风力发电机组 控制系统及SCADA系统1 1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 2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3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4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。5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。 6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。 7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。 8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。 9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，迅速将风机制动，防止故障进一步加深。 10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。 11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。 12自动运行控制要求 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。 13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 14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。 15风电机组工作状态及控制方法V切入风速切入风速V风速风速V转子最大转速下的风速转子最大转速下的风速 最佳最佳CpCp值控制：虽然最大值控制：虽然最大CpCp值在不同风速下是不相同的，但在风速一定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的转速 ，使叶尖速比值为，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风速风速V额定风速额定风速 恒转速控制：保持额定转速，直到达到最大功率，这时恒转速控制：保持额定转速，直到达到最大功率，这时CpCp值不一定最值不一定最佳。佳。V额定风速 V风速风速V切出风速切出风速 恒功率控制：通过变桨距调节，保持输出功率为额定值。恒功率控制：通过变桨距调节，保持输出功率为额定值。16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。17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各控制功能中央处理及通讯 风机本地监控和操作风机本地监控和操作机舱控制柜 主控制系统的远程主控制系统的远程I/OI/O站站 偏航控制及其他辅助控制功能偏航控制及其他辅助控制功能轮毂控制柜 机舱机舱CANCAN从站从站 变桨控制及其他辅助控制功能变桨控制及其他辅助控制功能 18控制系统框图19塔基控制柜塔基控制柜组成塔基控制柜组成1. PLC1. PLC主站主站2. RTU2. RTU（远程接口单元）（远程接口单元）3. 3. 工业以太网交换机工业以太网交换机4. UPS4. UPS电源电源5. 5. 触摸屏（本地监控及操作）触摸屏（本地监控及操作）6. 6. 各种按钮、指示灯、小型断各种按钮、指示灯、小型断路器、继电器、加热元件、风路器、继电器、加热元件、风机、端子板等等机、端子板等等 20塔基控制柜PLC主站系统 1.CPU1.CPU模块（带有以太网接口和模块（带有以太网接口和CAN MASTER CAN MASTER 接口）接口） . .机组控制机组控制 . .变频器控制（变频器控制（CAN BUSCAN BUS和硬接线）和硬接线） . .与与RTURTU进行数据交换进行数据交换 2.FM2.FM模块（模块（FASTBUSFASTBUS总线通讯模块）总线通讯模块） . .与机舱与机舱PLCPLC从站进行数据交换从站进行数据交换 3.DIO3.DIO模块模块 . .处理各种外部开关量输入处理各种外部开关量输入/ /输出输出: :如风机起动如风机起动/ /停车、停车、 变压器高侧压开关的状态、变频器及冷却装置变压器高侧压开关的状态、变频器及冷却装置 等外部信号等外部信号 4.AIO4.AIO模块模块 . .处理各种外部模拟量信号如：变频器冷却装置的入口、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、变压器温度等出口水压、变压器温度等 5.5.空模块空模块21机舱控制柜机舱控制柜组成 1.1.机舱机舱PLCPLC站站 电源模块电源模块 FASTBUSFASTBUS从站模块从站模块 CANBUSCANBUS主站模块主站模块 以太网模块（本地以太网模块（本地PCPC维护接口）维护接口） DIO AIODIO AIO模块模块 2.2.塔基塔基X-YX-Y振动传感器单元振动传感器单元PCH PCH 3. 3.紧急故障继电器紧急故障继电器 4.4.各种断路器、继电器、开关等各种断路器、继电器、开关等22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23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 24轮毂控制柜安装于柜体中安装于柜体中, ,分分3 3个部分个部分, ,每个部分负责一个叶片每个部分负责一个叶片轮毂轮毂PLCPLC站站 CAN SLAVECAN SLAVE模块模块 轮毂转速编码器模块轮毂转速编码器模块 叶片角度编码器模块叶片角度编码器模块 I/OI/O模块模块(DIO,AIO)(DIO,AIO)伺服驱动单元伺服驱动单元紧急变桨蓄电池及监视单元紧急变桨蓄电池及监视单元紧急变桨模块紧急变桨模块超速保护继电器超速保护继电器小型断路器小型断路器, ,各种继电器及端子板各种继电器及端子板各种按钮各种按钮, ,指示灯及维护开关指示灯及维护开关25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26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27SUZLON滑环2829Bachmann M1 PLC系统特点可靠的硬件，适合恶劣的现场环境可靠的硬件，适合恶劣的现场环境 环境温度：存储温度环境温度：存储温度-40-400 0C-70C-700 0C C（低温型）运行温度：（低温型）运行温度：0-600-600 0C C；相对湿度：；相对湿度：5-95%5-95% 适合于振动环境适合于振动环境高性能的高性能的CPUCPU，大容量的存储器，大容量的存储器 intel 80386EXintel 80386EX，33MHZ,8M33MHZ,8M内存，最大内存，最大64M64M程序存储区，适合于复杂的算法，兼具传统程序存储区，适合于复杂的算法，兼具传统DCSDCS和和PLCPLC的优点的优点灵活的通讯方式，简洁的网络结构灵活的通讯方式，简洁的网络结构 支持支持CANCAN、FASTBUSFASTBUS、ProfibusProfibus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多种可编程的I/OI/O模块模块 I/OI/O模块可灵活进行编程设置，降低了现场处理问题的时间模块可灵活进行编程设置，降低了现场处理问题的时间30Bachmann M1 PLC系统特点实时多任务操作系统实时多任务操作系统VxWorksVxWorks灵活的编程方式灵活的编程方式 C+C+、ILIL、STST、FDBFDB、LDLD、SFCSFC、CFCCFC强大的仿真功能强大的仿真功能 matlabmatlab中产生的代码通过中产生的代码通过M1 PLCM1 PLC的编译工具编译后可以直接在的编译工具编译后可以直接在M1 PLCM1 PLC中运行中运行强大的软件示波器功能强大的软件示波器功能 大大降低了分析和调试的时间大大降低了分析和调试的时间多种风电机组工具包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31模块化软件设计风力发电机组模块风力发电机组模块 主控制顺序主控制顺序( (启动启动/ /停车停车/ /重启等发电顺序重启等发电顺序) )及主风机事件评估及主风机事件评估变频器模块变频器模块 变频器控制及变频器事件评估变频器控制及变频器事件评估机舱模块机舱模块 偏航控制偏航控制, ,机舱辅助控制及机舱事件评估机舱辅助控制及机舱事件评估轮毂模块轮毂模块 变桨控制变桨控制, ,轮毂辅助控制及轮毂事件评估轮毂辅助控制及轮毂事件评估事件处理模块事件处理模块 所有事件处理所有事件处理硬件模块硬件模块 I/OI/O地址设定地址设定, ,开关量及模拟量通道设定开关量及模拟量通道设定32模块化软件设计报告模块 可利用率及生产统计处理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, ,同时还可用于工厂同时还可用于工厂3 3个控制柜的工厂测个控制柜的工厂测试试库模块 标准函数及标准功能块标准函数及标准功能块33BACHMANN模块介绍模块介绍34MPC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400MHZ2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35DIO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。36DIO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37数字输入输出模块TTL26448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38AIO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PT10039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 40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 41计数模块CNT204/x4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42PWM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 43CAN总线CM202CANopen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44CAN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隔离短路保护45Fast 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46Fast 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47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LED48存储卡49模块背板Backplanes BS2xx1-16路模块插槽可扩充紧凑设计防震设计背部拉扣设计50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51SCADA系统监视控制和数据采集(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52SCADA系统组成现有风电场现有风电场SCADASCADA系统主要由以下系统主要由以下3 3部分组成：部分组成：1)1)就地监控部分：布置在每台风力发电机塔筒的就地监控部分：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。的数据进行采集。2)2)中央监控部分：一般布置在风电场控制室内。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。电场同一型号风力发电机的运行和操作。3)3)远程监控部分：根据需要布置在不同地点的远远程监控部分：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。讯方式访问中控室主机进行控制。53SCADA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。者的需要进行扩展定制以满足不同层面的要求。统一的图形接口统一的图形接口, ,报告格式和数据库结构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电网和子站接口单元用于整个风场电气系统的监控 54