Z82-2000機組技術規(guī)范

Z82-2000機組技術規(guī)范1總體設計方案湘電Z82-2000風力發(fā)電機組采用水平軸、三葉片、上風向、變槳距調(diào)節(jié)、直接驅(qū)動、永磁同步發(fā)電機并網(wǎng)、低溫運行的總體設計方案，如圖2所示。其優(yōu)點如下：圖2Z82-2000直驅(qū)風電機組圖2Z82-2000直驅(qū)風電機組風機適合于Ⅱ類風區(qū)使用，發(fā)電量高于其它同類風機，經(jīng)濟效益明顯；由于傳動系統(tǒng)部件的減少，提高了風力發(fā)電機機組的可靠性和可利用率；永磁發(fā)電技術及變速恒頻技術的采用提高了風電機組的效率；機械傳動部件的減少降低了風力發(fā)電機組的噪音；可靠性的提高降低了風力發(fā)電機組的運行維護成本；變流器以及升壓變壓器均設置在機艙內(nèi)，有效降低機艙到塔筒底部的電纜成本。機械傳動部件的減少降低了機械損失，提高了整機效率；利用變速恒頻技術，可以進行無功補償；由于減少了部件數(shù)量，使整機的生產(chǎn)周期大大縮短。該機型采用了多種創(chuàng)新設計技術，與目前國際市場上現(xiàn)有的直接驅(qū)動機型相比，具有以下優(yōu)點：發(fā)電機效率高，變速范圍寬(6rpm-19rpm)；無勵磁損失；無碳刷和滑環(huán)，減少了維護量，提高了可利用率；發(fā)電機結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸??；變槳系統(tǒng)采用無刷交流電機，電容作為后備電源，壽命長，免維護；變頻裝置采用經(jīng)過驗證的成熟技術，諧波分量低；機艙結(jié)構(gòu)設計采用了人性化設計方案，盡可能地方便運行人員檢查維修，在設計中加入爬升助力機構(gòu)，使運行人員在維護過程中攀登梯子時變得格外輕松。特別針對于低溫地區(qū)對風機的運行要求，我們采取了如下措施：金屬結(jié)構(gòu)件按照低溫型技術規(guī)范，材料選用適應低溫環(huán)境的鋼材。法蘭、塔筒及關鍵焊接結(jié)構(gòu)件采用Q345E低合金高強鋼材料、輪轂等大型鑄件采用EN-GJS-350-22U-LT材料，低溫沖擊功在-40℃時至少達到27J。制動系統(tǒng)的介質(zhì)油采用耐低溫油品：變槳驅(qū)動齒輪箱、偏航驅(qū)動齒輪箱等采用低溫齒輪油。如殼牌T15，可耐-40℃～+160℃，殼牌T32，可耐-40℃～+240℃。潤滑系統(tǒng)采用低溫潤滑脂：變槳軸承、變槳驅(qū)動、偏航軸承、偏航驅(qū)動總成及主軸承的潤滑脂采用gleitmo585K，其最低運行溫度可以達到-57℃。主要電纜電線采用硅膠電纜：硅橡膠則在-60度-70度時仍具有較好的彈性，某些特殊配方的硅橡膠還可承受極低溫度。同時硅橡膠還具有很高的電阻率，在很寬的溫度和頻率范圍內(nèi)其阻值保持穩(wěn)定，硅橡膠對高壓電暈放電和電弧放電具有很好的抵抗性。電纜電線接頭不采用錫焊，而采用壓接方式：錫材料在低溫時容易產(chǎn)生脆化開裂，影響機械強度及導電可靠性；而壓接方式在低溫下仍能很好地保證連接的機械強度及導電可靠性。關鍵系統(tǒng)自帶加熱器。用于測風速及風向的氣象站、變頻器、主控柜、機艙控制柜、輪轂控制柜、冷卻控制柜等自帶有電加熱器，可以保證其在低溫環(huán)境下各個系統(tǒng)仍能正常工作。Z系列機組已經(jīng)過日本北海道(其中Z82型2臺)、芬蘭、內(nèi)蒙卓資地區(qū)的實際運行，通過了長時間低溫考驗，完全能夠適用于-40℃低溫環(huán)境使用要求。2Z82/2000部件描述直驅(qū)式風力發(fā)電機組由于沒有齒輪箱，零部件數(shù)量相對傳統(tǒng)風電機組要少得多。Z82-2000機組主要部件包括：葉輪葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)、發(fā)電機、偏航系統(tǒng)、變頻器、控制系統(tǒng)、升壓變壓器、測風系統(tǒng)、塔架等，如圖3所示。圖3湘電Z82-2000直驅(qū)風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖3湘電Z82-2000直驅(qū)風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)2.1葉輪根據(jù)空氣動力學最佳效率和對污物的最低敏感度原則，采用真空注入技術用玻璃鋼/環(huán)氧樹脂通過特殊工藝研制而成。每一葉片重量為6450公斤，葉片長度為40.0米(按外部葉片底部直徑為1.9米)，最大弦長3.1米，共三片。葉片上裝有一個集成防雷保護系統(tǒng)。葉片表面漆有國際通用的航空標志。圖4葉輪2.2發(fā)電機發(fā)電機是一多極永磁發(fā)電機，直接安裝在輪轂上。磁鐵提供轉(zhuǎn)子勵磁，所以不需要外勵磁場，與帶外勵磁場的繞線轉(zhuǎn)子比較，發(fā)電機的損耗可降低25%。定子外部裝有冷卻風扇，由空氣冷卻。定子繞組用真空壓力浸漆(VPI)。發(fā)電機通有經(jīng)過濾的干燥循環(huán)空氣,保證了發(fā)電機內(nèi)的溫度均勻，當密封處稍有泄漏時，保證發(fā)電機的內(nèi)部為正壓，因此灰塵和鹽霧不可能進入到發(fā)電機內(nèi)。發(fā)電機的重量為53噸，外形尺寸為φ3.9m×2.0m。圖5發(fā)電機2.3主軸承特殊設計的大直徑三列圓柱滾子軸承。其非轉(zhuǎn)動內(nèi)環(huán)與發(fā)電機定子相連，轉(zhuǎn)動外環(huán)安裝在輪轂和發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間。軸承可承受軸向、徑向負荷以及彎矩。軸承配有一個全自動化的潤滑系統(tǒng)，該系統(tǒng)由風機控制器監(jiān)控。圖6主軸承2.4變頻器Z82/2000采用變槳變速系統(tǒng)，并使用永磁同步發(fā)電機來提供高效、高品質(zhì)電源。發(fā)電機產(chǎn)生的變頻電能經(jīng)整流、逆變成恒定頻率(交流-直流-交流變換)的交流電，然后饋入電網(wǎng)。為使諧波電流最小、頻率和電壓穩(wěn)定，采用全功率變頻器。變頻器按照風機輸出功率與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關系來控制風機的功率；并使功率穩(wěn)定在額定值(當風速大于額定值時)。葉輪的旋轉(zhuǎn)速度由槳距控制并保在特定的范圍內(nèi)，變頻器和槳距控制作為一個“主-從”系統(tǒng)，無功功率是可控的，標準設定至0(cosφ=1)。設置的UPS系統(tǒng)能保證風機在電網(wǎng)電壓跌落200msec的情況下，仍能正常運行。對于電網(wǎng)運營商來說，這些特性是非常重要的。圖72MW變頻器圖72MW變頻器2.5塔筒機艙安裝在鋼制管狀塔筒上，塔筒為全防腐蝕保護。通過機艙底板上設置的鉸鏈式安全門，可從塔筒進入機艙。塔筒內(nèi)配有多級爬梯、休息平、照明系系統(tǒng)。塔筒由四段構(gòu)成。根據(jù)標準，塔筒通過地基周圍的接地回路與大地相連，根據(jù)土壤的情況，接地系統(tǒng)可適當調(diào)整以適應土壤條件。

圖8塔筒2.6輪轂輪轂是風電機組的關鍵部件之一，聯(lián)接風機葉片和發(fā)電機轉(zhuǎn)子，在風力作用下與葉片一起帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，為發(fā)電機工作提供動力。圖9輪轂2.6.1輪轂的主要功能連接葉片、變槳控制、正常停機；連接發(fā)電機轉(zhuǎn)子、緊急制動和停機鎖定。2.6.2輪轂主要組成部份和作用變槳裝置變槳裝置主要由帶PTC保護和計數(shù)裝置的直流伺服電機、變速箱、嚙合齒輪、齒輪潤滑器等組成。三個變槳驅(qū)動配有行星齒輪箱，通過小齒輪與葉片軸承的內(nèi)圈相嚙合來驅(qū)動葉片。驅(qū)動器通過伺服整流器推動，用于變槳控制和正常停機，并且直接通通過蓄電池進行緊急停機。通過速度和角度傳感器所接受的信息傳遞給PLC處理后反饋給執(zhí)行機構(gòu)，從而達到變槳的自動控制。圖10圖10變槳系統(tǒng)滑環(huán)裝置主要由滑環(huán)、碳刷、電纜、檢測葉輪轉(zhuǎn)速的編碼器、支架等組成。它能夠?qū)碜詸C艙的電能和電信號傳遞到轉(zhuǎn)動的輪轂中。潤滑脂裝置潤滑裝置主要由脂泵、分配器、管路、油嘴等組成。輪轂內(nèi)的潤滑系統(tǒng)自動潤滑變槳軸承和變槳齒輪。制動和鎖緊裝置輪轂部分的制動和鎖緊裝置分兩塊。1)葉片的制動和鎖緊：葉片的制動主要是由裝在伺服電機上的剎車裝置來完成，在風機正常運行和葉片變槳過程中由剎車裝置保證葉片處于正確的位置；葉片的鎖緊由安放在葉輪輪轂和葉片軸承之間的鎖緊裝置來完成，在維護葉片和輪轂期間,葉片變槳機械裝置上的旋轉(zhuǎn)裝置必須鎖緊。2)輪轂(轉(zhuǎn)子)的制動和鎖緊：轉(zhuǎn)子的制動和鎖緊裝置主要由稀油液壓站，管路、盤式制動執(zhí)行機構(gòu)、液壓鎖緊銷等組成。風機運行過程中，當平均風速高于12m/s或瞬時風速超過18m/s時，輪轂處于制動或鎖緊狀態(tài)。在風機葉輪里進行檢查工作時，必須保證止動銷插上，使輪轂處于鎖緊狀態(tài)。輪轂體輪轂體承載著葉片、葉片軸承、變槳裝置、滑環(huán)裝置及控制柜、潤滑系統(tǒng)、蓄電池組等，并有足夠的空間供工作人員的檢修和維護。輪轂與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子相連，在風力的作用下與葉片和電機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。輪轂體必須有較好的綜合機械性能。根據(jù)風場的氣候條件，我們可提供兩種牌號的輪轂材料：1)球墨鑄鐵EN-GJS-400-18U-LT(歐洲標準)(相當于國內(nèi)QT-400-18)其性能指標如下：抗拉強度---392MPa屈服強度---250MPa延伸率---8.6%-20℃的沖擊值---13.8J2)球墨鑄鐵EN-GJS-350-22U-LT(歐洲標準)(國內(nèi)暫無相應的牌號)其性能指標如下：抗拉強度---355MPa屈服強度---224MPa延伸率----27.0%-40℃的沖擊值---13.8J2.7機艙2.7.1總體說明機艙主體結(jié)構(gòu)由兩大部分構(gòu)成，一部分是一個緊湊的球墨鑄鐵，內(nèi)部裝有偏航系統(tǒng)、維護用的提升機、控制板等；另一部分是箱式焊接結(jié)構(gòu)件，內(nèi)部裝有變頻器、控制器，變頻器冷卻系統(tǒng)等。機艙整體設計簡潔，其外形幾何設計能確保載荷最大限度地轉(zhuǎn)移到塔架上；內(nèi)頂部設有照明裝置，外頂部尾端裝有氣象站；機艙整體裝配重量32噸，外形尺寸11m×2.9m×3.3m。圖11機艙2.7.2偏航裝置圖11機艙偏航系統(tǒng)安裝在機艙內(nèi)部，它能夠根據(jù)安裝在機艙罩頂部的風向標所提供的風的方向信號來調(diào)整葉輪方向。機艙配有自動解纜控制系統(tǒng)，避免扭曲對電纜造成傷害。圖12偏航裝置3Z82/2000控制系統(tǒng)3.1控制系統(tǒng)的主要功能自動及手動起停風機變槳控制偏航控制風速和風向監(jiān)視風機的保護緊急保護多種監(jiān)視功能(風速，風向，發(fā)電機定子溫度，軸承溫度，電池電壓等)數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡輔助功能(注脂泵，伺服制動，基腳鎖定，風冷，升降機等)操作屏界面?zhèn)溆眯铍姵鼐o急防護系統(tǒng)，脫離于控制系統(tǒng)運行，用來對風機進行安全操作3.2控制系統(tǒng)特點穩(wěn)定性：性能強大的PLC系統(tǒng)，具有VxWorks操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡連接：具有標準以太網(wǎng)來進行數(shù)據(jù)處理的PLC系統(tǒng)。精煉性：操作簡單，維護方便。性價比高：采用小型觸摸屏操作?？刂葡到y(tǒng)采用的是bachmann電子公司的PLC模塊及網(wǎng)絡終端。設計符合IEC61400-21標準。3.3控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Z82風電機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖13風電控制系統(tǒng)框圖圖13風電控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)的硬件組成控制系統(tǒng)主要由下列硬件組成：主風電控制系統(tǒng)：安裝在塔基的主控制柜中。它負責所有的事情處理，風機的起停，偏航控制，變槳控制，所有的輔助功能控制，保護、監(jiān)視、調(diào)整葉片，機艙及變頻器工作。風電主控系統(tǒng)包括安裝在主控制柜上的操作屏。機艙控制箱：安裝在機艙內(nèi)，主要完成機艙偏航遠程I/O，機艙輔助功能控制，塔基速度監(jiān)視及發(fā)電機的保護。輪轂控制箱：安裝在輪轂內(nèi)，主要用于輪轂遠程變槳控制，輪轂輔助控制，緊急變槳控制。1)主風電控制系統(tǒng)主要組成部分如下：風電控制系統(tǒng)的中央處理功能PLC；操作界面：本地操作屏，包括按鈕，開關和5.7”LCD觸摸屏；通訊：機艙控制系統(tǒng)箱采用FastBus，光纜連接；ABB變頻器采用CANOpen電纜連接；以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換，PLC、觸摸屏、ABB變頻器采用光纜連成以太網(wǎng)局域網(wǎng)。2)機艙控制箱位于機艙內(nèi),其主要功能如下：本地機艙/輪轂低壓配電/轉(zhuǎn)換機艙和輪轂急停系統(tǒng)本地偏航手動操作連接到PC機，通常在維修/保養(yǎng)作本地操作屏用機艙遠程I/O：偏航控制，包括液壓制動機艙遠程I/O：氣象站機艙遠程I/O：主軸承潤滑系統(tǒng)機艙遠程I/O：偏航軸承潤滑系統(tǒng)機艙遠程I/O：發(fā)電機監(jiān)視機艙遠程I/O：機艙溫度監(jiān)視機艙遠程I/O：煙霧檢測機艙遠程I/O：風冷機艙遠程I/O：故障燈機艙遠程I/O：機座鎖定和維修剎車通訊：連至主風電控制系統(tǒng)的光纖FastBus通訊：連至輪轂控制箱的CANOpen塔基速度檢測及其保護機艙控制箱主要構(gòu)成：PLC站機艙遠程I/O及通訊塔基X-Y加速度傳感器24VDC電源緊急故障繼電器3)輪轂控制箱輪轂控制箱位于輪轂內(nèi)，它包括一個六邊形的箱體，三個分開的部分，每個部分負責一個葉片控制。輪轂控制箱的作用：電池監(jiān)視SBP變槳控制緊急控制模塊ECM獨立的電子過速保護PLC遠程I/O：輪轂速度檢測PLC遠程I/O：變槳控制PLC遠程I/O：變槳軸承注脂PLC遠程I/O：變槳齒輪注脂PLC遠程I/O：輪轂溫度監(jiān)視通訊：通過滑環(huán)與機艙采用CANOpen連接輪轂控制箱的主要組成：24VDC-20A電源3×168VDC/4Ah電池緊急變槳電源MaxiDCD200-25/50變槳驅(qū)動伺服裝置ECM1-ECM3緊急控制模塊變槳控制FTF123超速繼電器獨立的超速繼電器保護4防雷和接地保護4.1標準接地和防雷保護的設計按照以下標準IEC61400-1 風機設計需求委員會草案Ed.3IEC61024-1 建筑物的防雷保護，第1部分：總則可選擇性的符合下面標準，附加的測量也在此文件中進行了描述NEN1014 防雷保護(荷蘭標準)GL-IV-1-7-7 GermanischerLloyd,bookIV,Non-marineTechnology,第1部分-風能,第7章–電氣安裝,第7部分：電保護測量。4.2防雷保護等級及區(qū)域 根據(jù)標準GL-IV-1-7-7，Z系列機組的防雷保護等級為II級，因為塔筒高度超過了60米。根據(jù)標準GL-IV-1-7-7，Z系列機組可劃分幾個防雷保護區(qū)：LPZ0AandLPZ0B葉輪突出部分風機周圍的土壤LPZ1葉輪內(nèi)部防雷導體。氣象站避雷針，鋼結(jié)構(gòu)與機艙相連，導體與機艙接地排連接。輪轂內(nèi)部全金屬結(jié)構(gòu)，與機艙接地排連接。機艙內(nèi)部全金屬結(jié)構(gòu)。塔筒內(nèi)部全金屬結(jié)構(gòu)，連接到基礎接地電極，內(nèi)部分段使用電纜連接。變壓器房 屏蔽，連接到變壓器接地電極。從風機塔筒到變壓器房的電纜屏蔽電纜，屏蔽兩段分別與塔基和變壓器的接地排連接。LPZ2在下面設備內(nèi)的所有電氣輪轂控制箱，包括變槳電機、電纜和傳感器。機艙控制柜，包括偏航電機、電纜和傳感器主風電控制系統(tǒng)B-B變頻器屏蔽測量，金屬套，鎧裝電纜以及過壓保護。所有大的金屬部件直接焊接到接地排上或者直接與塔筒、機艙、輪轂連接。塔筒內(nèi)部各節(jié)法蘭盤使用50mm2的銅導線連接。Z82在不同金屬裸露部分設計了等電位排，以保證各部件的電位差最小。5安全體系標準的防護系統(tǒng)：通過變槳驅(qū)動使槳片與風向一致來停止系統(tǒng)(包括三個隨槳片轉(zhuǎn)動PLC，用以驅(qū)動變槳直流電機)；緊急(備用)防護系統(tǒng)：在標準的防護系統(tǒng)的可靠性不能保證的情況下，由緊急系統(tǒng)帶動三個槳片與風向一致。為每個槳片提供一個DC168V/4Ah蓄電池，用以驅(qū)動直流變槳電機；控制電源及緊急按鈕；UPS電源，DC24V。保證主風電控制系統(tǒng)PLC在電網(wǎng)故障時，非易失存儲器能保存信息。6中央及遠程監(jiān)控系統(tǒng)6.1系統(tǒng)簡介中央及遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用GarradHassan公司的GHSCADA系統(tǒng)。此監(jiān)控系統(tǒng)的設計面向風電機組制造商、風場開發(fā)運行管理人員及投資者。它能最大限度的滿足風場運行的需要，同時具有卓越的分析和報告功能。圖14中央監(jiān)控系統(tǒng)示意圖圖14中央監(jiān)控系統(tǒng)示意圖6.2GHSCADA中央監(jiān)控系統(tǒng)功能控制命令GHSCADA系統(tǒng)允許采用本地或遠程的方式對單個風電機組或風電機組群進行控制。在線數(shù)據(jù)瀏覽用戶可以通過一個圖形用戶接口(GUI)所顯示的表征風場運行狀態(tài)的地圖或一系列表格如風電機組狀態(tài)概覽、氣象站和電網(wǎng)狀態(tài)表來監(jiān)視風場的運行狀態(tài)。GUI提供了連接到指定群組或單元的風場頂層畫面。單元使用圖標表示，圖標表明了單元的型號、名稱以及設備當前狀態(tài)。屏幕風場地圖的背景顯示了云、植物和道路等等。列表畫面則顯示了完整的站點狀態(tài)。畫面中清楚的定義了風電機組、氣象站、電網(wǎng)及當前事件區(qū)域。風電機組的狀態(tài)顯示了風電機組在線、故障、停