风力发电机组的控制与安全系统技术要求.docx

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风力发电机组的控制与安全系统技术要求

第九章风力发电机组的控制与安全系统技术要求

风力发电机组控制系统工作的安全可靠性已成为风力发电系统能否发挥作用，甚至成为风电场长期安全可靠运行的重大问题。

在实际应用过程中，尤其是一般风力发电机组控制与检测系统中，控制系统满足用户提出的功能上的要求是不困难的。

往往不是控制系统功能而是它的可靠性直接影响风力发电机组的声誉。

有的风力发电机组控制系统功能很强，但由于工作不可靠，经常出故障，而出现故障后对一般用户来说维修又十分困难。

于是，这样一套控制系统可能发挥不了它应有的作用，造成不应有的损失。

因此，对于一个风力发电机组控制系统的设计和使用者来说，系统的安全可靠性必须认真加以考虑，必须引起足够的重视。

我们的目的是希望通过控制与安全系统设计，采取必要的手段，使我们的系统在规定的时间内不出故障或少出故障。

并且，在出故障之后能够以最快的速度修复系统使之恢复正常工作。

第一节控制与安全系统的技术要求

一、风力发电机组的运行的控制要求

（一）控制思想

我国风电场运行的机组多数以定桨距失速型机组为主，所谓失速型风力发电机组就是当风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组功率输出不再增加，导致风力发电机组过载，通过空气动力学的失速特性，使叶片发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。

所以，定桨距失速型风力发电机组控制系统控制思想和控制原则以安全运行控制技术要求为主，功率控制由叶片的失速特性来完成。

风力发电机组的正常运行及安全性取决于先进的控制策略和优越的保护功能。

控制系统应以主动或被动的方式控制机组的运行，使系统运行在安全允许的规定范围内，且各项参数保持在正常工

作范围内。

控制系统可以控制的功能和参数包括功率极限、风轮转速、电气负载的连接、起动及停机过程、电网或负载丢失时的停机、纽缆限制、机舱时风、运行时电量和温度参数的限制。

如风力发电机组的工作风速是采用BIN法计算10min平均值确定小风脱网风速和大风切出风速，每个参数极限控制均采用回差法，上行点和下行点不同，视实际运行情况而定。

对于变桨距风力发电机组与定桨距恒速型风力发电机组控制方法略有不同，即功率调节方式不同，它采用变桨距方式改变风轮能量的捕获，从而使风力发电机组的输出功率发生变化，最终达到限制功率输出的目的。

保护环节以失效保护为原则进行设计，当控制失败，内部或外部故障影响，导致出现危险情况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。

在下列情况系统自动执行保护功能：

超速、发电机过载和故障、过振动、电网或负载丢失、脱网时的停机失败等。

保护环节为多级安全链互锁，在控制过程中具有逻辑“与”的功能，而在达到控制目标方面可实现逻辑“或”的结果。

此外，系统还设计了防雷装置，对主电路和控制电路分别进行防雷保护。

控制线路中每一电源和信号输入端均设有防高压元件，主控柜设有良好的接地并提供简单而有效的疏雷通道。

（二）自动运行的控制要求

1.开机并网控制当风速10min平均值在系统工作区域内，机械闸松开，叶尖复位，风力作用于风轮旋转平面上，风力发电机组慢慢起动，当发电机转速大于20%的额定转速持续5%，转速仍达不到60%额定转速，发电机进入电网软拖动状态，软拖方式视机组型号而定。

正常情况下，风力发电机组转速连续增高，不必软拖增速，当转速达到软切转速时，风力发电机组进入软切入状态；当转速升到发电机同步转速时，旁路主接触器动作，机组并入电网运行。

对于有大、小发电机的失速型风力发电机组，按风速范围和功率的大小，确定大、小电机的投入。

软切入控制方式确定参照本章第二节第四条，但大电机和小电机的发电工作转速不一致，通常为1000r/min和1500r/min，在小电机脱网，大电机并网的切换过程中，要求严格控制，通常必须在几秒内完成控制。

2.小风和逆功率脱网小风和逆功率停机是将风力发电机组停在待风状态，当10min平均风速小于小风脱网风速或发电机输出功率负到一定值后，风力发电机组不允许长期在电网运行，必须脱网，处于自由状态，风力发电机组靠自身的摩擦阻力缓慢停机，进入待风状态。

当风速再次上升，风力发电机组又可自动旋转起来，达到并网转速，风力发电机组又投入并网运行。

3.普通故障脱网停机机组运行时发生参数越限、状态异常等普通故障后，风力发电机组进入普通停机程序，机组投入气动刹车，软脱网，待低速轴转速低于一定值后，再抱机械闸，如果是由于内部因素产生的可恢复故障，计算机可自行处理，无需维护人员到现场，即可恢复正常开机。

4.紧急故障脱网停机当系统发生紧急故障如风力发电机组发生飞车、超速、振动及负载丢失等故障时，风力发电机组进入紧急停机程序，机组投入气动刹车的同时执行90°偏航控制，机舱旋转偏离主风向，转速达到一定限制后脱网，低速轴转速小于一定转速后，抱机械闸。

5.安全链动作停机安全链动作停机指电控制系统软保护控制失败时，为安全起见所采取的硬性停机———叶尖气动刹车、机械刹车和脱网同时动作，风力发电机组在几秒内停下来。

6.大风脱网控制当风速10min平均值大于25m/s时，风力发电机组可能出现超速和过载，为了机组的安全，这时风力发电机组必须进行大风脱网停机。

风力发电机组先投入气动刹车，同时偏航90°，等功率下降后脱网，20s后或者低速轴转速小于一定值时，抱机械闸，风力发电机组完全停止。

当风速回到工作风速区后，风力发电机组开始恢复自动对风，待转速上升后，风力发电机组又重新开始自动并网运行。

7.对风控制风力发电机组在工作风速区时，应根据机舱的控制灵敏度，确定每次偏航的调整角度。

用两种方法判定机舱与风向的偏离角度，根据偏离的程度和风向传感器的灵敏度，时刻调整机舱偏左和偏右的角度。

8.偏转900对风控制风力发电机组在大风速或超转速工作时，为了风力发电机组的安全停机，必须降低风力发电机组的功率，释放风轮的能量。

当10min平均风速大于25m/s或风力发电机组转速大于转速超速上限时，风力发电机组作偏转90°控制，同时投入气动刹车，脱网，转速降下来后，抱机械闸停机。

在大风期间实行90°跟风控制，以保证机组大风期间的安全。

9.功率调节当风力发电机组在额定风速以上并网运行时，对于失速型风力发电机组由于叶片的失速特性，发电机的功率不会超过额定功率的15%。

一旦发生过载，必须脱网停机。

对于变桨距风力发电机组，必须进行变距调节，减小风轮的捕风能力，以便达到调节功率的目的，通常桨距角的调节范围在-2°-86°。

10.软切入控制风力发电机组在进入电网运行时，必须进行软切人控制，当机组脱离电网运行时，也必须软脱网控制。

利用软并网装置可完成软切入/出的控制。

通常软并网装置主要由大功率晶闸管和有关控制驱动电路组成。

控制目的就是通过不断监测机组的三相电流和发电机的运行状态，限制软切入装置通过控制主回路晶闸管的导通角，以控制发电机的端电压，达到限制起动电流的目的。

在电机转速接近同步转速时，旁路接触器动作，将主回路晶闸管断开，软切入过程结束，软并网成功。

通常限制软切入电流为额定电流的1.5倍。

（三）控制保护要求

1.主电路保护在变压器低压侧三相四线进线处设置低压配电低压断路器，以实现机组电气元件的维护操作安全和短路过载保护，该低压配电低压断路器还配有分动脱扣和辅动触点。

发电机三相电缆线入口处，也设有配电自动空气断路器，用来实现发电机的过电流、过载及短路保护。

2.过电压、过电流保护主电路计算机电源进线端、控制变压器进线端和有关伺服电动机进线端，均设置过电压、过电流保护措施。

如整流电源、液压控制电源、稳压电源、控制电源一次侧、调向系统、液压系统、机械闸系统、补偿控制电容都有相应的过电流、过电压保护控制装置。

3.防雷设施及熔丝主避雷器与熔丝，合理可靠的接地线为系统主避雷保护，同时控制系统有专门设计的防雷保护装置。

在计算机电源及直流电源变压器一次侧，所有信号的输入端均设有相应的瞬时超电压和过电流保护装置。

4.热继电保护运行的所有输出运转机构如发电机、电动机、各传动机构的过热、过载保护控制装置。

5.接地保护由于设备因绝缘破坏或其他原因可能引起出现危险电压的金属部分，均应实现保护接地。

所有风力发电机组的零部件、传动装置、执行电动机、发电机、变压器、传感器、照明器具及其他电器的金属底座和外壳；电气设备的传动机构；塔架机舱配电装置的金属框架及金属门；配电、控制和保护用的盘（台、箱）的框架；交、直流电力电缆的接线盒和终端盒金属外壳及电缆的金属保护层和窜线的钢管；电流互感器和电压互感器的二次线圈；避雷器、保护间隙和电容器的底座、非金属护套信号线的1—2根屏蔽芯线；上述都要求保护接地。

二、控制安全系统安全运行的技术要求

控制与安全与系统是风力发电机组安全运行的大脑指挥中心，控制系统的安全运行就是保证了机组安全运行，通常风力发电机组运行所涉及的内容相当广泛就运行工况而言，包括起动、停机、功率调解、变速控制和事故处理等方面的内容。

风力发电机组在起停过程中，机组各部件将受到剧烈的机械应力的变化，而对安全运行起决定因素是风速变化引起的转速的变化。

所以转速的控制是机组安全运行的关键。

风力发电机组的运行是一项复杂的操作，涉及的问题很多，如风速的变化、转速的变化、温度的变化、振动等都是直接威胁风力发电机组的安全运行。

（一）控制系统安全运行的必备条件

1）风力发电机组开关出线侧相序必须与并网电网相序一致，电压标称值相等，三相电压平衡。

2）风力发电机组安全链系统硬件运行正常。

3）调向系统处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行的状态。

4）制动和控制系统液压装置的油压、油温和油位在规定范围内。

5）齿轮箱油位和油温在正常范围。

6）各项保护装置均在正常位置，且保护值均与批准设定的值相符。

7）各控制电源处于接通位置。

8）监控系统显示正常运行状态。

9）在寒冷和潮湿地区，停止运行一个月以上的风力发电机组再投入运行前应检查绝缘，合格后才允许起动。

10）经维修的风力发电机组控制系统在投入起动前，应办理工作票终结手续。

（二）风力发电机组工作参数的安全运行范围

1.风速自然界风的变化是随机的没有规律的，当风速在3-25m/s的规定工作范围时，只对风力发电机组的发电有影响，当风速变化率较大且风速超过25m/s以上时，则对机组的安全性产生威胁。

2.转速风力发电机组的风轮转速通常低于40r/min，发电机的最高转速不超过额定转速的20%，不同型号的机组数字不同。

当风力发电机组超速时，对机组的安全性产生严重威胁。

3.功率在额定风速以下时，不作功率调节控制，只有在额定风速以上应作限制最大功率的控制，通常运行安全最大功率不允许超过设计值20%。

4.温度运行中风力发电机组的各部件运转将会引起温升，通常控制器环境温度应为0-30℃，齿轮箱油温小于120℃，发电机温度小于150℃，传动等环节温度小于70℃。

5.电压发电电压允许的范围在设计值的10%，当瞬间值超过额定值的30%时，视为系统故障。

6.频率机组的发电频率应限制在50Hz±1Hz，否则视为系统故障。

7.压力机组的许多执行机构由液压执行机构完成，所以各液压站系统的压力必须监控，由压力开关设计额定值确定，通常低于100HPa

（三）系统的接地保护安全要求

1）配电设备接地。

变压器、开关设备和互感器外壳、配电柜、控制保护盘，金属构架、防雷设施及电缆头等设备必须接地。

2）塔筒与地基接地装置，接地体应水平敷设。

塔内和地基的角钢基础及支架要用截面25mm×4mm的扁钢相连作接地干线，塔筒做一组，地基做一组，两者焊接相连形成接地网。

3）接地网形式以闭合型为好。

当接地电阻不满足要求时，引入外部接地体。

4）接地体的外缘应闭合，外缘各角要作成圆弧形，其半径不宜小于均压带间距的一半，埋设深度应不小于0.6m，并敷设水平均压带。

5）变压器中线点的工作接地和保护地线，要分别与人工接地网连接。

6）避雷线宜设单独的接地装置。

7）整个接地网的接地电阻应小于4Ω。

8）电缆线路的接地。

当电缆绝缘损坏时，在电缆的外皮、铠甲及接线头盒均可能带电，要求必须接地。

9）如果电缆在地下敷设，两端都应接地。

低压电缆除在潮湿的环境须接地外，其他正常环境不必接地。

高压电缆任何情况都应接地。

三、控制与安全系统安装和维护的技术要求

（一）一般安全守则

1）维修前机组必须完全停止下来，各维修工作按安全操作规程进行。

2）工作前检查所有维修用设备仪器，严禁使用不符合安全要求的设备和工具。

3）各电器设备和线路的绝缘必须良好，非电工不准拆装电器设备和线路。

4）严格按设计要求进行控制系统硬件和线路安装，全面进行安全检查。

5）电压、电流、断流容量、操作次数、温度等运行参数应符合要求。

6）设备安装好后，试运转合闸前，必须对设备及接线仔细检查，确认无问题时方可合闸。

7）操作刀闸开关和电气分合开关时，必须带绝缘手套，并要设专门人员监护。

电动机、执行机构进行实验或试运行时，也应有专人负责监视，不得随意离开。

如发现异常声音或气味时，应立即停止机器切断电源进行检查修理。

8）安装电机时，必须检查绝缘电阻是否合格，转动是否灵活，零部件是否齐全，同时必须安装接地线。

9）拖拉电缆应在停电情况下进行，若因工作需要不能停电时，应先检查电缆有无破裂之处，确认完好后，带好绝缘手套才能拖拉。

10）带熔断器的开关，其熔丝应与负载电流匹配，更换熔丝必须向拉开刀开关。

11）电器元件应垂直安装，一般倾斜不超过5°，应使螺栓固定在支持物上，不得采用焊接，安装位置应便于操作，手柄与周围建筑物间应保持一定距离，不易被碰坏。

12）低压电器的金属外壳或金属支架必须接地（或接零），电器的裸露部分应加防护罩，双头刀开关的分合闸位置上应有防止自动合闸的位置。

（二）运行前的检查和试验要求

1）控制器内是否清洁，无垢，所安装的电器其型号、规格是否与图纸相符，电器元件安装是否牢靠。

2）用手操作的刀开关、组合开关、断路器等，不应有卡住或用力过大的现象。

3）刀开关、断路器、熔断器等各部分应接触良好。

4）电器的辅助触点的通断是否可靠，断路器等主要电器的通断是否符合要求。

5）二次回路的接线是否符合图纸要求，线段要有编号，接线应牢固、整齐。

6）仪表与互感器的变比与接线极性是否正确。

7）母线连接是否良好，其支持绝缘子、夹持件等附件是否牢固可靠。

8）保护电器的整定值是否符合要求，熔断器的熔体规格是否正确，辅助电路各元件的节点是否符合要求。

9）保护接地系统是否符合技术要求，并应有明显标记。

表计和继电器等二次元件的动作是否准确无误。

10）用欧姆表测量绝缘电阻值是否符合要求，并按要求作耐压试验。

（三）控制与安全系统运行的检查

1）保持柜内电器元件的干燥、清洁。

2）经常注意柜内各电器元件的动作顺序以是否正确、可靠。

3）运行中特别注意柜中的开断元件及母线等是否有温升过高或过热、冒烟、异常的声音及不应有的的放电等不正常现象，如发现异常，应及时停电检查，并排除故障，并避免事故的扩大。

4）对断开、闭合次数较多的断路器，应定期检查主触点表面的烧损情况，并进行维修。

断路器每经过一次断路电流，应及时对其主触点等部位进行检查修理。

5）对主接触器，特别是动作频繁的系统，应及时检查主触点表面，当发现触点严重烧损时，应及时更换不能继续使用。

6）定期检查接触器、断路器等电器的辅助触点及电器的触点，确保接触良好。

定期检查电流继电器、时间继电器、速度继电器、压力继电器等整定值是否符合要求，并作定期整定，平时不应开盖检修。

7）定期检查各部位接线是否牢靠及所有紧固件有无松动现象。

8）定期检查装置的保护接地系统是否安全可靠。

9）经常检查按钮、操作键是否操作灵活，其接触点是否良好。

第二节风力发电机组控制系统的结构原理

一、风力发电机组的控制目标

风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装置，风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程，在考虑风力发电机组控制系统的控制目标时，应结合它们的运行方式重点实现以下控制目标：

1.控制系统保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送人电网。

2.控制系统采用计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管理和控制。

3.利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制，定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因数补偿控制，对变桨距风力发电机组主要进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制。

4.大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能软切入自动并网，保证电流冲击小于额定电流。

当风速在4-7m/s之间，切入小发电机组（小于300kW）并网运行，当风速在7-30m/s之间，切人大发电机组（大于500kW）并网运行。

主要完成下列自动控制功能：

1）大风情况下，当风速达到停机风速时，风力发电机组应叶尖限速脱网抱液压机械闸停机，而且在脱网同时，风力发电机组偏航90°。

停机后待风速降低到大风开机风速时，风力发电机组又可自动并人电网运行。

2）为了避免小风时发生频繁开、停机现象，在并网后10min内不能按风速自动停机。

同样，在小风自动脱网停机后，5min内不能软切并网。

3）当风速小于停机风速时，为了避免风力发电机组长期逆功率运行，造成电网损耗，应自动脱网，使风力发电机组处于自由转动的待风状态。

4）当风速大于开机风速，要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风。

跟风精度范围±15°。

5）风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下，应该松开机械闸，其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。

6）风力发电机组的叶尖闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放，起平稳刹车作用。

其余时间（运行期间、正常和故障停机期间）均处于归位状态。

7）在大风停机和超速停机的情况下，风力发电机组除了应该脱网、抱闸和甩叶尖闸停机外，还应该自动投入偏航控制，使风力发电机组的机舱轴心线与风向成一定的角度，增加风力发电机组脱网的安全度，待机舱转约90°后，机舱保持与风向偏90°跟风控制，跟风范围±15°。

8）在电网中断、缺相和过电压的情况下，风力发电机组应停止运行，此时控制系统不能供电。

如果正在运行时风力发电机组遇到这种情况，应能自动脱网和抱闸停机，此时偏航机构不会动作，风力发电机组的机械结构部分应能承受考验。

9）风力发电机组塔架内的悬挂电缆只允许扭转±2.5圈，系统已设计了正/反向扭缆计数器，超过时自动停机解缆，达到要求后再自动开机，恢复运行发电。

10）风力发电机组应具有手动控制功能（包括远程遥控手操），手动控制时“自动”功能应该解除，相反地投入自动控制时，有些“手动”功能自动屏蔽。

11）控制系统应该保证风力发电机组的所有监控参数在正常允许的范围内，一旦超过极限并出现危险情况，应能自动处理并安全停机。

二、控制系统主要参数

1.主要技术参数

1）主发电机输出功率（额定）  Pe（kW）

2）发电机最大输出功率     1.2Pe（kW）

3）工作风速范围        4-25m/s

4）额定风速          Ve（m/s）

5）切攻风速（1min平均值）   4m/s

6）切出风速（1min平均值）   25m/s

7）风轮转速          N（r/min）

8）发电机并网转速       1000/1500+20r/min

9）发电机输出电压       V±10%

10）发电机发电频率       50Hz±0.5Hz

11）并网最大冲击电流（有效值） ＜1.51e

12）电容补偿后功率因数     0.6-0.92

2.控制指标及效果

1）方式            专用微控制器

2）过载开关          ＜690V，660A

3）自动对风偏差范围      ±15°

4）风力发电机组自动起、停时间 ＜60s

5）系统测试精度        ≥0.5%

6）电缆缠绕2.5圈自动解缆

7）解缆时间55min

8）手动操作响应时间      ＜5s

3.保护功能

1）超电压保护范围        连续30s＞1.3Ue（V）

2）欠电流保护范围        连续30s＜1.3Ie（A）

3）风轮转速极限         ＜40r/min

4）发电机转速极限        ＜1800r/min

5）发电机过功率保护值      连续60s＞1.2Pe（kW）

6）发电机过电流保护值      连续30＞1.51e（A）

7）大风保护风速         连续600s＞25m/s

8）系统接地电阻         ＜4Ω

9）防雷感应电压         ＞3500V

三、恒速恒频风力发电机组控制系统组成

控制系统组成框图，如图9-1所示。

这是定桨距双速发电机型机组控制系统的组成，对于变桨距风力发电机组只是发电机软切人控制略有区别。

控制系统由微机控制器（包括监控显示运行控制器、并网控制器、发电机功率控制器）、运行状态数据监测系统、控制输出驱动电路模板（输出伺服电动机、液压伺服机构、机电切换装置）等系统组成。

主要有空气断路器、控制切换接触器、过电流、过电压及避雷保护器件、电流、电压及温度的变换电路、发电机并网控制装置、偏航控制系统、相位补偿系统、停机制动控制装置。

传感信号主要由信号接口电路完成，它们向计算机控制器提供电气隔离标准信号。

这些信号有模拟量20点、开关量60多点、频率量10多点，信号的电压和电流范围一般为工业标准信号。

1.控制系统输入信号系统监测的参数有三相电压、三相电流、电网频率、功率因数、输出功率、发电机转速、风轮转速、发电机绕组温度、齿轮箱油温、环境温度、控制板温度、机械制动闸片磨损及温度、电缆扭绞、机舱振动、风速仪和风向标等。

为了得到系统运行的情况，系统还需监测各接触器的开关、液压阀压力状况、偏航运作和按键输入等情况。

而控制系统输出控制的是并网晶闸管触发、相补偿、旁路接触器的开合、空气断路器的开合、空气制动、机械制动和偏航。

这些控制输出都需要状态反馈，所以系统的输入量包括20多点模拟量、10点频率量、60多点开关量。

他们主要为系统的模拟输入量：

发电机和电网的三相电压、三相电流和发电机绕组温度、齿轮箱油温、环境温度、传动机构等旋转机构的热升温度；频率输入量有风轮转速、发电机转速、风速仪、风向仪，偏航正反向计数、扭缆正反向计数等；开关输入量主要有按键信号16个、制动闸片磨损、制动闸片热、风向标0°、风向标90°、偏