风机电气系统-胡光远

风力发电机电气系统培训中心2023年10月25日1风力发电机电气系统及其子系统2Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential风力发电机与电网风力发电系统与电网风力发电机组发出电压为690V频率为50Hz的交流电。经过690v/10kV变压器升压后，若干台风机并联于一条馈电线路上。整个风场把数条10kV馈电线路并联，升压为110kv或220kv与区域电网连接。2.电网对风力发电机组的要求:电压稳定、频率恒定具备低电压穿越功能可发出一定的无功3Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential电气系统的组成及主要子系统双馈异步发电机变频器变桨系统风机主控PLC系统齿轮箱系统安全系统传感器转速检测传感器振动传感器PCH温度测量传感器压力传感器气象传感器制动系统偏航系统SCADA监控防雷保护系统升压变压器风场功率控制系统电气系统的组成及主要子系统主要的电气连接回路发电机主回路，定子、转子

辅助供电回路690V400VUPS供电回路

维护维修插座及照明回路主要的控制系统偏航控制系统--主动迎风控制变频控制系统--转速控制变桨控制系统--功率控制电气系统的组成及主要子系统交-直-交变频器转子回路1500kW发电机低压配电盘变压器站1600kVA690VAC,50Hz塔底控制柜定子回路机舱控制器快速总线光缆通信多轴变桨控制器通过滑环的通信及电源电机控制M~偏航电机4x3kWG~10kV,50Hz去电网M-变桨电机3x4.2kWTCP/IP通信,去SCADA系统机舱轮毂塔筒底部CAN总线通信叶片角度控制器1电气连接框图2双馈发电机介绍7Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential发电机类型鼠笼异步感应发电机导体切割磁力线，产生感应电压。双馈绕线异步发电机

同步发电机永磁、电励磁。

双馈绕线异步发电机变速恒频 -改变励磁电流频率，使输出频率恒定同步转速以下，转子吸收能量励磁；同步转速以上，释放能量到电网。双馈电机+变频器系统变频器用于控制双馈电机并网（同相位，同频率，同电压并网）改变励磁电流频率来调节发电机转速调节励磁电流的相位来控制无功功率发电机交流感应异步发电机-1.5MW8Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential9Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential双馈发电机组-冷却方式：

空空冷却

空水冷却交流感应异步发电机-2.3MW空-水冷却10Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential发电机主要技术指标额定功率： 2300kW 1500kW冷却方式：

空-水冷却

空-空冷却发电机类型：

双馈异步电机

双馈异步电机发电机额定电压： 690V 690V发电机额定电流：定子1840A转子820A定子1205A转子540A保护等级： IP54，滑环室IP23 IP54，滑环室IP23极数： 6 4转速范围： 700～1300rpm 1200～1800rpm绝缘等级： F级 F级功率因数： Cap.0.95~Ind.0.95 Cap.0.95~Ind.0.9511Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential

带转差能量回馈的双馈式发电机10...35

kV,f=50Hz

升压变压器发电机侧变流器电网侧变流器齿轮箱抱闸变桨滑环主轴承定子并网接触器变频器控制风机控制器异步电机带滑环中压开关变频器双馈发电机组系统构成

13Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential双馈发电机组调速原理正常工作的电动机转子电流的频率大概在1Hz左右SS:转差率f1;电网频率f2：转子电流频率采用DFIG（双馈发电机）的风电系统的拓扑结构3变频器变频器额定参数15Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|ConfidentialConverteamProwindEN2.5MWFRT2变频器效率>97%额定容量：1150KVA控制方式：IGBTPWM电网侧额定电流：580A电网侧最大电流：640A转子侧额定电流：1160A转子侧最大电流：1280A冷却方式为：水冷低电压穿越LVRT：满足E.ON2006运行温度：-30℃–45℃

变频器系统1.5MW共3个柜子配电柜控制柜功率柜变频器功能调节发电机转速，实现最大风能捕获提供励磁电流并网控制

风力发电机为什么需要变速？Copyright©2010-2012EnvisionEnergy.Allrightsreserved.不同风速下，风机的输出功率存在最大值。

该值对应的风轮转速称为最优转速。实现最大风能捕获的方法：1、最优叶尖速比法2、功率信号反馈法3、爬山搜索法

PWM控制的基本思想重要理论基础——面积等效原理

采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同tOf(t)

形状不同而冲量相同的各种窄脉冲a)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOf(t)f(t)19

PWM控制的基本思想

若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。Ou>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波SPWM波Ou>ωtωtOu>ωt20Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential双馈发电机组发电原理正常工作的电动机转子电流的频率大概在1Hz左右采用DFIG（双馈发电机）的风电系统的拓扑结构S：转差率f1:频率f2:转差频率双馈发电机调速原理Copyright©2010-2012EnvisionEnergy.Allrightsreserved.普通交流感应电机的转子频率：正常工作的电动机转子电流的频率大概在1Hz左右根据上式，如果需要发电机运行在1200转那么只需要改变转子的励磁频率即可，即给转子施加10Hz的励磁电流，即可保持定子发电频率为50Hz的恒定频率。所以f2又称为转差频率。S=(1500-1200)/1500=0.2f2=0.2x50Hz=10HzS=(1500-1800)/1500=-0.2当S＞0时即n＜n1（同步转速）转子侧变频器从电网吸取功率当S＜0时即n＞n1（同步转速）转子侧变频器将吸收的机械能反馈回电网变频器控制框图4变桨系统24Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential变桨系统变桨系统的组成变桨PLC控制系统

变桨驱动系统

变桨电机

变桨机械减速齿轮箱

桨叶位置编码器、电机转速编码器

限位开关

蓄电池或超级电容变桨系统的功能风力发电机功率调节风力发电机的安全制动变桨驱动示意图26Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential变桨系统示控制框图（参考）变桨PLCprofibus通讯变桨驱动器内部结构Copyright©2010-2012EnvisionEnergy.Allrightsreserved.Copyright©2010-2012EnvisionEnergy.Allrightsreserved.变桨系统主回路29Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential变桨滑环系统功能将动力电源，控制信号，以及通讯信号，从机舱端连接至旋转的轮毂。组成固定的金针旋转的滑环失效模式污染导致信号偶尔丢失、跳动振动导致金针跳动润滑不良导致轴承损坏5PLC主控系统主控系统31Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential采用BECKHOFF的PLC控制系统（可编程逻辑控制器）完备的故障诊断功能，能够在10ms的时间间隔内采集上百个外部和内部的信号与变量，完成一个控制周期。独立的软件和硬件过功率保护系统专用的电能测量仪表和软件计算获得电力参数变桨系统的远程断电复位独立的硬件安全保护系统，确保安全运行强大的现场总线通信系统。

PLC控制（可编程逻辑控制器）PLC的功能逻辑控制功能

运算和数据处理功能

数据传递功能PLC的工作原理

监视现场的输入，根据控制逻辑去控制现场输出设备的开启和关断（读输入-逻辑判断-写输出）

Copyright©2010-2012EnvisionEnergy.Allrightsreserved.PLC控制（可编程逻辑控制器）PLC系统的组成PLC（CPU）模块存储器输入模块数字量输入EL1008模拟量输入EL3042输出模块数字量输出EL2008模拟量输出EL4022通讯模块profibus通讯EL6731Canbus通讯EL6751主控系统供电单线图34Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential6水冷系统发电机、变频器水冷系统36Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential7防雷系统38Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential防雷保护区域（LPZ）划分雷电流路径和相关设备叶片接闪器叶片引雷线变桨轴承轮毂主轴机舱底板偏航轴承塔筒大地防雷碳刷8监测与保护系统41Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential振动监测保护系统功能检测机架和塔筒振动。塔架振动过大时，断开安全链。组成PCH振动传感器CANbus通讯模块安装在发电机架上传感器3个方向独立加速度传感器可以对信号进行组合，滤波GL认证的安全冲击检测（SSD)42Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential温度测量系统功能测量风电机组舱内舱外，控制柜内外温度测量主要零部件温度，如发电机，齿轮箱组成PT100温度传感器位置主轴，齿轮箱，发电机传感器原理电阻值随温度升高而升高，0度时为100欧姆。（温度每升高一度电阻增大0.39-0.38Ω）安全链

风机的安全链是由不同的监控设备的开关触点串联而成的一个链式结构。人工安全链（HumanSafetyChain）机器安全链（MachineSafetyChain）43Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential人工安全链

输入塔底急停机舱急停复位反馈3路安全触点输出串入机械安全链输入回路使塔底60k7，60k8吸合使机舱260k7，260k8吸合1路辅助触点反馈给主控人工安全继电器状态机器安全链

输入变频器过电能人工安全链PLC过速继电器偏航二级限位PCH震动传感器反馈复位电路输出3路安全触点（用到1路）使机舱265k3,265k4吸合4路触点1路辅助触点反馈给主控2路延时触点（用到1路）使机舱265k7，265k8吸合2路触点46Titleofpresentation|MonthDD,YYYY|Confidential高速刹车系统及机械锁功能在风电机组出现故障情况下，辅助机组安全停机。维修维护临时临时锁定传动链（风轮）组成机械刹车 -高速轴刹车片轮毂锁定 -主轴机械锁