风力发电机组主控制系统设计Word文件下载.docx
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2013.07
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名称
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备注
1
0-1
概述
2
0-2
系统简介
3
0-3
系统硬件
11
4
0-4
系统功能
5
0-5
主控制系统软件说明
12
6
0-6
故障及其处理说明
64
1-1概述
风能是一种清洁环保的可再生能源，取之不尽，用之不竭。
随着地球生态保护和人类生存发展的需要，风能的开发利用越来越受到重视。
风力发电机就是利用风能产生电能，水平轴3叶片风力发电机是目前最成熟的机型，它主要是由叶片、轮毂、齿轮箱、发电机、机舱、变频器、偏航装置、刹车装置、控制系统、塔架等组成。
风力发电机的控制技术和伺服传动技术是其核心和关键技术，这与一般工业控制方式不同。
风力发电机组控制系统是一个综合性的控制系统，主要由机舱主控系统、变桨系统、变频控制系统三部分组成，通过现场总线以及以太网连接在一起，各个模块都有独立的控制单元，可独立完成与自身相关的功能（图0-1-1）。
目的是保证机组的安全可靠运行、获取最大风能和向电网提供优质的电能。
图0-1-1
1-2系统介绍
风机的主控系统是整个风力发电机组的核心部件，它主要完成机舱数据采集、判断和处理，检测每个部分传感器是否有故障，通过各类传感器对电网、风况及风机运行参数进行监控，并与变频系统、变桨系统保持数据通讯，根据各方面的数据做出综合分析，发出控制指令，实现系统的启动与停机控制、并网与脱网控制、开桨与收桨控制、偏航与解缆控制、运行数据的采集与统计、远程数据传输、风机远程控制等。
系统主要参数如下：
●控制柜外形尺寸：
1800mm×
1200mm×
400mm
●柜自带照明、加热及除湿系统
●主电源：
690VAC，50Hz
●辅电源：
400VAC，50Hz,230VAC，50Hz
●主控制器硬件：
FCN控制器
●生存温度：
-40℃～+70℃（变化率<
1℃/min）
●工作温度：
-30℃～+60℃（变化率<
0.5℃/min）
●工作海拔：
0～2000m
●通讯接口：
RS485、RS232、Ethernet，可支持CANopen、MODBUS等
●允许本地和远程设备操作人员通过以太网口进行数据读取和操作
●可以通过网口进行远程软件升级和调试
●可生成各种运行数据报表和文档
●CPU平均寿命＞20年
●VX-Works实时操作系统
●CPU：
166MHz
●RAM存：
128M
●FLASH存：
●掉电存储：
410K
●编程语言:
符合IEC61131-3标准,支持功能框图（FBD）、梯形图（LD）、
顺序功能图（SFC）、结构化文本（ST）、指令清单（IL）编程
●多任务操作：
可以同时进行16个任务
1-3系统硬件
在整个风力发电控制系统中，根据控制要求可以配置不同的模块以实现不同的功能，从而使整个控制系统具有很强的扩展性。
采用模块化组合可以提高控制系统的可靠性和灵活性。
系统硬件表：
型号
数量
FCN用CPU模块
NFCP100-S00
FCN用基板模块
NFBU200-S10
FCN用电源模块
NFPW442-10
RS485通讯模块
NFLR121-S00
数字量输入模块
NFDV161
NFDV151
7
PT100输入模块
NFAR181-S00
8
模拟量输出模块
NFAI543
9
CANOpen通讯模块
NFLC121
10
模拟量输入模块
NFAI143
高速计数输入模块
NFAF135-S00
数字量输出模块
NFDV561
13
SB模块
NFSB100
14
液晶操作面板
T70
15
交换机1（非管理型）
16
交换机2（面板用）
17
电网测量模块
3.1CPU模块NFCP100
a）主要技术特点
●处理器型号为MMX-Pentium166MHz
●主存储器128MB（ECC）；
静态RAM为1MB（ECC），电池供电
●全双重化通信方式，异步同2个以太网端口：
100/10Mbps，100BASE-TX或10BASE-T，RJ45模数插口
●I/O接口支持SB总线
●具有看门狗定时器、温度监视器等功能
b）功能描述
每个控制单元上安装有一个CPU模块，也可安装两个以用于双重化CPU配置。
CPU模块运行一套实时操作系统（OS），支持符合IEC61131-3国际标准的编程语言，并可用作Java虚拟机。
3.2基板模块NFBU200
●标准配备两个专用插槽（P1和P2）用于双重化电源模块
●双重化SB总线配置
●可选用一套控制单元或扩展单元
●十个功能插槽（其中有两个专供CPU模块使用）
基板模块是一个底架。
各种功能模块，例如CPU、电源、SB总线重复模块和I/O模块均安装在该底架上，从而配置成一个控制单元或扩展单元。
3.3电源模块NFPW442
●额定输入电压AC220~240V（输入电压围AC170~264V）
●输入频率47~66Hz（额定：
50/60Hz）
●输入电流最大0.7A（熔丝额定值3.15A）
●额定输出电压+5.1VDC总线
●额定输出电流0~7.8A（峰值电流11.8A）
●总输出40W（峰值60W）
电源模块安装在基板模块上，为其他模块提供稳定的电源。
除了主电源输入之外，本电源模块还配备DC24V电源的输入端子。
来自这些端子的DC24V电源输入作为模拟现场电源并为模拟I/O模块供电，以驱动它们的现场接口电路并通过基板模块为连接的现场设备供电。
当DC24V电源用于数字输出时，则必须将其接至相应I/O模块的单独端子上。
3.4RS485通讯模块NFLR121RS
●支持半双工/全双工通讯方式
●一点对多点连接方式
●最大波特率为115200bps
●最长通讯距离为1200m
●使用屏蔽双铰线
通过RS-485通讯模块与电网测量模块，振动测量模块和变桨控制器进行通讯。
3.5数字量输入模块NFDV151
●输入通道数32
●额定输入电压DC24V
●输入ON电压DC18~26.4V
●输入OFF电压DC5.0V或更低
●输入电流（额定输入电压时）4.1mA±
20%/通道
●瞬时容许最大输入电压DC30.0V
●压接端子接线
数字输入模块接收32通道DC24VON／OFF信号。
具有检测ON/OFF状态功能以及按钮边计数功能。
3.6数字量输入模块NFDV161
●输入通道数64
●输入ON电压DC20~26.4V
●输入电流（额定输入电压时）2.5mA±
●MIL连接电缆
b）功能描述数字输入模块接收64通道DC24VON／OFF信号。
3.7PT100输入模块NFAR181
●三线制PT100测温
●12通道，隔离
●允许输入电压±
5V
●最大承受电压输入和系统之间1500VAC
●精度为满量程的±
0.03%（0~400Ω）
●测量电流1mA
PT100输入模块用于测量各种需要检测的温度值，例如机舱外温度，定子温度，齿轮箱温度等，并将这些温度信号传送给主控系统。
3.8模拟量输入模块NFAI143
●16通道输入，通道隔离
●精度：
满量程的±
0.1%
●4~20mA信号输入
●容许输入电流27mA
●输入阶跃响应时间100ms
●数据刷新周期10ms
●为每个通道设置引脚，可选择2线或4线变送器
该模块主要用于4～20mADC信号测量。
3.9模拟量输入输出模块NFAI543
●16通道输出，隔离通道
●容许输出电流4~20mA
●输出阶跃响应时间100ms
●为每个通道设置输出失效
●带模拟用压接端子板
该模块主要输出4~20mADC信号。
3.10高速计数输入模块NFAF135
●8通道独立输入
●输入信号类型有ON/OFF信号，电压脉冲，电流脉冲
●输入信号频率0.1~10kHz
●测量精度为测量值的0.1%
●输入信号和系统之间以及通道之间可耐受最大电压为500VAC
●最小输入脉冲时间间隔40us
高速计数输入模块用以测量主轴转速，偏航方向等。
3.11数字量输出模块NFDV561
●输出通道数64
●额定外加电压DC24V
●负载电压DC24V,100mA
●现场电源电压围DC20.4~26.4V
●输出ON最大电压值DC2V
●输出OFF时最大漏泄电流值0.1mA
●电流吸入输出方式
●最大负载电流100mA/通道，26.4V
●MIL电缆连接
b）功能描述
数字输出模块输出64通道晶体管触点信号。
具有ON/OFF状态输出功能。
3.12CANOpen通讯模块NFLC121
●1个CANOpen通讯口
该模块用于CANopen通讯。
3.13SB模块NFSB100
●串行通信传输方式
●128Mbps波特率
●可双重化配置
安装两个SB重复模块总线以实现SB总线双重化。
每个SB总线重复模块通过一个专用的T型接头和电缆与另外一个相连。
3.14液晶操作面板T70
●铝镁合金外壳美观，轻巧，坚固，抗干扰性强
●稳定操作系统：
WindowsCE操作系统
●功能强大处理器：
IntelXscale处理器
●真色彩：
6万5千色，色彩鲜艳逼真
●网络功能：
电子，远程访问与控制，FTP档案传输
●防水功能：
抗水枪冲击
为风机控制系统量身定制的该液晶操作面板可操作性强，人机界面使用方便。
可以通过该面板对风机进行操作，浏览风机运行状态及设置各项参数。
配备了2个液晶操作面板，一个安装在机舱控制柜处，另一个安装在变频控制柜处。
3.15交换机SLX-5ES3SC
●运行模式：
非管理型交换机，存储转发，线速交换，无阻塞
●存带宽：
3.2Gbps
●端口延迟：
5us
●4个RJ45端口，1个100M光纤端口
●自动协商，自动mdi/mdix线型适应，自动切换TxD和RxD
-40~85°
C
工业以太网络作为风场传输平台，每台风机配置2台该型号交换机，分别安装于机舱控制柜和变频控制柜，主控制器通过交换机彼此相连，构成环形自愈网。
3.16交换机WG-6114M
●10Mbps口速率为14880pps，100Mbps速率为148810pps
●12至48VDC电源输入
●10/100Mbps双工/半双工，自动协商标准
-40~75°
●支持DIN导轨安装
机舱控制系统中，操作面板和主控制器通过该交换机进行通讯。
变频控制柜中也配置了同型号的该交换机，两台交换机通过多模光纤进行通讯，以实现变频器处操作面板与主控制器的通讯。
3.17电网测量模块WEN33-M1
●输入电压：
具有相电压AC0～500V围交流电压输入，三相四线制
●输入电流：
具有AC0～1A围的交流电流输入
●输入频率：
输入围：
45～75Hz；
额定频率：
50Hz
●具有自动累计、存储正／反向有功/无功电能，具有掉电自动存储电能表底值功能；
●可连续累计30年的电能值而不会产生溢出
●提供了标准的隔离RS-485串行通讯接口，通讯速率为1200～38400Bps可设定。
电网检测模块WEN33-M1是一个小型功率检测仪，可以测量瞬时表现功率，瞬时有功功率，瞬时无功功率，每一相的瞬时有效电压和电流，有功能量，无功能量，再生能量，表现能量和瞬时功率因子。
该模块可以测量三相三线或者三向四线中的某一相。
3.18传感器
主控系统所使用的传感器有：
风速仪、风向标、振动开关、偏航扭缆开关、偏航计数器、转速传感器、温度传感器、振动分析模块。
3.18.1风速仪
采用全金属型风速传感器检测水平方向的风速，测量值输出为频率信号。
●测量围：
0～60米/秒
●运行、加热电压：
24VDC
●加热功率：
20W
5米以下±
0.5m/s，25米以上为测量值的±
2%
●环境温度：
-40℃~+70℃
●工作湿度：
5～95％相对
●生存风速：
最大70米/秒30分钟
●最高海拔：
2000米
●防腐等级：
C5-M
●防护等级：
IP55
●安装方式：
SW36螺母安装于桅杆或者气象架
3.18.2风向标
采用全金属型风向传感器，检测水平方向的风向，测量值输出为模拟信号。
24VDC
●输出：
4~20mA，对应测量围：
0~360°
●传感器上有明确的对零标记，安装时能方便对零
±
2°
-40℃～+70℃
3.18.3振动开关
振动开关是由精准配重块控制的振动传感器，用于测量机组的强烈振动。
振动开关为风机机组安全链的一部分，当机组有强烈振动时，开关中的常闭触点断开，常开触点闭合，此时安全链断开，并将振动超限信号传送至主控制器。
配重块安装在开关的触动弹簧上，可以通过调整配重块的位置来调整开关的灵敏度
●垂直安装在机组上
-30℃~+60℃
IP66
●额定电压：
380V
●额定电流：
10A
3.18.4偏航扭缆开关
偏航扭缆开关配套外接齿轮盘，具有精度高、耐磨损、使用寿命长等特点，可满足机组偏航保护需要。
从机舱到塔筒间布置的柔性电缆由于偏航控制会变得扭曲。
当电缆扭曲达到设定最大值时，偏航扭缆开关的限位开关动作，限位开关触发信号传至主控制器，由主控制器发出控制指令进行相应动作。
●偏航轮缘连接安装
●纤化玻璃加固尼龙容器和凸轮开关固定器
-20℃~+70℃
IP65
3.18.5偏航计数传感器
在风机自动运行过程中，当偏航计数传感器检测到电缆扭曲超过自动解缆设定值时，主控制器发出指令松开偏航刹车，驱动偏航电机偏航解缆。
●接近开关
●输出形式：
PNP集电极开路
IP67
3.18.6转速传感器
用于风机低速轴、齿轮箱及发电机的转速测量。
●带屏蔽电缆
●检出距离：
8mm±
10%（标准检出物体）
●消耗电流：
10mA以下
3.18.7温度传感器
用于机舱温度、机舱外环境温度测量。
●分度号：
PT100
●三线制测温能有效减小导线电阻的影响，提高测量精度
●机舱外环境温度测量传感器电缆带防割伤护套
3.18.8振动分析模块
振动分析模块用于永久监视风机的低频振动。
置高灵敏度加速度传感器，可用来同时测量水平和垂直两个方向的振动。
模块基于先进的DSP技术，设计成熟，设有多重隔离保护，运行稳定可靠。
自带看门狗实时监视模块运行状态，模块故障自动复位。
模块通过RS485接口与主控制器进行通讯，可对组态参数、实时数据和状态进行在线传输或设置。
模块设置方便，通过组态软件来完成工作参数的设置。
●工作环境温度：
-30-60℃
●额定工作电源：
●报警延时：
0.1-25秒可调
●带5米或8米电缆（配接插件成套）
3.18.9发电机位移传感器
用于监测发电机X轴和Y轴方向的位移。
与主控制器采取一线制的4-20mA连接。
由于监测器安装在发电机下端，因此要求该发电机位移监测器有较强的抗干扰能力。
发电机位移监测器由传感器和变送器两部分组成。
传感器技术参数：
●线性量程：
50mm
●性度误差：
0.2mm
-40至+150℃
●引出线：
三根绝缘护套线，外有不锈钢护套软管
变送器技术参数：
●激励信号：
电压5VRMS
频率3.0kHz
电流25mARMS
●输出信号：
电流输出DC4-20mA
负载能力不大于700Ω
纹波及噪声不大于20μARMS
●供电电源：
24VDC±
10%，最大功耗50mA
●非线性度：
小于0.02%FS
-35至+75℃
●存储温度：
-40至+80℃
1-4系统功能
风机所有的监视和控制功能都通过控制系统来实现，它们通过各种连接到控制模块的传感器来监视、控制和保护。
风力发电机组的启动、停止、切入（电网）和切出（电网）、功率限制、风轮的对风,以及对运行过程中故障的监测和保护必须是自动控制的。
所有这些功能由主控系统来完成，因此机舱主控系统具备以下基本功能：
●启动与停机控制
●并网与脱网控制
●偏航和解缆控制
●变桨控制
●变频器控制
●低电压穿越
●故障报警
●箱变信号监控
●风场功率控制
●远程通讯和中央监控
●故障快照功能
●加热除湿功能
4.1启动与停机控制
当主控制系统自检无故障，监测到在半分钟平均风速达到风机启动风速，并且持续时间超过“启动等待时间”（120s）后，机组从等风状态进入启动运行，风机开始启机升转速。
此时，变桨和变频器等系统会根据主控制器发出的指令做出相应的动作。
当操作人员从现场控制面板或监控中心给出停机信号、风能量小于风机运行所需的能量或系统出现故障需要停机时，主控系统会根据相应的故障等级控制变桨、变频和刹车等系统动作，最终达到停止风力发电机的目的。
4.2并网与脱网控制
通过主控制器与变频器协调控制实现并网操作。
当风力发电机转速达到“发电机并网转速”（1200rpm），并且主控收到变频器发出的“变频器在运行围”指令后，主控发出变频器励磁指令；
在主控收到变频器发出的“准备并网”指令后，主控输出“变频器并网”指令，如果并网成功，变频器返回“变频器电网连接”。
并网完成后，根据当前的风力状况和监控中心的功率管理指令优化桨叶状态，最大利用风能并向电网输入高质量的电能。
正常运行时，主控制器监测风机出口处的上网电能质量及风机状态，当检测到需要从电网切出的指令、故障或风速低于切出风速时，风机系统进入脱网控制程序。
当出现超速、严重电网故障等高等级故障时，风机立即关闭扭矩控制，风机立即脱网，风机通过直流收桨的方式以最快速度将桨叶收回到安全位置；
当手动停机、风速过低切出或者出现不影响电网的低等级故障时，主控根据具体的故障等级通过交流收桨的方式将桨叶收至安全角度，在扭矩低于100NM且发电机转速低于“关闭扭矩控制发电机转速值”（1200rpm）后，关闭“变频器励磁”和“变频器并网”指令输出，控制变频器脱网。
4.3偏航和解缆控制
偏航是为了最大限度地利用风能和保证风机系统安全，偏航分为手动偏航和自动偏航两种。
当需要手动偏航时，用手旋动偏航开关或者控制面板操作可实现手动偏航，手动偏航具有防扭缆功能。
在风机运行过程中，当风向标测量的实际风向与风机所对的风向不符时，主控制器将会执行相应的自动偏航对风程序。
当塔筒电缆缠绕角度达到一定角度时，需要进行停机并让机舱反向旋转动作，为提高整机利用率，解缆分为微风解缆和有风解缆，当风速小于设定值时，风机电缆缠绕达到430度（微风解缆值）时启动解缆；
当风速大于设定值时，风机电缆缠绕到达760度（有风解缆值）时启动解缆。
解缆完成后进行正常启动，如果触发绞缆开关，或者扭缆值超过800度，自动解缆停止，需进行手动偏航解缆。
4.4变桨控制
变桨控制是风机主控制系统的重要组成部分。
在风机的启动过程中，当风速满足启动条件时，主控制系统会控制变桨系统从90度开始以-2°
/s的速率开桨至70°
。
在自检完成后，控制变桨以“转速加速度1”（40rpm/s）的速度提升发电机转速至“转速加速度1结束值”（710rpm），发电机转速达到710rpm后，控制变桨以“转速加速度2”（10rpm/s）的速度提升发电机转速至“转速加速度2结束值”（720rpm），并将转速维持并网转速围，此时主控制系统和变频器系统之间进行协调并控制变频器投入力矩完成风力发电机的并网操作。
并网操作完成后，主控制系统控制变桨系统将转速稳定在并网转速围，当投入的力矩达到当前转速对应扭矩值的90%
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