风力发电机组主控系统--龙伟生

三一重型能源装备有限公司风力发电机组主控系统讲解：龙伟生2三一电气一、风机类型简介二、主控产品简介三、主控产品组成部分四、主控产品关键技术品质改变世界目录三一重能3三一电气一、风机类型简介二、主控产品简介三、主控产品组成部分四、主控产品关键技术品质改变世界目录三一重能4三一电气品质改变世界风机概述一、风机类型简介三一重能图1.1主流机型5三一电气品质改变世界直驱机型一、风机类型简介三一重能图1.2金风直驱机型6三一电气品质改变世界半直驱机型一、风机类型简介三一重能图1.3半直驱机型7三一电气品质改变世界双馈机型一、风机类型简介三一重能图1.4双馈机型8三一电气品质改变世界各机型的特点对比一、风机类型简介机型双馈半直驱直驱增速箱三级增速1-2级增速无齿轮箱转速最高转速1500-1800rpm最高转速150-300rpm10-30rpm轴承规格较小、数量多规格稍大、数量少规格大、数量少发电机异步双馈发电机中低速永磁同步发电机超低速永磁同步发电机变流器不是全功率变频全功率变频全功率变频三一重能表1.1三种机型特点对比9三一电气一、风机类型简介二、主控产品简介三、主控产品组成部分四、主控产品关键技术品质改变世界目录三一重能10三一电气主控系统顾名思义，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。品质改变世界1.主控系统二、主控产品简介三一重能图2.1主控系统的功能11三一电气主控系统在整个风机中的布局如图2.2所示：品质改变世界二、主控产品简介2.分布三一重能图2.2主控系统位置12三一电气品质改变世界二、主控产品简介3.参数指标三一重能表2.1主控系统参数指标米塔三一风向传感器精度±5º±2º额定变桨速率5º/s5º/s急停变桨速率7.5º/s7.5º/s并网电压690VAC±10%690VAC+10％/-15％并网频率50Hz±2%50/60Hz±2%工作温度-20℃-+40℃-30℃-+50℃安全系统独立于控制器系统的安全链设计，为整机提供与标杆基本一致故障诊断采集传感器信号，自动进行故障诊断与标杆基本一致功能控制自动实现切入、切出、并脱网、偏航解缆等控制功能与标杆基本一致功率控制双PI控制策略，但额定前控制不稳定双PI控制策略正在样机试验阶段定制功能国内没有研发能力，增加新功能困难自主研发，可快速定制添加新功能客户体验人机界面中文化不完全，操作复杂中英文界面可选，操作人性化13三一电气品质改变世界二、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所示三一重能表2.2三一主控系统型谱产品名称产品型号1.5MW陆上低温型风机主控系统SYK15L1.5MW陆上高原型风机主控系统SYK15H2.0MW陆上低温型风机主控系统SYK20L2.0MW-60Hz低温型风机主控系统SYK20LE2.0MW海上型风机主控系统SYK20S3.0MW海陆兼容型风机主控系统SYK30S......14三一电气远程通讯/人机交互液压系统安全链系统偏航系统防雷与接地系统日志、报警和故障处理环境和设备状态检测风轮传动链发电机变流器主控制器变桨系统测量的转速转矩风当前桨距角给定的桨距角核心功能辅助功能当前桨距角品质改变世界二、主控产品简介4.功能介绍三一重能图2.3主控系统的功能介绍15三一电气品质改变世界二、主控产品简介5.控制器总体架构三一重能图2.4三一巴合曼主控系统控制器架构16三一电气品质改变世界二、主控产品简介6、主流风电控制器方案三一重能图2.5BECKHOFF控制器架构BECKHOFF方案，应用于金风等17三一电气品质改变世界二、主控产品简介6、主流风电控制器方案三一重能图2.6贝加莱控制器架构贝加莱方案，应用于上海电气，东汽等厂商18三一电气品质改变世界二、主控产品简介6.主流风电控制器方案三一重能图2.7施耐德控制器架构施耐德方案19三一电气一、风机类型简介二、主控产品简介三、主控产品组成部分四、主控产品关键技术品质改变世界目录三一重能20三一电气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）品质改变世界三、主控产品组成部分组成部分主控产品电气（骨架）软件（血液）算法（灵魂）三一重能图3.1主控系统构成21三一电气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。品质改变世界电气部分三、主控产品组成部分（电气）三一重能22三一电气品质改变世界电气组成三、主控产品组成部分（电气）三一重能图3.2主控系统产品实物机舱柜主要有：(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23三一电气品质改变世界三、主控产品组成部分（电气）配电线路图三一重能图3.3主控系统配电线路示意图24三一电气三、主控产品组成部分（电气）安全链系统图3.4主控系统安全链回路架构图25三一电气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风速风向仪测量风速、风向振动开关振动极限开关振动传感器振动报警PT100温度测量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。品质改变世界三、主控产品组成部分（电气）传感器部分三一重能表3.1传感器列表26三一电气•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。•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EtherNETTCP/IP（局域网络）实现。品质改变世界三、主控产品组成部分（电气）通讯网络三一重能图3.5主控系统通讯架构27三一电气三、主控产品组成部分（软件）品质改变世界总体来说，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。主程序总体框架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风机软件架构三一重能图3.6主控系统软件架构28三一电气三、主控产品组成部分（软件）品质改变世界程序主流程发电机转速=并网转速（X）并维持Xs，误差±Xrpm发电机转速=空转设定转速Xrpm,且齿轮箱油温启动温度X°发电机转速快速重并网转速Xrpm发电机转速脱网转速Xrpm发电机转速并网转速Xrpm并网转速提升时间并网转速提升最大时间Xs30s平均风速=切入风速Xm/s，持续Xs且液压系统压力正常30s风向对风误差X°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自检完成系统正常待风对风自检空转初始化并网转速提升并网连接并网发电快速重并网三一重能图3.7主控系统软件程序主流程29三一电气PC机调试测试工装主控柜操作主控人机界面三、主控产品组成部分（软件）品质改变世界三一重能图3.8主控系统人机界面30三一电气主控系统监控界面三、主控产品组成部分（软件）品质改变世界三一重能图3.9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。31三一电气强大的数据分析功能三、主控产品组成部分（软件）品质改变世界三一重能图3.10监控系统数据分析界面32三一电气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。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。概述三、主控产品组成部分（算法）品质改变世界三一重能33三一电气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。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。算法简介三、主控产品组成部分（算法）品质改变世界三一重能图3.14主控系统算法流程图34三一电气控制目标三、主控产品组成部分（算法）品质改变世界初级阶段低风速下，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。三一重能35三一电气动态特性研究三、主控产品组成部分（算法）品质改变世界三一重能图3.15动态特性曲线36三一电气相比于斜坡控制，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。三、主控产品组成部分（算法）品质改变世界基本控制策略三一重能图3.17双PI与查表法对比示意37三一电气风能利用效率。三、主控产品组成部分（算法）品质改变世界高级策略案例在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）转速控制效果对比。快速穿越共振区三一重能图3.18穿越共振区仿真曲线38三一电气一、风机类型简介二、主控产品简介三、主控产品组成部分四、主控产品关键技术品质改变世界目录三一重能39三一电气品质改变世界四、主控产品关键技术1.优化的元件布置与结构设计三一重能图4.1器件布局对比标杆企业控制柜布局三一控制柜布局40三一电气四、主控产品关键技术2.高可靠性的重载连接方式品质改变世界三一重能图4.2设备接线方式对比41三一电气050100150200250300350400121416182022242628timeswindspeedm/s050100150200250300350400150015501600165017001750180018501900timesgeneratorspeedrpm图4.3风速-时间曲线图4.4转速-时间曲线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。四、主控产品关键技术3.优异的转速控制性能品质改变世界三一重能42三一电气在额定阶段功率控制平稳，同等风速下功率幅值高。右图：三一（蓝）标杆企业（红）0501001502002503003504008101214161820timeswindspeedm/s0501001502002503003504001250130013501400145015001550timespowerkW051015202502004006008001000120014001600powerkWwindspeedm/s图4.5风速时间曲线图4.7功率时间曲线图4.6风功率曲线四、主控产品关键技术4.优化的风功率曲线品质改变世界三一重能43三一电气高于切入风速的任意风速下均可以恒定加速度平滑提升至并网转速；右图：三一（蓝）标杆企业（红）图4.8风速时间曲线01002003004005006000.511.522.