风力发电机组主控系统--龙伟生

高级阶段 上述的控制策略是基本的发电控制策略，但是控制系统的目标不仅仅是最大限 度的发电，还应从风电机组整体的载荷和振动特性考虑如下的控制需求： 1.通过变桨和转矩控制中参数的优化使系统避免承受不必要的载荷； 2.利用滤波过滤掉风中带来不利于风机平稳运行的频率信号； 3.在风机运行时考虑根据传动系统和塔架振动情况，利用各类加阻策略实现 风 力发电机组对振动、载荷的控制。
风机概述
三三一一重电能气
图1.1 主流机型 4
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一、 风机类型简介
直驱机型
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图1.2 金风直驱机型
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一、 风机类型简介
半直驱机型
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图1.3 半直驱机型
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一、 风机类型简介
双馈机型
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图1.4 双馈机型
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一、 风机类型简介
10-30rpm 规格大、数量少 超低速永磁同步发 电机
全功率变频
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目录
一、风机类型简介 二、主控产品简介 三、主控产品组成部分 四、主控产品关键技术
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二、 主控产品简介
1. 主控系统
主控系统顾名思义，在整个风 机系统中，起着中心控制功能， 如同大脑，在风机整体架构的 基础上，通过控制思想将变桨、 变流有机的协调起来，实现机 组的自动发电控制。
图3.9主控系统监控界面 30
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三、 主控产品组成部分（软件）
强大的数据分析功能
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图3.10 监控系统数据分析界面 31
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三、 主控产品组成部分（算法） 三三一一重电能气
概述
1. 控制算法的目的：保证风力发电机组的发电量最大化的同时有效的抑制风机的 振动、减小载荷、使风力发电机组平稳、有效的运行。
四、 主控产品关键技术
2. 高可靠性的重载连接方式
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图4.2 设备接线方式对比 40
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四、 主控产品关键技术
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3. 优异的转速控制性能
20m 湍 流 风 下 ， 超 速 小 于 40rpm 20m平均风速，8米阵风下， 超速小于80rpm
右图即为相似湍流风下 （平均风速20m/s），三一 （蓝）与标杆企业（红） 转速控制效果对比。
表3.1 传感器列表
传感器名称
功能
图片
接近开关
转速测量、偏航
扭缆传感器
偏航左右极限
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风速风向仪
测量风速、风向
振动开关 振动传感器 PT100
振动极限开关
振动报警 温度测量
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三、 主控产品组成部分（电气）
通讯网络
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• 内部通讯是指控制器与变桨、 变流、智能传感器的数据交换。 通常 是由工业现场总线实现， 包括：CANOPEN、PROFIBUS、 RS485等。
目录
一、风机类型简介 二、主控产品简介 三、主控产品组成部分 四、主控产品关键技术
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三、 主控产品组成部分
组成部分
➢ 主控系统硬件设计（电气相关） ➢ 机组的运行控制（软件和算法相关）
电气 （骨架）
主控 产品
软件 （血液）
算法 （灵魂）
图3.1 主控系统构成
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• 外部通讯是指主控与远端数据 服务器，多个风机控制器之间 的数据传输，通常使用 EtherNET TCP/IP（局域网络） 实现。
图3.5 主控系统通讯架构 26
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三、 主控产品组成部分（软件） 三三一一重电能气
主程序总体框架
总体来说，主控程序分为主程序，辅助程序。发电流程为主程序，其它部分 作为辅助。
国内没有研发能力，增加新功能困难 人机界面中文化不完全，操作12复杂
三一
±2º 5º/s 7.5º/s 690VAC +10％/-15％ 50/60Hz±2% -30℃- +50℃
与标杆基本一致
与标杆基本一致
与标杆基本一致
双PI控制策略正在样机试验阶段 自主研发，可快速定制添加新功能
中英文界面可选，操品作质人改变性世化界
2. 算法主要工作任务：基本控制策略与优化控制策略的研发，程序的仿真调试、 现场实验与应用、数据分析评估，从而再次改进控制策略。
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三、 主控产品组成部分（算法） 三三一一重电能气
算法简介
风机控制系统的基本参量包括四个可控参量：转速、转矩、桨距角、功率以及一个 不可控参量：风速。其中风速和转速是可以通过传感器测量的变量，转矩和桨距角 是控制手段，转速和功率是最终的控制目标。
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三、 主控产品组成部分（算法）
动态特性研究
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图3.15 动态特性曲线 35
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三、 主控产品组成部分（算法） 三三一一重电能气
基本控制策略
相比于斜坡控制，双PI控制策略的AB、CD段转速维持恒定，转矩快速提升或下 降，使得BC段（最优风能追踪）得到延长，从而提高风能利用效率。
图2.5 BECKHOFF控制器架构 16
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二、 主控产品简介
6、主流风电控制器方案
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贝加莱方案，应用于上 海电气，东汽等厂商
图2.6 贝加莱控制器架构 17
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二、 主控产品简介
6.主流风电控制器方案
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施耐德方案
图2.7 施耐德控制器架构 18
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并网连接
发电机转速 > 并 网转速Xrpm
并网发电
发电机转速 < 快速重并 网转速Xrpm
快速重并网
发电机转速 < 脱网转速Xrpm
图3.7 主控系统软件程序主流程
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三、 主控产品组成部分（软件）
主控人机界面
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PC机调试 测试工装 主控柜操作
图3.8 主控系统人机界面 29
图3.18穿越共振区仿真曲线
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一、风机类型简介 二、主控产品简介 三、主控产品组成部分 四、主控产品关键技术
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四、 主控产品关键技术
1. 优化的元件布置与结构设计
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标杆企业控制柜布局
图4.1 器件布局对比 39
三一 控制柜布局
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算法研究的内容便是以风速变化为基础，通过转矩与桨距角来控制风力发电机 组的转速、功率，在风机平稳运行的同时，保证最大发电量与较小的载荷。
图3.14 主控系统算法流程图 33
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三、 主控产品组成部分（算法） 三三一一重电能气
控制目标
初级阶段 低风速下，跟踪最优功率曲线以获得最高的风能转换效率，捕获更多的能量； 高风速时，通过变桨控制，限制转速使功率输出保持恒定，风机运行更加平稳
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三、 主控产品组成部分（软件）
主控系统监控界面
三一电气风场监控系统是建立 在3C+S基础上的风力发电场自 动化检测调度系统。 通过监控系统实现对风电场的 风机进行远程实时监测、控制 和诊断，实现风电场的优化运 行，以及通过远程启动、停止 、复位,最大限度地减少现场 考察和维护管理。
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远程通讯/ 人机交互
日志、 报警 和故障处理
偏航系统
液压系统
防雷与接地 系统
安全链系统
图2.3 主控系统的功能介绍
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二、 主控产品简介
5. 控制器总体架构
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图2.4三一巴合曼主控系统控制器架构 15
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二、 主控产品简介
6、主流风电控制器方案
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BECKHOFF方案，应 用于金风等
150
200
250
300
各机型的特点对比
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机型 增速箱 转速 轴承
发电机 变流器
表1.1 三种机型特点对比
双馈 三级增速 最高转速1500-1800rpm 规格较小、数量多
半直驱 1-2级增速 最高转速150-300rpm 规格稍大、数量少
异步双馈发电机 不是全功率变频
中低速永磁同步发电机 全功率变频
直驱 无齿轮箱
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二、 主控产品简介
2. 分布
主控系统在整个风机中 的布局如图2.2所示：
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图2.2 主控系统位置
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二、 主控产品简介
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3. 参数指标
风向传感器精度 额定变桨速率 急停变桨速率 并网电压 并网频率 工作温度
图3.2 主控系统产品实物
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三、 主控产品组成部分（电气）
配电线路图
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图3.3 主控系统配电线路示意图 23
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三、 主控产品组成部分（电气）
安全链系统
三一电气
图3.4 主控系统安全链回路架构图 24
三、 主控产品组成部分（电气）
传感器部分
主控系统中包含的传感器主要负责检测风机系统及各个设备的运行状态。
风力发电机组主控系统
讲 解：龙伟生
三一重型能源装备有限公司
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一、风机类型简介 二、主控产品简介 三、主控产品组成部分 四、主控产品关键技术
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一、风机类型简介 二、主控产品简介 三、主控产品组成部分 四、主控产品关键技术
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一、 风机类型简介
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三、 主控产品组成部分（电气）
电气组成
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机舱柜主要有： (1) 控制单元；(2) 低压器件；(3) 电源单 元； (4) 安全链系统；(5)防雷单元；(6) 通讯单元；(7) 监控单元
塔底柜主要有： (1) 电源单元 ; (2) 传感器单元 ; (3) 控制单元;(4) 监控单元;(5) 通讯单元
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三、 主控产品组成部分（电气）
电气部分
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➢ 电气部分（即硬件组成部分）是主控系统的实物载体，与风机中的各 种外围设备如发电机、齿轮箱、液压站、变桨系统、变流器等之间形 成电气连接，收集反馈信号,并根据相应的动作逻辑，确保主控系统良 好地控制各种外围设备，使各设备能够相互谐调配合运行。
图3.17 双PI与查表法对比示意 36
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三、 主控产品组成部分（算法）
高级策略案例
快速穿越共振区
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在 692rpm~937rpm 共 振 区 间（可根据不同机型灵活设 定），加快转速提升，快速通 过共振区；
右图即为相似湍流风 下 （ 平 均 风 速 12m/s ） ， 三 一 （ 蓝） 与标杆企业 （红 ）转速 控风制能效利果用对效比率。。
安全系统
故障诊断
功能控制
功率控制 定制功能 客户体验
表2.1 主控系统参数指标
米塔
±5º
5º/s
7.5º/s 690VAC ±10%
50Hz±2% -20℃- +40℃ 独立于控制器系统的安全链设计，为 整机提供 采集传感器信号，自动进行故障诊断 自动实现切入、切出、并脱网、偏航 解缆等控制功能 双PI控制策略，但额定前控制不稳定
自检
自检完成
空转初始化
600平均风速 < 切入风速XXm/s 且 空转 初始化时间 > 设定空转初始化最大时间
Xs
并网转速提升时间 > 并网 转速提升最大时间Xs
发电机转速 >= 空转设定转速Xrpm,且 齿轮箱油温> 启动温度X°
并网转速提升
发电机转速 = 并网转速
（X）并维持Xs，误差<±
Xrpm
风机软件架构
发 电 流 程
设备 及环 境变 量监 控、 故障 处理
IO、 传感 器通 讯数 据读 取及 数据 存储
图3.6 主控系统软件架构 27
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三、 主控产品组成部分（软件）
程序主流程
系统正常
待风
30s平均风速 >= 切入风速Xm/s，持 续Xs 且液压系统压力正常
对风
30s风向 < 对风误差X°
二、 主控产品简介
3. 参数指标
目前三一主控系统的产品如表2.2所示
表2.2 三一主控系统型谱
产品名称 1.5MW陆上低温型风机主控系统 1.5MW陆上高原型风机主控系统 2.0MW陆上低温型风机主控系统 2.0MW-60Hz低温型风机主控系统 2.0MW海上型风机主控系统 3.0MW海陆兼容型风机主控系统 ...
generator speed rpm
wind speed m/s
28 26 24 22 20 18 16 14 12
0
1900 1850 1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500
0
50
100
150
200 time s
250
300
350
400
图4.3 风速-时间曲线
50
100
产品型号 SYK15L SYK15H SYK20L SYK20LE SYK20S SYK30S ...
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二、 主控产品简介
4. 功能介绍
风 风轮
传动链
当前桨距角
变桨系统
当前桨距角
给定的桨距角
核心功能 辅助功能
主控制器
发电机
变流器
测
量
的
转
速 转
矩
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环境和设备 状态检测