CN201918743U - 双馈风力发电机组的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型的双馈风力发电机组的控制系统属于风力发电领域，是由中央控制器模块、人机界面模块、交换机模块、通讯接口模块；人机界面模块通过交换机模块和中央控制器模块相接；变桨系统通过通讯接口模块中央控制器模块进行数据传输及接受控制操作；还包括与中央控制器模块双向信息传输的高速计数模块、模拟量输入(AI)模块和模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块、温度模块，高速计数模块采集高速计数信号：模拟量输入块和模拟量输出模块采集和输出模拟信号；数字量输入模块和数字量输出模块采集和输出数字信号；温度模块采集模拟信号。本实用新型的双馈风力发电机组的控制系统功能齐全，性能稳定可靠，操作方便，易于维护，并根据需要记录数据，便于生成各种图表，反映机组的各项性能的功能；可手动维护操作的功能。

Description

双馈风力发电机组的控制系统

技术领域

本实用新型属于风力发电领域，尤其是一种双馈风力发电机组的控制系统。

背景技术

目前，兆瓦级变速变桨双馈并网型风力发电机组代表了国内风电机组整机发展的主流方向，而双馈风力发电机组的控制系统是兆瓦级双馈风电机组中的核心部件之一，是实现双馈式异步风力发电机组在风速大范围变化情况下的恒压恒频并网发电运行的重要组成部分。近年来我国能源需求迅速增长，能源供需缺口不断扩大，供需矛盾尖锐。我国有丰富的风电资源，这一取之不尽的清洁能源是根本解决我国能源问题的主要途径之一。国内风电机组每年正以37.4％的速度迅速递增。根据国家规划，到2020年我国风电装机容量达3000万千瓦，风电机组也逐渐向兆瓦级大型化发展，技术难度不断提高，其中风电场与电网系统的控制系统是风力发电机组的关键部件，需要一套能对风电机组正常运行控制、运行状态监测、运行数据处理、故障处理与报警、机组维护、运行参数设置、与远程监控计算机通信和机组安全保护等多种功能的综合性控制系统。该双馈风力发电机组的控制系统要克服行业内现有双馈风力发电机组的控制系统的双中央处理器（CPU）结构造成易出故障、协同控制复杂；各控制板抗电磁干扰能力差、连线复杂；分立元件构成的控制板或驱动板参数匹配困难、使用器件多、易出故障；分立元件构成的控制板或驱动板参数匹配困难、使用器件多、易出故障；过多的分立元件造成生产、调试、维护的高成本；.缺乏多种网络接口，难以实现远程故障诊断和数据交换换，难以适应不同整机厂商接口要求；没有大容量的存储介质，不能长期保存测量数据，难以实现故障分析、预报等不足。

发明内容

本实用新型的目的在于弥补现有技术不足，提供一种具有功能齐全，性能稳定，安全可靠性，操作方便，易于维护的双馈风力发电机组的控制系统。

本实用新型的双馈风力发电机组的控制系统，包括中央控制器（CPU）模块、人机界面（HMI）模块、交换机（switch）模块、通讯接口模块；人机界面（HMI）模块通过交换机（switch）模块和中央控制器（CPU）模块相接；中央控制器（CPU）模块通过通讯接目获取电网三相电流、电网三相电压、电网频率、功率因数数据；变桨系统通过通讯接口模块中央控制器（CPU）模块进行数据传输及接受控制操作；还包括与中央控制器（CPU）模块双向信息传输的高速计数模块、模拟量输入(AI)模块和模拟量输出(AO)模块、数字量输入（DI）模块、数字量输出(DO)模块、温度模块，还包括由风力发电机组各故障节点组成的一个串联硬接点回路安全链；高速计数模块采集高速计数信号：模拟量输入(AI)模块和模拟量输出(AO)模块采集和输出模拟信号；数字量输入（DI）模块和数字量输出(DO)模块采集和输出数字信号；温度模块采集模拟信号。

所述的高速计数模块通过发电机速度传感器、高速轴速度传感器、低速轴速度传感器、风速计采集输出高速计数信号。

所述的数字量输入模（DI）块进行数字信号的采集；采集的数字信号包括机舱急停按钮、控制柜急停按钮、塔基急停按钮、AC电源正常、叶片维护开关、电缆逆时针缠绕极限、电缆顺时针缠绕极限、振动开关、高速轴速度开关、低速轴速度开关、上电复位安全链、安全链正常、变装电池组正常、变浆错误、变桨返回顺桨位置、手动刹车开关、盘刹打开反馈、刹车片磨损、变频器正常、变频器超速、变频器准备并网、变频器在运行范围、变频器电网连接、变频器错误、变频器CB跳闸、变频器电网错误、变频器温度低、变频器功率减小、液压站液位开关、液压站压力开关、齿轮箱旁路过滤器、齿轮箱过滤器、齿轮箱液位开关、发电机电刷磨损、发电机磨损过滤器、发电机避雷器、发电机定子绕组温度、低速轴计数器、偏航计数器、偏航电气制动热继、偏航电机热继、液压泵热继、润滑泵热继、发电机加热热继、发电机风扇热继、齿轮箱加热器热继、齿轮箱风扇热继、齿轮箱油泵热继、齿轮箱次要油泵热继、不间断电源（UPS）报警、变压器温度高、变压器温度停止等。

所述的数字量输出(DO)模块进行数字信号的输出；输出的信号包括偏航电机逆转、偏航电机顺转、盘刹、偏航刹车、内部安全链、关断发电机、复位变频器、开始励磁、系统OK、快速收桨、旁路极限开关、力矩请求、液压泵、润滑泵、发电机加热、发电机冷却风扇、齿轮箱油泵、齿轮箱冷却扇、齿轮箱加热、风速风向计加热、关断变压器的数字信号的输出；

［0009］所述的模拟量输入(AI)模块和模拟量输出(AO)模块对模拟信号的采集和输出；采集的模拟信号包括变频器发电机转速、变频器实际力矩；输出的模拟信号包括变频器给给定功率因数、定力矩；

所述的温度模块通过齿轮箱油泵压力传感器、风向标、液压泵压力传感器、齿轮箱入口压力传感器、齿轮箱轴承温度传感器、齿轮油温度传感器、齿轮箱人口温度传感器、发电机定子绕组温度传感器、发电机轴承温度传感器、变频器入口温度传感器、舱内温度传感器、舱外温度传感器、低速轴轴承温度传感器采集输出模拟信号。

所述的中央控制器（CPU）模块通过交换机（switch）模块与远程风场控制系统(SCADA)通信。

本实用新型的双馈风力发电机组的控制系统，通过安装在现场的不同模块监视电网参数、实时风况和风力发电机组运行参数，还可以与远程风场控制系统(SCADA)进行通信，结合采集的信息做出综合分析，确保机组安全可靠进行脱网／并网，紧急停机、正常停机和远程复位等操作。针对不同的机型和应用场合配置不同的解决方案。对发电机组运行进行参数优化，提高机组的运行效率获取最大能量和提高机组可利用率。

本实用新型的双馈风力发电机组的控制系统功能齐全，性能稳定可靠，操作方便，易于维护，可以实现：自动脱网／并网的功能；自动启动／停机的功能；偏航系统自动跟风、解缆的功能；变奖变速监控（根据测量风速及叶轮转速调节桨角位置以控制叶轮转速，实现变奖变速恒频输出）的功能；自动调整转速与功率的功能；电网故障时自动处理脱网，安全停机的功能；运行过程故障监控、超速控制、紧急停机的功能；异常情况自行判断且启动保护措施，并根据需要记录数据，便于生成各种图表，反映机组的各项性能的功能；可手动维护操作的功能。

附图说明

说明书附图是本实用新型双馈风力发电机组的控制系统原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型的双馈风力发电机组的控制系统，如图所示，包括中央控制器（CPU）模块以及与中央控制器（CPU）模块进行双向信息传输的高速计数模块、模拟量输入(AI)模块和模拟量输出(AO)模块、数字量输入模（DI）块、数字量输出(DO)模块、温度模块，中央控制器（CPU）模块通过交换机（switch）模块和人机界面（HMI）模块、远程风场控制系统(SCADA)通信。

中央控制器（CPU）模块通过通讯接口模块获取电网三相电压、三相电流、电网频率、功率因数数据；中央控制器（CPU）模块通过通讯接口模块与变桨系统进行数据传输。

中央处理器模块对各个控制模块进行集中控制，制定控制策略并且通过可编程逻辑控制器（PLC）执行控制策略。

本实用新型的双馈风力发电机组的控制系统作为一种综合性控制系统，其对电网和风场的实时风况监测、电网参数监控控制、温度实时监控、转速状态参数监控、电缆扭转状态监控、机舱振动监控、变桨变速监控、功率监控和刹车状态监控的实施方式如下。

所述的实时风况监测：是由中央控制器（CPU）模块通过高数计算模块采集风速信号、温度模块采集风向信号来对实时风况进行监测。（风速信号通过测风仪实时采集获得，平均每10s一次，用于判断机组的启停；当风速过快或过低时，中央控制器（CPU）模块通过数字量输出(DO)模块发出刹车指令，机组停机；风向信号由安装在机舱外部的风向标获得，控制系统根据风向信号、启动偏航系统）。

所述的电网参数监控：由中央控制器（CPU）模块通过通讯接口模块实时获取电网三相电压、三相电流、电网频率、功率因数数据，通过采集的数据，中央控制器（CPU）模块对机组进行并网或脱网操作。当风力发电机组转速大于等于切入转速时，控制系统对风力发电机组发出并网命令。当发电机组产出功率小于机组下限功率，控制系统会对风力发电机组发出脱网命令，处于待机状态。当发电机组产出功率大于机组上限功率时，控制系统也会发出脱网命令，保护发电机组安全停机。监测的数据还用于风力发电机组有功功率、无功功率和发电量的统计、调节。

所述的温度实时监控：由中央控制器（CPU）模块通过控制系统监测的有十几个温度，如通过数字信号模块采集的发电机线圈温度、变压器的各项绕组温度；通过温度模块采集的发电机前后轴承温度、定于温度、齿轮箱油温度、齿轮箱前后轴承温度、变频器温度、油压系统油温、机舱温度等，其中温度模块的信号通过设置在以上部件相应位置的温度传感器测量获得，变频器温度信号通过温度传感器采集获得，当运行设备温度过高时，中央控制器（CPU）模块发出刹车命令，风力发电机组停机。同时向数字量输出(DO)模块发出启动冷却设备降低温度，冷却设备包括发电机冷却风扇、齿轮箱冷却风扇，当温度恢复到允许值时停止运行冷却设备，机组自动启动运行。在温度过低时发电机组也会自动退出运行，控制系统向数字量输出(DO)模块发出指令启动相应的加热设备，如发电机加热设备、齿轮箱加热设备，直到温度达到允许的安全运行值，则停止加热，机组恢复正常运行。

所述的转速状态参数监控：由中央控制器（CPU）模块通过高数计算模块采集风轮转速、发电机转速信号。以上信号通过设置在发电机以及风轮的高速轴、低速轴上的速度传感器测量获得，每个测量点都具有双重保护，当超速后，发电机组能自动停机。

所述的电缆扭转状态监控：是发电机组电缆及所有电气、通信电缆是直接从机舱链接至地面的变频控制柜。如果机船总是向一个方向偏航，会引起电缆等的严重扭转缠绕。中央控制器（CPU）模块通过数字量输入模（DI）块采集电缆顺时针缠绕和逆时针缠绕信号。控制系统具有解缆保护风力发电机组功能，当风力发电机向一个方向偏航达到设定值时，控制系统发出停机命令，风力发电机组停机并按情况执行顺时针或逆时针解缆操作。

所述的机舱振动监控：异常振动对于风力发电机组是非常危险的。中央控制器（CPU）模块通过通讯接口模块获得安装在机舱上的振动传感器上的振动数据，当出现过振动时，控制系统将会执行自动停机以保护发电机组。当振动恢复正常范围则会自动启动运行。

所述的变桨变速监控：是控制系统通过通讯接口模块与变桨系统进行数据传输和控制，当风速超出了安全风速，控制器将对变桨系统发出收桨命令，当电网故障、安全停机或紧急停机时，控制系统给变桨系统发送控制命令。

所述的功率监控：当实时风况变化时，控制系统可以通过偏航对风、变桨调节与转速调节等调整机组产出功率，根据风场管理的生产计划与分配调整产出。

所述的刹车状态监控：当中央控制器（CPU）模块通过采集各模块输入信号，监测到风力发电机组设备出现故障、温度过高、温度过低、风速过大、风速过小时，中央控制器（CPU）模块向数字量输出(DO)模块发出指令，发电机组执行安全停机或快速停机的命令。

所述的双馈风力发电机组的控制系统给每个故障定义了相关信息。有些故障是致命的，控制系统不允许自动复位或远程控制复位，必须是工作人员到现场检修，排除故障。一般故障当故障解除时控制系统可以进行自动复位。不影响风力发电机组正常运行的故障，可以通过手动复位该故障。如果外部条件良好不影响正常运行，控制系统可以自动复位这些外部条件引起的故障状态。

本实用新型的双馈风力发电机组的控制系统的安全链是独立于控制软件的一个硬件回路，将可能对风力发电机组制造致命故障的节点设置成一个串联回路，一旦其中任何一个动作，将导致紧急停机。紧急停机后，只能手动复位才可以重新启动发电机组。如果控制器死机，出现超速现象时，也启动安全链紧急停机。

本实用新型的双馈风力发电机组的控制系统具有下列特点：

软件技术先进：基于 VxWorks的嵌入式实时操作系统，其有良好的可靠性和卓越的实时性，支持多任务，分时间的任务处理方式，根据任务的优先等级和执行时间，合理优化系统资源；Java软件平台下支持多种编程语言，包含且不仅限于C、C＋＋、IECll31－3标准编程语言；

硬件可靠：防震、高的可靠性与稳定性，耐高温/低温拥有宽的温度范围；

安全性高：输出端口 DO带有监视功能，确保了输出信号的安全性；采取了多重并独立的保护策略，能紧急事故进行处理并报警，确保机组运行的安全；控制柜内安装了避雷装置避免高能雷电的积累。柜内部件保持电位平衡达到设备防雷击保护；

人机界面友好：图形化的真彩显示界面，全中文操作；能实时的查看机组的运行数据、历史数据、输入／输出信号的状态；能通过界面对机组进行维护、参数修改等；带有报警信息的指示；

扩展性强：丰富的 I／0功能模块，包含有 DIO、 AIO模块、温度模块、计数模块。编码器模块、PWM模块、通讯接口模块模块；支持  CANopen远程IO模块；基于100MbpS的以太网交换机（switch）模块，可任意扩展，可任意与其他的系统、网络终端互朕；支持多种通讯协议和现场总线，包含且不仅限于PROFI－NET、PROFI－BUS、CANopen、DivceNet、SERCOS、FASTBUS、Modbus；控制器已经自带了单个或多个接口。

本实用新型的双馈风力发电机组的控制系统可适用于各种风轮和各种轮毅高度的双馈风力发电机组，具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等特点。

Claims (4)

1.双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于主要是由中央控制器模块、人机界面模块、交换机模块、通讯接口模块构成，人机界面模块通过交换机模块和中央控制器模块相接；中央控制器模块通过通讯接口模块获取电网频率、功率因数、电网的三相电压和电网三相电流等数据；变桨系统通过通讯接口模块与中央控制器模块进行数据传输；还包括与中央控制器模块双向信息传输的高速计数模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和温度模块，还包括由风力发电机组各故障节点组成的一个串联硬接点回路安全链；高速计数模块采集高速计数信号；模拟量输入模块和模拟量输出模块采集和输出模拟信号；数字量输入模块采集数字信号；数字量输出模块输出数字控制信号；温度模块采集模拟信号。

2.如权利要求1所述的双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于所述的高速计数模块采集高速计数信号是发电机速度传感器、高速轴速度传感器、低速轴速度传感器和风速计输出的高速计数信号。

3.如权利要求1所述的双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于所述的温度模块通过齿轮箱油泵压力传感器、风向标、液压泵压力传感器、齿轮箱入口压力传感器、齿轮箱轴承温度传感器、齿轮油温度传感器、齿轮箱入口温度传感器、发电机定子绕组温度传感器、发电机轴承温度传感器、变频器入口温度传感器、舱内温度传感器、舱外温度传感器、低速轴轴承温度传感器采集输出模拟信号。

4.如权利要求1或2或3所述的双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于所述的中央控制器模块通过交换机模块与远程风场控制系统通信。

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