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风电机组结构概述风力发电技术发展很快,本人不揣浅陋,在此对风力发电机组的结构略作概述风力发电机组的机械件是指机组在各种允许的状态下,始终不带电的零部件相应地,风力发电机组中,在各种允许的状态下,有可能带电的零部件,称为电气件下面首先介绍风力发电机组的机械结构,然后介绍机组的电气结构
一、机械结构所有的机械件构成整个风力发电机组的机械结构从外观结构上,可以将风电机组划分为以下八个系统
(一)转子又叫叶轮、风轮,包括三个叶片和轮毂,以及相应的附件
(二)传动系统包括主轴、齿轮箱、联轴器三个部分主轴是指叶轮与发电机或者齿轮箱之间的连接部分,起支撑叶轮和传动风转矩的作用;齿轮箱也叫增速齿轮箱,起到增速作用;联轴器是连接传动轴(drivingshaft指齿轮箱高速轴)和非传动轴(drivenshaft指发电机前轴)的弹性部件对于直驱型机组,其传动系统由较大区别以金风
1.5WM系列机组为例,传动系统比较特殊,没有齿轮箱、联轴器、主轴等部件,叶轮直接与发电机外转子(永磁体)相连接
(三)发电机同时,另一种技术也逐渐在无功补偿上得到应用在电力上一般将无功分为基波无功和谐波无功,其中消除谐波无功就是进行谐波无功的补偿,消除谐波的这种装置叫做有源电力滤波器ActivePowerFilterAPFAPF与SVG的区别之处就在于,SVG是一种基波补偿器,而APF是一种谐波补偿器随着APF技术的发展,新型的APF兼有谐波消除及无功补偿的功能目前,机组无功补偿主要采用并联电容的方式,也即晶闸管投切电容器ThyristorSwitchCapacitorTSC的补偿方式TSC属于SVC的一种,控制系统根据所需要的补偿量进行电容的投切,这种无功补偿的方式是分级调节的,不能连续调节无功功率,容易出现过补偿或者欠补偿,但运行时不产生谐波,损耗较小且容易实现,成本低,易维护,所以仍得到广泛采用
15、机组的其它控制风力发电是一个朝阳产业,发展迅速,风力发电机组的控制技术也日新月异,新思想新技术的发明和应用都很快,另一方面,风力发电机组在控制技术上有一些特殊的要求,因此除了上述控制技术外,还有其它一些控制方面的技术要求,例如低电压穿越、风能预测、躲避共振点等技术,本书都会有涉猎四接地系统与防雷保护整个机组以地网的形式接地,并通过碳刷、铜辫等部件将整个机组连接成等电位体,一方面实现对工作人员的保护,另一方面提高机组的防雷性能主要的引雷部件有叶尖的接闪器、机舱尾部的避雷针,这些引雷部件都通过铜线连接到塔底的环形接地网上,以便在机组遭雷击时,能够将雷击电流快速引入接地网,最终流入大地发电机是风力发电机组最重要的设备之一,是机电一体化的产物从机械角度看,发电机的安装、对中、减震等都很重要
(四)液压系统在风力发电机组中,液压系统是机组重要的执行系统,从液压系统的组成上来说,它主要包括动力元件一一液压泵、执行元件一一液压缸和液压马达、控制元件——各种控制阀、辅助元件一一蓄能器和油箱等;从液压的应用上来说,液压系统主要包括高速轴(或低速轴)机械刹车、液压变桨、叶尖扰流器控制、偏航阻尼控制等四个方面
(五)偏航系统偏航系统的机械部件主要包括偏航电机、偏航减速器、偏航驱动齿轮、偏航轴承、偏航卡钳其中偏航卡钳分为机械式偏航卡钳和液压式偏航卡两种,偏航轴承分为滑动轴承和滚动轴承两种
(六)支撑系统机组的主要支撑件构成机组的支撑系统,主要包括机舱架(机架)、塔架与基础三大部分
(七)电气柜体电气柜体主要包含了机组的电气控制部件,从机械角度来看,电气柜体的布置、固定也非常重要
(八)其它附件除了上述七大件之外的其他部分,称为附件如机舱罩、爬梯、助爬器、塔底支架等附属设备以上八个系统的主要机械件包括叶片、轮毂、变桨机构与变桨轴承、主轴与主轴承、齿轮箱、联轴器、机械刹车、偏航机构与偏航轴承、液压站结构、机组润滑装置、机舱架、机舱罩、塔架、基础等十四个部分
二、电气结构如果说机械件是支撑起整个风力发电机组的筋骨,那么电气件就组成了整个机组的血液和神经系统各个电气部件通过有机组合,构成整个机组的电气和控制系统,简称电控系统风力发电机组的电气件分散于机组的各个部分,从位置上来看,电气件主要分散于以下三个地方
(1)塔底即塔筒内的底部,一般设置有支撑架,称之为塔底支架,塔底支架用于放置各种电气柜和设备;
(2)机舱即塔筒顶部机舱罩包围的部分;
(3)轮毂即连接三个叶片和主轴的部件,对于电动变桨型机组的轮毂,其中包含了用于变桨控制的各种电气件用于控制风力发电机组各处执行机构的接触器、断路器、熔断器、避雷器、继电器、电源模块,以及各个地方的供配电设备,一般都集中安装在电气柜内,风力发电机组的电气柜主要包括顶部控制柜、底部控制柜、变频柜、同步开关柜、各种配电柜、变桨内电气柜等,但是并非所有机组都含有以上柜体尽管各种机组的电控系统设计差别很大,但是根据功能的不同,可以将当前主流机型的整个电控系统划分为变桨系统、变速(变频)系统、主控系统、接地系统与防雷保护四个部分
(一)变桨系统变桨系统(PitchSystem)也即机组的变桨控制系统,是指变桨型机组在运行过程中,通过改变叶片桨距角来进行功率调节的机组控制子系统变桨系统分为液压变桨和电动变桨两种,这里的变桨主要指电动变桨这种形式,而对于液压变桨,我们将它划归在主控部分的液压系统中对于电动变桨系统,一般在轮毂中设置变桨电气柜来控制叶片的变桨动作,并检测叶片角度及其它参数,通过穿过中空的主轴的电缆(主轴电缆)来实现轮毂与机舱控制柜之间的能量和信息传递为了便于叙述,我们称穿过主轴中心孔的电缆为主轴电缆,主轴电缆一般包含三相400VAC供电电缆、24VDC供电与信号电缆、通信电缆等而轮毂中的变桨电气柜一般为七柜式三个轴柜,分别负责三个叶片的变桨电机的控制,主要包含三个变桨电机和电磁刹车的驱动装置;三个电池柜,包含有三个叶片在紧急情况下的顺桨供电电池;一个变桨主控柜,负责向三个轴柜和三个电池柜供电,并收集三个叶片的相关信息或者为四柜式将轴柜与电池柜合并为一个柜子
(二)变速(变频)系统对于目前几乎的所有变速型机组,无论是双馈型、半直驱型,还是直驱型机组,都毫不例外地使用了变频器(FrequencyConverter)因此在现在以及将来的一段时间内,变频器必将作为风力发电机组中发电机控制的关键设备而长期存在变频器,顾名思义就是对频率进行变换的器件,它是机组中最重要的电控设备之一,因此本书将变频器系统作为风力发电机组电控系统中的四大部分之一变频器一般由专门的厂家设计生产,市场上也有许多成熟的产品,例如龙源电气、清能华福、利得华福、ABB、西门子、阿尔斯通Alstom.SEG、艾默生等公司都有产品一般将变频器的柜体称作变频器柜,或变频柜
(三)主控系统主控系统(MainControlSystem)顾名思义就是主要控制系统,是由控制器(PLC、工控机等)、执行元件、测量元件组成的系统当前的风力发电机组,一般都采用PLC作为主控的核心部件PLC即可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)的英文缩写,是当今工业控制中应用很广泛的部件PLC的成熟产品都包含一整套的解决方案和模块,主要包括数据运算与处理单元(即CPUCentralProcessingUnit中央处理单元)与存储器、电源模块、10模块、专用通信模块、专用功能模块(如技术器模块)其中,10模块包含DI、D
0、AI、A0四种标准口,也包含专用与温度测量的PT口;专用通信模块,包含有各种通信协议和硬件接口,比如以太网、RS
485、Profibus-DP等通信模块,可满足不同环境和厂家的需求基于这些特点,PLC配以现场总线通讯,非常适合于风力发电机组上的应用风力发电机组的主要部件一般在机舱内,为了控制和检测这些部件,一般在机舱中设置机舱控制柜(又叫机舱柜、顶部控制柜、顶部柜),内置PLC和各种开关,并通过工业总线通讯将信息传至塔底;在塔底一般设置底部控制柜(又叫底部控制柜、底部柜),底部柜一般也内置PLC负责控制和收集整个机组的设备和信息PLC所控制的部件以及连接的传感器非常多,为了便于理解,本书将PLC直接控制的电气部分依据功能的不同划分为十五个模块(子系统),并分别进行描述尽管变桨系统和变频系统也在PLC的控制和检测范围,但是变桨系统与变频系统从控制上来说相对独立,因此将二者从主控系统中独立出来单独讲解主控系统所包含的十五个模块如下所示
1、主电路结构主电路系统是风力发电机组的发电回路,是大电流的流通回路,即发电机的定转子到箱变接线端子之间的功率回路,也称为风力发电机组的主回路,主要包括以下部分发电机、并网装置、主断路器、变频器主回路等
2、机组与风场通信系统机组通信系统主要是指轮毂、机舱、塔底之间的信息交换,机组通信都采用总线通讯方式常用的通讯协议有RS
485、RS
232、RS
422、Profibus、ModbusCAN等风场的通信是靠SCADA来实现的SCADA是SupervisoryControlAndDataAcquisition的英文缩写,即监视控制与数据采集的意思SCADA系统的应用领域很广,主要应用于电力系统、给水系统、石油、化工、铁路等的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统它可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能SCADA系统是3C(ComputerControlCommunication)技术融合的产物,目前SCADA技术已经发展到第四代
3、传感器系统传感器是风力发电机组控制系统的耳目,控制器通过机组的传感器系统感知各个位置、各个方面的信息,并以此为依据进行计算,然后向各执行机构输出合适的动作量从原理上讲,风力发电机组用到的传感器主要有
(1)温度传感器,包括PTC(正温度系数)和NTC(负温度系数)两种;
(2)非接触磁电式脉冲传感器,包括电容式和电感式两种,用于测量转速;
(3)光电感应式脉冲编码器,用于测量转速和位置;
(4)压力传感器;
(5)加速度传感器,一般用于振动监测;
(6)电位器,又叫变阻器;
(7)湿度传感器,多用于湿控继电器;
(8)行程开关,如叶片的0°和90限位开关;
(9)测速发电机,用于需转部件的速度测量;
(10)其它,如热继电器、压力继电器中采用的具有检测功能的触点从实际应用上讲,风力发电机组的传感器主要有
(1)风速仪,用于测量风速;
(2)风向标,用于测量风向角度;
(3)低速轴测速、高速轴测速传感器;
(4)偏航传感器,包括偏航测速用编码器或者非接触磁电式脉冲传感器,以及扭揽保护行程开关;
(5)温度测量,包括主轴轴承、齿轮箱高速轴、齿轮箱油温、发电机绕组温度、机舱内外温度、各电气柜体内温度、IGBT内核温度、冷却媒体温度、电池温度等;
(6)压力测量液压站油压测量、齿轮箱滤芯进口和出口油压;
(7)控制柜体内加热器和冷却风扇的温控继电器、湿控继电器等;
(8)刹车片厚度监测、刹车片温度检测;
(9)振动开关,如振动小球(Micon600kW)振动摆锤(G5X850kW)等;
(10)其它带辅助触点的变送器,如超速监测模块、振动监测模块、过热保护模块等
4、液压系统液压系统是风力发电机组很重要的执行子系统之一,主控系统通过电磁阀(包括比例阀)以及压力传感器、压力继电器(压力开关)构成控制闭环,以实现主控系统对液压系统的控制和监测目前,风力发电机组中采用液压控制的机构有以下四个方面
(1)机械刹车;
(2)液压变桨;
(3)叶尖扰流器控制;
(4)偏航液压卡钳钳的控制
5、偏航系统从电控的角度看,偏航系统是一个典型的随动控制系统,主控通过接触器、软起动器来控制偏航电机的正转、反转,通过偏航传感器来检测偏航转向、转速情况,通过风向标来监测机组的对风角度一台机组一般设置2-4个偏航电机,每台电机一般2-6kWo为了不使偏航机构频繁动作,一般只有风向误差超过一定角度、并且超过一定时间才允许偏航,偏航机构在风向误差达到允许范围之后便停止动作
6、齿轮箱辅助回路齿轮箱是风力发电机组重要的机械部件为了提高齿轮箱的运行状况,延长其使用寿命,优化其运行性能,主控系统通过一些列的加热、冷却、润滑、过滤设备来实现上述目的,并通过温度监测、压力监测来实现闭环控制
7、发电机辅助回路发电机的辅助回路主要包括发电机绕组的加热和冷却、绕组的温度检测、发电机前后轴承的温度检测、冷却媒介的温度检测,如果有碳刷,还包括碳刷厚度的监测等
8、机组照明和指示机组照明主要包括轮毂、机舱、塔底、塔筒的照明,以及各个电气柜体内部的照明机组最主要的指示灯是航标灯,用于飞机导航指示,避免航空事故发生航标灯一般接受主控的控制,在夜晚时点亮;也有的不受控制,一直处于点亮状态
9、机组自动润滑控制为了减少机组的维护量,当前的一些机型设置了主要轴承的自动润滑装置,例如变桨型机组的叶根轴承的自动润滑,偏航轴承的自动润滑自动润滑的控制方式有两种一种是自主控制的自动润滑,自动润滑装置根据事先的设定自动加润滑脂;另一种是由主控进行控制的自动润滑,PLC根据时间设定和运行状况给自动润滑装置发送加润滑油脂的命令
10、机组冷却与加热控制机组的冷却和加热设计是一个比较复杂的工程,用于不同地域的风力发电机组,其冷却和加热系统一般需要专门的设计,以增强机组的环境适应性机组的冷却和加热控制包括两个层面一是各零部件自身的冷却和加热设计,二是整个机舱、轮毂、柜体的冷却和加热设计从控制层面来看,冷却和加热控制分为自主控制和主控控制两种类型,前者一般由温控继电器、湿控继电器控制,后者一般由PLC通过温度检测来进行控制
11、机组供电设置机组所有的执行部件和所有的监测部件都需要供电,可以将所有的这些需要供电的零部件统称为用电器为了使各个用电器能够互不干扰、相对独立地工作,供电需要专门的设计,以免一个用电器的损坏影响其它回路的工作从整体上看,机组的供电回路呈树枝状分布关键位置采用两套供电回路,一路为正常供电,另一路为紧急供电从电压等级和制式上看,供电回路包括单相/三相690VAC、单相/三相400VAC单相230VAC、24VDC等形式供电回路的设置由各用电器的要求和分布情况决定
12、机组安全链与保护系统机组的安全链和保护系统包括正常情况下的保护,以及紧急情况下的保护机组的保护主要包括
(1)制动保护,包括两套刹车系统一一气动刹车和机械刹车;
(2)独立安全链;
(3)防雷保护;
(4)硬件保护,主要包括左右偏航、大小电机变换、丫-△变换使用接触器辅助触点和继电器触点进行逻辑互锁,零部件的冗余设计,以及快速熔断器(快熔)使用;
(5)接地保护;
(6)掉电保护,主要指使用备用电源(UPS)其中,系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施,即使控制系统发生异常,也不会影响安全链的正常动作安全链采用反逻辑设计,将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路,当安全链动作后,将引起紧急停机,执行机构失电,机组瞬间脱网,从而最大限度地保证机组的安全串入安全链回路的主要触点有
(1)各处急停按钮;
(2)叶轮超速保护;
(3)机组振动保护,可采用振动开关,或者专门的振动监测模块;
(4)主控计算机看门狗;
(5)扭揽保护开关;
(6)24VDC控制用电源失电;
(7)高速轴刹车片温度过高;
(8)变桨系统安全链;
(9)主接触器故障等各种机组的安全链设置有较大差异
13、机组功率控制机组的功率控制是指机组主回路与电网之间的功率流动的控制主要包括起动、停机、并网控制、脱网(解列)控制、限功率控制、有功无功控制、最佳桨距角控制、最佳叶尖速比控制、恒转矩(恒功率)控制等
14、机组无功补偿及其控制无功补偿的目的主要是提高电网功率因数及稳定电网电压;此外,无功补偿还可以减少电压闪变、降低过电压以及提高电力系统的静态和动态稳定性等工程上应用的无功补偿装置包括旋转无功补偿器和静止无功补偿器旋转无功补偿器主要同步调相机为代表,它既能发容性无功,也能发感性无功但是这种无功补偿装置运行噪声大、效率低、动态响应慢且维护困难,20世纪70年代以来已逐渐被静止无功补偿器取代静止无功补偿器包括饱和电抗器(SaturatedReactorSR)、基于晶闸管控制的静止无功补偿器(StaticVarCompensationSVC)以及采用PWM整流器拓扑结构的静止无功发生器(StaticVarGeneratorSVG)。