风电控制系统及SCADA系统

1、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

2、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

3、作区域内，机械刹车松开，叶片开始变桨，风力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

4、到一定值后，风机不允许长期在电网运行，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

5、刹车装置，迅速将风机制动，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。,自动运行控制要求,7、对风控制

6、 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090,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，限制软切入装置通过控制主电路晶闸管的导通角，以控制发电

7、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 ，使叶尖速比值为 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 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

8、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

9、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

10、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（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

11、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 CAN 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

12、,SUZLON滑环,Bachmann M1 PLC系统特点,可靠的硬件，适合恶劣的现场环境 环境温度：存储温度-400C-700C（低温型）运行温度：0-600C；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,Bachmann M1 PLC系

13、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

14、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 64kF

15、RAM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

16、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0-20mA12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（ Pt1

17、00 ） 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

18、压 差分测量（脉冲之间时间测量） ，分辨率为1微秒,PWM模块,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 使用光电耦合器把它与总线电

19、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