电控系统介绍

SL1500电控系统介绍

华锐风电科技（集团）股份有限公司

研发二部

SL1500电控系统介绍

目 录

1.

SL1500机组电控柜简介 .......................................................................................................................... 2

2．电控系统主要组成..................................................................................................................................... 2 2.1控制系统主要分为三部分........................................................................................................................... 3 2.2 偏航系统 ...................................................................................................................................................... 5 2.3 制动器单元 .................................................................................................................................................. 8 2.4 油冷系统 ...................................................................................................................................................... 9 2.5 水冷系统 .................................................................................................................................................... 10 2.6 变频系统 .................................................................................................................................................... 12 2.7 变桨体统 .................................................................................................................................................... 16 2.8 电池系统 .................................................................................................................................................... 18 2.9 安全链 ........................................................................................................................................................ 19 2.10 雷电保护 .................................................................................................................................................. 20

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1. SL1500机组电控柜简介

SL1500机组控制柜主要分为机舱控制柜、变桨控制柜、塔基控制柜和电池柜，低温型机组还包括加热器控制柜。

机舱控制柜由三大部分组成，包括电源柜、控制柜和变频柜（即：NCC300柜、NCC310柜和NCC320柜），柜内主要部件见下图。

变桨控制柜位于轮毂内部，分成HC400、HC410和HC420三个，配合PLC控制三个叶片动作。柜内主要包含变桨变频器、滤波电源、整流桥、继电器等电气元件。

塔基控制柜主要包括PLC、电源、交换机（ABB机组有两个，小交换机与机舱通讯，大交换机与远程通讯）。

2．电控系统主要组成

电控系统主要由以下部分组成：

• Control——控制系统 • Yaw ——偏航系统 • Brake ——制动器

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• • • • • • •

Oil ——油冷系统 Water ——水冷系统 Converter ——变频系统 Pitch ——变桨系统 Battery ——电池

Safety Chain——安全链 Other ——其他

2.1控制系统主要分为三部分：

• 通信回路 • 控制面板 • 远程WPM

通讯回路主要指PLC、变频器、AI/DI模块、控制面板、传感器及远程监控系统等之间的通讯线路。PLC与偏航变频器、变桨变频器、功率变频器间采用CAN总线通讯，PLC与交换机间采用Ethernet网线通讯，机舱与塔基、塔基与远程间采用Ethernet（Fiber optics）光纤通讯。

机舱通讯回路示意图如下：

塔基及远程通讯回路示意图如下：

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控制面板除了能够控制机组启停外，还能控制各个子系统的运行，并且能够监视实时数据、查询发电量等信息。

WPM主要用于远程监控，除了具备控制面板具有的一般功能外，它还具有下载和查询机组历史数据、功率曲线等功能。

监控系统登入权限见下表，状态数字越小，登入权限越高，如果高级别的权限登入后没有按退出命令，必须等待10分钟才会自动退出，低级别的用户才能登入。如果处于远程禁止状态，则远程WPM和虚拟面板都将无法操作。

登入状态（Login 状态） S5 S10 S20 S25 S30 S35 S99

解释 机组处于手动模式 机舱登入 塔基登入 远程禁止 虚拟面板登入 WPM登入 系统退出 功率曲线反应了机组不同风速情况下的发电量曲线图，是机组的重要技术指标之一。WPM功率曲线图中，横轴代表风速，纵轴代表功率，绿色条形图表示风频，红色曲线就是机组的功率。

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2.2 偏航系统

偏航系统的功能是什么?

- 在安装时配合叶轮吊装

- 调整机舱方向，最大限度的吸收风能

偏航系统的组成：

- - - - - - - -

风速风向仪 偏航变频器 偏航电机 旋转编码器

偏航变频器与PLC连接，控制偏航电机的动作 四个偏航电机统一协调工作，达到偏航目的 偏航计数器对偏航角度进行计算，反馈报警信号 左右方向偏航极限700度报警

偏航系统工作情况：

工作概况：

- SL1500风力发电机组使用的是超声波风速风向测试仪。

- 风速仪可以各种环境下测量风速、风向、和外界温度，并通过防雷模块（输入接风速仪、

输出接接口）、串行通讯数据线传给从属PLC。

- 通过对风向的测试，确定风力发电机组与正风向之间的夹角。 - 通过对风速的检测，从而风力发电机组的工作状态

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偏航变频器：

• • • • •

偏航变频器与从站PLC连接，使PLC通过CAN总线与偏航变频器通讯。 偏航变频器内部有的程序，PLC内对偏航变频器有一定的设置程序。 偏航变频器的CAN总线设置开关设置为off。

偏航变频器需要380VAC，经过PLC的程序要求，控制偏航变频器动作。

程序传输需要注意的是，在下载完程序后，需要重新启动变频器！严禁带电插拔数据线！！

偏航电机：

• 偏航电机的额定工作电压是380VAC，额定转速为1350rpm（不同厂家的不一样），额定功率2.2kW

• 偏航电机通过偏航齿轮箱与偏航大齿圈咬合。

• 偏航电机有温度控制开关保护电机在正常温度范围内工作。(90度报警)

• 刹车反馈，告知系统偏航电机刹车是否打开（正常情况是：偏航时打开，不偏航时关闭）。

凸轮开关（偏航解缆器）：

凸轮开关主要执行两个任务

– 第一，检测机舱偏航超出工作位置。 – 第二，计算偏航旋转角度。

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凸轮开关的调试方法：

• 检查风机塔筒的动力电缆是否完全垂直，在动力电缆完全垂直的情况下设置凸轮开关的零

位置，设置方法：

• a．打开偏航解缆传感器，由外至内分别是4号、3号、2号、1号凸轮，调整控制4号凸轮

(左右信号)位置的螺丝，使4号凸轮位置的正视图如右图所示，且凸轮边缘恰好与触点接触。 • b．调整1号凸轮(右转解缆信号)，将白色小齿轮顺时针(俯视)旋36圈, 使4号凸轮位置的

正视图如右图所示，且凸轮边缘恰好与触点接触。

• c. 调整3号凸轮(告警信号)，将白色小齿轮顺时针(俯视)旋2圈, 调整3号凸轮螺丝，使凸

轮从逆时针(俯视)方向与触点接触。

• d. 将白色小齿轮逆时针旋38圈，4号凸轮回到0位置。 • e. 调整2号凸轮(左转解缆信号)，将白色小齿轮逆时针(俯视)旋36圈, 使2号凸轮位置的正

视图如右图所示，且凸轮边缘恰好与触点接触。

• f. 将白色小齿轮逆时针(俯视)旋2圈, 调整3号凸轮螺丝，使凸轮从顺时针(俯视)方向与触

点接触。

• g. 将白色小齿轮逆时针旋38圈，4号凸轮回到0位置。

注意事项： 1.调凸轮开关的时候，一定要在电缆完全垂直的情况调； 2.设置凸轮盘位置的时候，为避免不到600度就报极限位置警告，建议按照调试方法逐步调节； 3.调完后，四个位置信号必须逐个测试，按钮触发时，验证对应的功能是否正常。

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2.3 制动器单元

为什么我们需要制动器?

应用于以下情况：

- - - -

过速 紧急停机

风机进行维护时 为了锁上叶轮锁

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2.4 油冷系统

油冷的目的是什么?

- 为齿轮箱润滑 - 冷却齿轮油

组成

- 齿轮箱

- 油冷泵、过滤器、温度传感器 - 油冷风扇

工作情况

- 到齿轮箱和冷却系统分两套回路 - 由参数的设定而决定油路

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2.5 水冷系统

为什么要有水冷系统？

– – – – – – – –

对发电机、变频器、机柜进行冷却。 组成

水泵、温度感应模块或三相阀 没有风扇的冷却器 没有过滤器

传感器：冷水温度、热水温度、水压力 状况

温度感应模块或三相阀在软件中不起作用

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2.6 变频系统

变频柜内主要包括变频器、滤波电阻电容、电抗、网侧接触器、磁铁环、Crowbar单元等等。

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发电机用变频器：

• • • •

硬件上，发电机用变频器为IGBT整流变频器，SVPWM(空间矢量脉宽调制 )技术。 发电机侧变频器与发电机转子相连。 功率容量上，两倍于网侧变频器。

软件上，发电机侧变频器采用矢量控制，接受来自发电机的速度反馈并进行解藕。

• • • • • • • • •

发电机力矩控制 功率因数调节 发电机同步 速度监视 Crowbar触发 控制DC母线 预充电

线路滤波同步处理 电网监视

电机侧变频器功能：

电网侧变频器功能：

变频器具有以下特点：

• 系统元件按20年使用寿命设计。系统可在恒定的转矩或功率下工作，突变转矩和

作用在机械部件上的合力被有效地减到最小，因此使用寿命更长。 • 变频器可以通过控制柜上的按钮、PC机或者自动控制系统来操作。当发出启动信号

时，变频器可在设定的速度范围内自动运行或者由PLC控制系统根据输入参数控制变频器自动运行。 • 紧凑、体积小。

• 防护等级为IP55，有效的防尘防水。

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• 冷却系统采用空水冷冷却方式。功率变频器内部通过位于柜侧的空气－水换热器进

行冷却。此外在功率变频器内有一套专门冷却功率半导体的空气－水换热器。有效散热、防止变频器温度过高，保护器件和系统。

变速恒频发电机组具有以下优点：

– 双馈异步发电机只处理转差能量就可以控制电机的力矩和无功功率，降低了变频器

的造价。变频器的容量仅为总机组容量的1/3左右。在最大输出功率时，转子和定子共发出1.5MW的电能。因此，双馈异步发电机产生的谐波要比所有功率都经逆变器流入电网的同步电机或异步电机变速系统小得多。 – 转差频率调节,调速范围为发电机同步转速的33.3％。降低控制系统成本、减少系统

损耗，提高效率。

– 功率因数可调，发电机组具有无功功率控制能力，功率因数可恒为1。根据需要，

功率因数可在额定电压下最大达到容性0.95，感性0.90。

– 低风速时能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速

时储存或释放风能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。 – 先进的双PWM变频器，实现四象限运行。

– 变速恒频技术大幅延长了核心部件的使用寿命，同时显著提高发电量。

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双馈异步发电机的工作原理：

双馈异步发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变频器相连。变频器控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态。在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能量，这时脉冲整流器相当于逆变器将直流侧能量馈送回电网。在亚同步发电时，通过定子向电网馈送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态。这时脉冲整流器相当于整流器从电网吸收能量。

发电机的转速范围是1000到2000rpm，同步转速是1500rpm。定子电压等于电网电压。当发电机以同步转速转动时，转差率为零，转子电压为零。

传统的风力发电机组采用鼠笼型异步发电机或同步发电机经整流、逆变后发电的结构型式，其中鼠笼型异步发电机因需要交流励磁装置供电，造成功率因数下降。而双馈感应发电机（DFIG）具有功率因数可调、效率高、变频装置容量小、投资小、增强电网稳定性等优点。在电网发生扰动时，双馈电机系统可以通过快速改变转子侧频率的方法补偿电网扰动的目的。转差能量可以被馈入电网或者从电网吸收，而不是被消耗。这一点正是提高风力发电机效率的关键。

风机并网时发电机和变频器如何动作：

当风机达到并网转速，此时变频器迅速实现各种状态的切换，由预充电到网侧变频器启动到机侧变频器启动到同步，最后至并网。当变频器启动到同步状态时，通过变频器吸收电网能量给发电机转子励磁，从而调整发电机定子侧的感应电压，此时变频器会检测电网电压与发电

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机定子电压，如果二者频率、相位、幅值基本一致，那么变频器就会给定子接触器一个动作信号，实现最终并网。

发电机三相绕组平衡：

正常情况下，如果三相绕组平衡，那么三相绕组的相电流也是平衡的，一旦绕组不平衡，导致相电流不平衡，继而导致相间电流流动，即故障电流产生，最终导致发电机过流。

PM3000变频器和低电压穿越：

PM3000变频器是美国超导生产的PM1000变频器的升级版，其功能和内部结构与PM1000大同小异，各测量、反馈线路没有改变，只是各部件容量均有提高，使其运行更稳定。外形变化较大，由原来的机侧、网侧变频器分体结构改为一体结构，这样减少了机侧、网侧变频器的外围通讯，大大降低通讯故障的产生。

低电压穿越一般来讲定义为在电网电压突降情况下风机可以保持与电网连接的特性。按照国外的标准，当电网电压下降到25%时，风机可以承受625ms，如果在3s内电网电压能够恢复到90%，那么风机就可以继续运行。

无功补偿：

电力系统中的变电所或直接在电能用户变电所装设无功功率电源,以改变电力系统中无功功率的流动,从而提高电力系统的电压水平，减小网络损耗和改善电力系统的动态性能，这种技术措施称为无功功率补偿。无功功率会造成电网电压升高或降落，却不能做出有效的功。因而需要对无功功率进行补偿。一般电网中感性元件较多，所以变电所都会安装大量容性装置来平衡，使功率因数接近1，提高有功功率的利用率。

2.7 变桨体统

为什么要有变桨系统？

• 在风速小于目标风速时，通过调整叶片角度，来得到最佳的发电功率。

• 当风速大于目标风速时，变桨系统调节叶片角度，控制风机的速度和功率维持在一个最优

的水平。

• 当安全链断开的时候，把叶片转到顺桨位置（安全运行），把风轮当成一个空气动力学的刹

车来使用。

• 利用风和叶轮的相互作用，减小摆动从而将机械负载最小化。

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变桨系统如何控制转速：

当风速大于目标风速时，变桨系统调节叶片角度，控制风机的速度和功率维持在一个最优的水平。在风速小于目标风速时，通过调整叶片角度，来得到最佳的发电功率。利用风和叶轮的相互作用，减小摆动从而将机械负载最小化。

每一个叶片用的变桨电机带动，受的变桨变频器控制其转速，从而实现叶片在顺桨位置和工作位置间连续性的动作。叶片的移动角度由PLC中的功率控制算法计算得出后通过CAN总线通讯传递给变桨变频器实现最终动作。功率控制算法的最终目的是使风机达到最佳的功率输出。

3个变桨电机如何实现同步：

变桨电机虽然由各自的变桨变频器控制动作，但是三个变桨变频器接受同一PLC的命令，根据PLC中的功率控制算法计算出的期望角度，三个电机同时做出相应动作。一旦有某个电机由于其它原因与另外两个电机产生一定角度差，那么PLC会同时对三个叶片进行调整，即重新回到基准位置而后重新启动。

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变桨电机单向刹车的工作原理：

变桨系统存在一个安全锁的保护系统，当运行过程中变桨系统出现故障使叶片停留在某一工作位置时，电机刹车也同时吸合，但电机刹车为单向制动，它会阻止叶片向工作位置移动。当外力足够大时，叶片会自动回到顺桨位置，这是风机的一种保护机制，目的是降低风机在故障后对风能的吸收。

2.8 电池系统 为什么要电池单元？

– 在掉电后，变桨系统可以安全停机 – 掉电后，为控制系统提供24V电源

电池充电过程中，各个接触器动作情况：

（1） （2）

S3快速充电：k212.4、k212.6吸合；

S4电池测试：k212.4、k212.6打开—〉k212.2吸合—〉k212.2、k212.6吸合—〉k212.6、

k212.2打开； （3） （4）

S5慢速充电：k212.4、k212.6吸合—〉k212.6打开； S6电池稳定：k212.4打开。

电池测试回路工作原理

快速充电后，如果电池电压高于VolLow，开始检测，首先打开电池充电接触器，后先进行小负

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载测试（连接0.8A负载），再进行大负载测试（连接8A负载），最终如果得到的测试电压在正常范围内，则测试通过。

2.9 安全链

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安全链触发与制动器关系：

24VDC供电, 熔丝，急停

发电机超速 振动开关 看门狗 制动器位置 工作位置 变桨驱动 存储继电器 制动器打开

轮糓超速 三个叶片故障

制动器关闭

2.10 雷电保护

雷击

-雷击是一个大气的放电过程。 -大气放电的电流路径。 - 人和物体都有危险。 结果

- 沿着放电路径电压下降。

- 在供应系统中引起暂时的波动过电压。 - 放电电流的热效应、磁效应和机械效应。 实现

– 一些导体在闭合的外表面内磁场为零。

– 每个防雷导体到地和闪电的连接都要至少有两条平行的路径。 – 避雷导线越短越好。

– 避雷装置定位要尽可能的与要保护的系统元件接近。 保护系统

– 所有的金属部分通常都导电。

– 在旋转部件和非旋转部件的能量转化时，会有放电间隙。需要单独的电刷或者电爪。 – 保护轴承。

– 为每一个可能遭受损坏的元件提供雷击保护。

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