呢？簡單的講，組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法、完成工程中某一具體任務(wù)的過程。使控制邏輯與硬件相對應(yīng)，組態(tài)與組裝類似。如要組裝一臺電腦，事先提供了

9、各種型號的主板、機箱、電源、CPU、顯示器、硬盤、光驅(qū)等，我們的工作就是用這些部件拼湊成自己需要的電腦。PLC的組態(tài)過程其實就是通過軟件將控制邏輯程序與各個功能模塊的輸入或輸出聯(lián)系起來過程，并生成固定的組態(tài)文件。PLC在運行過程中不斷讀取組態(tài)文件，并按照組態(tài)文件中的規(guī)則 對相應(yīng)的硬件輸入或輸出。輸入/輸出按組態(tài)文件進行四、現(xiàn)場總線Profibus-DP4.1 Profibus-DP定義了三種設(shè)備類型4.2 Profibus-DP單主系統(tǒng)注意：我們的電控系統(tǒng)就是采用的Profibus-DP單主系統(tǒng)。4.3 Profibus-DP多主系統(tǒng)注意：我們的機組一般的通訊速率是3MBit/s,所以總線循環(huán)

10、時間低于10ms。機組的Profibus-DP結(jié)構(gòu)五、主控系統(tǒng)的功能 主控制系統(tǒng)是機組可靠運行的核心，主要完成數(shù)據(jù)采集及輸入、輸出信號處理；邏輯功能判定；對外圍執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制指令；與機艙柜通訊，接收機艙信號，并根據(jù)實時情況進行判斷發(fā)出偏航或液壓站的工作信號；與三個獨立的變槳柜通信，接收三個變槳柜的信號，并對變槳系統(tǒng)發(fā)送實時控制信號控制變槳動作；對變流系統(tǒng)進行實時的檢測，根據(jù)不同的風況對變流系統(tǒng)輸出扭矩要求，使風機的發(fā)電功率保持最佳；與中央監(jiān)控系統(tǒng)通訊、傳遞信息。控制包括機組自動啟動，變流器并網(wǎng)，主要零部件除濕加熱，機艙自動跟蹤風向，液壓系統(tǒng)開停，散熱器開停，機艙扭纜和自動解纜，電容補償和電容

11、濾波投切以及低于切入風速時自動停機。5.1 機組幾種主要動作關(guān)系圖5.2 啟動和并網(wǎng)控制 風力發(fā)電機的起動和并網(wǎng)過程如下：由風向傳感器測出風向主控制器使偏航驅(qū)動機構(gòu)動作，從而使風力發(fā)電機組對準風向。同時檢測風速（只要有風發(fā)電機轉(zhuǎn)子就有轉(zhuǎn)動，隨著風速的增加發(fā)電機的感應(yīng)電壓也逐步增加，即電機端電壓逐步升高），當風速超過切入風速時，機組開始啟動，當機組達到一定條件時，通過全功率變流器控制的功率模塊和變流器網(wǎng)側(cè)電抗器、電容器的LC濾波作用使系統(tǒng)輸出電壓等于電網(wǎng)電壓、頻率也達到并網(wǎng)條件，同時檢測電網(wǎng)電壓與變流器網(wǎng)側(cè)電壓之間的相位差，當其為零或相等（過零點）時實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電（這些條件在金風機組里全部通過變流

12、裝置的控制來實現(xiàn)，變流裝置通過鎖相控制和SPWM調(diào)制等使機組輸出達到并網(wǎng)條件）。啟動并網(wǎng)流程5.3 主控系統(tǒng)的控制及安全保護 整個運行過程都處于主控PLC嚴密控制之中。其安全保護系統(tǒng)分三層結(jié)構(gòu)：主控制PLC系統(tǒng)，獨立于PLC的安全鏈，器件本身的保護措施。在機組發(fā)生超常振動、過速、電網(wǎng)異常、出現(xiàn)極限風速等故障時保護機組，對電流、功率等的保護，采用兩套相互獨立的保護機構(gòu)。當電網(wǎng)電壓過高，風速過大等不正常狀態(tài)出現(xiàn)后，電控系統(tǒng)會在系統(tǒng)恢復(fù)正常后自動復(fù)位，機組重新啟動。具體運行過程為：A、當風速持續(xù)10分鐘（可設(shè)置）超過3m/s，風機將自動啟動。葉輪轉(zhuǎn)速大于10轉(zhuǎn)分時并入電網(wǎng)。B、隨著風速的增加，發(fā)電機的出力隨之增加，當風速大于12m/s時，達到額定出力，超出額定風速機組進行恒功率控制（通過變槳控制和變流器的扭矩控制實現(xiàn)）。C、當風速高于22米/秒持續(xù)10分鐘，將實現(xiàn)正常停機（變槳系統(tǒng)控制葉片進行4/s順槳，轉(zhuǎn)速低于切入轉(zhuǎn)速時，風力發(fā)電機組脫網(wǎng)）。D、