风力发电机组控制系统及SCADA系统

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1、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,,,,*,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,风力发电机组 控制系统及,SCADA,系统,风力发电机组的控制系统,风力机的运行及保护需要一个全自动控制系统，它必须能控制风机自动启动，控制叶片桨距

2、的机械调节装置及在正常和非正常情况下停机。除了控制功能，系统用于监测以提供运行状态、风速、风向等信息。该系统是以计算机为基础，一般具备远程控制及监测功能。控制系统具有以下主要功能：,,1,、顺序控制启动、停机以及报警和运行信号的监测,,2,、偏航系统的低速闭环控制,,3,、桨距装置快速闭环控制,,4,、与风电场控制器或远程计算机的通讯,,风机运行状态划分,运行状态,,1,）机械刹车松开,,2,）允许机组并网发电,,3,）偏航系统投入自动,,4,）变桨系统选择最佳工作状态,,5,）发电机出口开关闭合，若风速够大可以发电，则大、小发电机的相应开关闭合,,风机运行状态划分,停机状态,,1,）机械刹车

3、松开,,2,）偏航系统停止工作,,3,）叶片收回至,90°,变桨系统停止工作,,4,）发电机出口开关闭合，其余开关均断开,,风机运行状态划分,紧急停机状态,,1,）机械刹车与空气动力刹车同时快速动作,,2,）计算机输出信号被旁路，使计算机没有可能去激活任何机构,,3,）计算机仍在运行和测量所有输入信号,,4,）发电机出口开关和所有接触器断开,,5,）叶片紧急收回至,90°,后变桨系统停止工作,,6,）偏航系统停止工作,,风力发电机组进入紧急停机状态后，除非手动进行复位，否则无法启动。,自动运行控制要求,,1,、开机并网控制,,当风速十分钟平均值在系统工作区域内，机械刹车松开，叶片开始变桨，风力

4、作用于风轮旋转平面上，风机慢慢起动，当转速即将升到发电机同步转速时，软启动装置使发电机连入电网呈异步电动机状态，促使转速快速升高，待软启动结束旁路接触器动作，机组并入电网运行。,自动运行控制要求,,对于有大、小发电机的风力发电机组组，按风速范围和功率的大小，确定大、小电机的投入，但大电机和小电机的发电工作转速不一致，通常为,1000r/m,和,1500r/m,，在小电机脱网，大电机并网的切换过程中，要求严格控制，通常必须几秒完成控制。,,自动运行控制要求,,2,、小风和逆功率脱网,,小风和逆功率停机是将风机停在待风状态，当十分钟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，风机不允许长

5、期在电网运行，必须脱网，处于自由状态，风机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，风机又可自动旋转起来，达到并网转速，风机又投入并网运行。,自动运行控制要求,,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，风机进入普通停机程序，机组收回桨叶，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。,自动运行控制要求,,4,、紧急故障脱网停机,,当系统发生紧急故障如风机发生飞车，超速、振动及负载丢失等故障时，风机进入紧急停机程序，机组在迅速收回桨叶的同时执行机械刹车装置，迅

6、速将风机制动，防止故障进一步加深。,自动运行控制要求,,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,——,叶片迅速变桨收回、机械刹车和脱网同时动作，风力发电机组组在几秒内停下来。,自动运行控制要求,,6,、大风脱网控制,,当风速,10,分钟平均值大于,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，这时风机必须进行大风脱网停机。风机先投入收回叶片，等功率下降后脱网，,20,秒后或者低速轴转速小于一定值时，抱机械闸，风机完全停止。当风速回到工作风速区后，风机开始恢复自动对风，待转速上升后，风机又重新开始自动并网运行。,自动运行控

7、制要求,,7,、对风控制,,风机在工作风速区时，应根据机舱的控制灵敏度，确定每次偏航的调整角度。由风向标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，时刻调整机舱偏航电机的运行状态。,自动运行控制要求,,8,、功率调节,,当风机在额定风速以上并网运行时，一旦发生过载，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,0°—90°,自动运行控制要求,,9,、软切入控制,,风力发电机组组在进入电网运行时，必须进行软切入控制。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。控制其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

8、软切入装置通过控制主电路晶闸管的导通角，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，将主电路晶闸管断开，软切入过程结束，软并网成功。,风电机组工作状态及控制方法,V,切入风速,≤,V,风速,≤,V,转子最大转速下的风速,,最佳,Cp,值控制：虽然最大,Cp,值在不同风速下是不相同的，但在风速一定的情况下，需要使它达到最大。由上面的公式知道，只需要控制发电机的转速,ω,,，使叶尖速比值为,λ opt,即可实现该风速下的最佳风能利用。发电机的转速控制是通过风电变频器对发电机的控制来实现的。,,V,转子最大转速下的风速,≤,V,风速,≤,V,额定风速,,,

9、恒转速控制：保持额定转速，直到达到最大功率，这时,Cp,值不一定最佳。,,V,额定风速,≤,V,风速,≤,V,切出风速,,,恒功率控制：通过变桨距调节，保持输出功率为额定值。,,风力发电机组的控制目标,（,1,）控制系统保持风力发电机组组安全可靠运行，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入电网。,,（,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启停及功率优化控制，主要进行软切入、功率因数补偿控制、大小发电机切换和额定风速以上的恒功率控制。,风机控制系统

10、组成,塔基控制柜,,风机各控制功能中央处理及通讯,,风机本地监控和操作,,机舱控制柜,,主控制系统的远程,I/O,站,,偏航控制及其他辅助控制功能,,轮毂控制柜,,,机舱,CAN,从站,,变桨控制及其他辅助控制功能,,,,,,,控制系统框图,塔基控制柜,塔基控制柜组成,,1. PLC,主站,,2. RTU,（远程接口单元）,,3.,工业以太网交换机,,4. UPS,电源,,5.,触摸屏（本地监控及操作）,,6.,各种按钮、指示灯、小型断路器、继电器、加热元件、风机、端子板等等,,,,塔基控制柜,PLC,主站系统,,,1.CPU,模块（带有以太网接口和,CAN MASTER,接口）,,,.,机组

11、控制,,,.,变频器控制（,CAN BUS,和硬接线）,,,.,与,RTU,进行数据交换,,,2.FM,模块（,FASTBUS,总线通讯模块）,,,.,与机舱,PLC,从站进行数据交换,,,3.DIO,模块,,,.,处理各种外部开关量输入,/,输出,:,如风机起动,/,停车、,,变压器高侧压开关的状态、变频器及冷却装置,,等外部信号,,,4.AIO,模块,,,.,处理各种外部模拟量信号如：变频器冷却装置的入口、,,出口水压、变压器温度等,,,5.,空模块,机舱控制柜,机舱控制柜组成,,,1.,机舱,PLC,站,,电源模块,,,FASTBUS,从站模块,,,CANBUS,主站模块,,以太网模块（

12、本地,PC,维护接口）,,,DIO AIO,模块,,,2.,塔基,X-Y,振动传感器单元,PCH,,3.,紧急故障继电器,,,4.,各种断路器、继电器、开关等,,,机舱控制柜主要功能,手动,/,自动偏航控制包括液压刹车,,气象站数据检测（风速、风向、温度）,,润滑系统控制,,发电机温度检测和保护,,扭缆检测及控制,,与塔基,PLC,主站（,FASTBUS,）及轮毂,PLC,从站（,CAN,）通讯,,本地调试及维护接口,轮毂锁装置,用于固定风轮,,使用液压闭锁装置,,在风机停机维护时使用,,,,,轮毂控制柜,安装于柜体中,,,分,3,个部分,,,每个部分负责一个叶片,,轮毂,PLC,站,,,CA

13、N SLAVE,模块,,轮毂转速编码器模块,,叶片角度编码器模块,,,I/O,模块,(DIO,AIO),,伺服驱动单元,,紧急变桨蓄电池及监视单元,,紧急变桨模块,,超速保护继电器,,小型断路器,,,各种继电器及端子板,,各种按钮,,,指示灯及维护开关,,,轮毂控制柜功能,变桨及紧急收桨控制,,紧急收桨系统在线检测,,超速保护,,轮毂速度检测,,变桨轴承和变桨齿轮润滑控制,,轮毂温度监视,,滑环装置,滑环装置的作用,,,1.,轮毂供电传输,,,2.CAN,总线传输,,,3.,超速传感器安装,,,4.,轮毂转速传感器安装,SUZLON,滑环,,Bachmann M1 PLC,系统特点,可靠的硬件

14、，适合恶劣的现场环境,,,环境温度：存储温度,-40,0,C-70,0,C,（低温型）运行温度：,0-60,0,C,；相对湿度：,5-95%,,,适合于振动环境,,高性能的,CPU,，大容量的存储器,,,intel,80386EX,，,33MHZ,8M,内存，最大,64M,程序存储区，适合于复杂的算法，兼具传统,DCS,和,PLC,的优点,,灵活的通讯方式，简洁的网络结构,,,支持,CAN,、,FASTBUS,、,Profibus,等现场总线及工业以太网通讯方式，支持双绞线和光纤通讯介质,,多种可编程的,I/O,模块,,,I/O,模块可灵活进行编程设置，降低了现场处理问题的时间,Bachman

15、n M1 PLC,系统特点,实时多任务操作系统,VxWorks,,灵活的编程方式,,,C++,、,IL,、,ST,、,FDB,、,LD,、,SFC,、,CFC,,强大的仿真功能,,,matlab,中产生的代码通过,M1 PLC,的编译工具编译后可以直接在,M1 PLC,中运行,,强大的软件示波器功能,,,大大降低了分析和调试的时间,,多种风电机组工具包,,,如：生产数据处理、功率曲线、偏航控制、统计分析等等,,数据安全,,模块化软件设计,风力发电机组模块,,,主控制顺序,(,启动,/,停车,/,重启等发电顺序,),及主风机事件评估,,变频器模块,,变频器控制及变频器事件评估,,机舱模块,,偏航

16、控制,,,机舱辅助控制及机舱事件评估,,轮毂模块,,变桨控制,,,轮毂辅助控制及轮毂事件评估,,事件处理模块,,所有事件处理,,硬件模块,,,I/O,地址设定,,,开关量及模拟量通道设定,模块化软件设计,报告模块,,可利用率及生产统计处理,,用户接口模块,,基于对象的信号处理,,,主要是与本地监控系统和中央监控系统的数据交换,,仿真模块,,内置的仿真模块用于控制系统的软件测试,,,同时还可用于工厂,3,个控制柜的工厂测试,,库模块,,标准函数及标准功能块,BACHMANN,模块介绍,MPC,型控制器,,使用,PC,机，适应性强,,奔腾,III,系列处理器,,处理器时钟频率,400MHZ,,2,

17、个串口,,2,个,10/100M,以太网口,,1,个,USB1.1,接口,,具备运行、初始化、出错指示的指示灯,,大容量外存（最大,1G,）,,32/64/128MB,内存,,最大,512K,数据存储器，电池后备电源,,64kFRAM,数据存储器,,PC,机板载,4/8/16/32/64MB,闪存式程序存储器，,4MB,内部闪存用于系统软件,DIO,数字量输入输出模块,,可配置输入,/,输出比,,可从数字传感器读取信号,,数字执行机构切换,,提供输入与输出,I/O,电位间的插针，并与总线电隔离,,防止输出短路，过载热保护,,数字输入,/,输出模块,DIO2XX,可用于驱动执行机构、如接触器、继

18、电器，气动阀和液压阀，还可用于读取数字工作设备的信号，如传感器，光电管设备和各种开关。,DIO,数字量输入输出模块,,16/48/64/80,个数字通道,,16,个通道克设置成输入或输出,I/O,点,,配置中断输入量,,每个通道带有状态指示,LED,,供电电源,18-34V DC,，电源具有极性反接保护,,数字输入输出模块,TTL264,,48,个数字输入通道,,16,个数字输出通道,,状态指示：黄色,LED,表正常,(,,RDY ),,电源内部的,5,伏直流取自背板,,可连接外部,5,伏直流电源,,AIO,模拟量输入输出模块,,每个输入通道的输入电压可设置成,±1V,，,±10V,，或者,0

19、-20mA12,路,Pt100,信号,,测量范围,-100-+300℃,,取,16,个数值做平均，提高精度,,出错检测,,传感器和执行机构可取单端或差别连接,,可连接,2,线制,PT100,温度记录模块,PTAI216,,温度记录模块,PTAI216,有,4,路模拟输入和,12,路,PT100,传感器输入,,单端或差分模拟输入信号,,可输入,2,线,Pt100,传感器,,分辨率,14,位（,AI,）,/ 12,位（,Pt100,）,,取样时间,2.5,毫秒（,AI,）,/ 600,毫秒（,Pt100,）,,输入与系统电隔离,,断线监测投入,,监测外部电源电压,温度记录模块,PTAI216,,温

20、度记录模块,PTAI216,有,4,路模拟输入和,12,路,PT100,传感器输入,,单端或差分模拟输入信号,,可输入,2,线,Pt100,传感器,,分辨率,14,位（,AI,）,/ 12,位（,Pt100,）,,取样时间,2.5,毫秒（,AI,）,/ 600,毫秒（,Pt100,）,,输入与系统电隔离,,断线监测投入,,监测外部电源电压,计数模块,CNT204/x,,4,单路计数输入,,状态显示：,LED,（绿色）每计数器,/,标志输入,,2,个输入通道的增量编码器,,编码器电源直接连接,,输入可以同步,,监测所有的电源电压,,差分测量（脉冲之间时间测量） ，分辨率为,1,微秒,PWM,模块

21、,,脉宽调制模块,PWM202,包含两个高功率输出的直接连接电感或电阻负载如直流驱动器，线圈等。使用脉宽调制。,,2,输出脉宽调制信号,,状态显示：,LED,（绿色）,,选择高功率或,TTL,输出信号,,监测输出,,监测外部电源,,监测内部温度,CAN,总线,CM202,,CANopen,主模块,CM202,带有集成处理器，性能高,,用于把,CAN,总线设备与,M1,控制器连接在一起,,每个,CANopen,主模块带有两个独立的,CAN,总线,,每个,CAN,总线可带最多,64,个节点,,CAN,总线从模块,CS200/N,,传输率从,10k,波特率到,1M,,总线长度最长可达,5000,米,

22、,使用光电耦合器把它与总线电隔离,,短路保护,,Fast Bus,模块,,Fast Bus,模块,FM211,和,FS211,可把输入,/,输出远程基站与主控制器连接在一起,,传输介质可选择传输速度为,73MHZ,的光缆,,它工作在双工模式，是同时通讯,Fast Bus,模块,,最多可配置,15,个子站，子站间采用光纤传输，最远距离达,150,米,,信号到达第一个子站处的时延为,3.5,微秒，每个子站间的时延为,1.4,微秒,,控制器系统的所有输入,/,输出模块可用于,Fast Bus,子站中,,采用光纤可实现电隔离,以太网总控制器,,EM203,模块是一种工业兼容以太网主控器,,它用于访问,

23、M1,控制器系统的数据，,EM203,模块也能用于子站连接,,通过,Fast Bus,,以太网采用,10/100BaseT,技术，带有,RJ45,接头,,通讯电缆最长达,100,米,,状态显示,LED,存储卡,,模块背板,Backplanes BS2xx,,1-16,路模块插槽,,可扩充,,紧凑设计,,防震设计,,背部拉扣设计,电源模块,,M1,控制器系统电源,,电源接通状态显示,LED,,电源电压,18-34VDC,，波动,2.6V,,电源电压监视,,电源断开,3,毫秒后，产生电源故障信号送至处理器模块,,一次,/,二次电隔离,,一次,/,接地电隔离,SCADA,系统,监视控制和数据采集,(

24、Supervisory Control And Data Acquisition,，,SCADA,,远程监控系统与风机采用光纤连接,,可以利用互联网络进行,VPN,访问，与主控室浏览及操作方式相同,,,SCADA,系统组成,现有风电场,SCADA,系统主要由以下,3,部分组成：,,1),就地监控部分：布置在每台风力发电机塔筒的控制柜内。每台风力发电机的就地控制能够对此台风力发电机的运行状态进行监控，并对其产生的数据进行采集。,,2),中央监控部分：一般布置在风电场控制室内。工作人员能够根据画面的切换随时控制和了解风电场同一型号风力发电机的运行和操作。,,3),远程监控部分：根据需要布置在不同地点的远程控制。远程控制目前一般通过调制解调器等通讯方式访问中控室主机进行控制。,SCADA,系统特点,完全独立的第三方软件，操作具有透明和可追踪的特点,,独立的风电机组、电网和气象站远程通讯接口单元,,可实现远程访问及控制,,可根据风电机组制造商、风场开发人员、运行人员和投资者的需要进行扩展定制以满足不同层面的要求。,,统一的图形接口,,,报告格式和数据库结构,,自动生成的风场功率曲线可以验证实际的发电量及收益是否达到了期望值,,气象站接口单元用于独立的风速和气象参数监视和分析,,电网和子站接口单元用于整个风场电气系统的监控,