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                                      密级:公司秘密N-32000型凝汽器说明书M700-068000ASM编制         校对         审核         标审         录入员  潘忠钦

 

 

 

 

 

 

 

 

风力发电机组产品说明书

 

 

 

编  号

FD93H-000101ASM

版本号

A

 

 

 

 

 

 

 

 

2013-09-12

 

                                                                                                                                                                     

 

编号

FD93H-000101ASM

 

编制

 

2013-09-12

校对

 

2013-10-16

审核

 

2013-10-16

会签

 

2013-10-17








 

2013-10-16































审定

 

2013-10-17

批准

 

2013-10-18


 

换版记录

版本号

日期

   

A

2013.10

首次发布
















































































































 

目    录

序号

-

名    称

页数

备注

1


1


2

1

高原地区的环境特点及机组技术特点

2


3

1.1

高原型地区的环境特点及对机组的影响

2


4

1.2

1.5MW高原型风力发电机组的主要技术特点

2


5

2

机组技术参数

4


6

2.1

总体数据

4


7

3

机组结构和零部件说明

6


8

3.1

机组结构组成综述

6


9

3.2

风轮

6


10

3.2.1

设计特点

7


11

3.2.2

轮毂特点

7


12

3.2.3

叶片特点

7


13

3.3

传动系统

7


14

3.3.1

结构描述

7


15

3.3.2

传动系统特点

8


16

3.4

机架和机舱罩

9


17

3.5

偏航系统

10


18

3.5.1

偏航系统结构描述

10


19

3.5.2

偏航系统特点

11


20

3.6

变桨系统

12


21

3.6.1

变桨系统描述

12


22

3.6.2

变桨系统特点

13


23

3.7

塔架

14


24

3.8

运行及安全系统

14


25

3.9

安全防护装置

15


26

4

电气系统

15


27

4.1

发电机-变频器系统

16


28

4.2

在低压条件下的技术数据

17


29

4.3

变频器的技术数据

18


30

4.4

发电机的技术数据

18


31

4.5

雷电保护区域

19


32

4.5.1

安全等级要求IEC 61024

19


33

4.5.2

探测潜在的雷击点(滚球法)

19


34

4.5.3

EMC导向的雷电保护区域概念

20


35

4.6

接地系统

22


36

4.6.1

基础和环形接地电极

23


37

4.6.2

风力发电机组及中压变压器接地系统

23


38

4.6.3

机舱内接地

23


39

4.6.4

接地电阻要求

24


40

5

远程监控系统

24


41

5.1

实时监视功能

24


42

5.2

历史数据查询

25


43

5.3

风机控制

25


44

5.4

日志和快照记录

25


45

5.5

分析统计报表

26


46

5.6

第三方数据接口

26


47

5.7

系统对时

26


48

5.8

功率管理模块(可选)

26


49

5.9

双机热备等故障保护功能(可选)

26


50

5.10

特殊功能定制

26


51

6

主控系统

27


52

6.1

主控制系统组成

27


53

6.2

使用环境

27


54

6.3

主控制系统的主要功能

28


55

6.4

启动与停机控制

28


56

6.5

/脱网控制

28


57

6.6

偏航和解缆控制

28


58

6.7

变桨控制

29


59

6.8

变频器控制

29


60

6.9

中央监控通讯

30


61

6.10

故障报警

30


62

6.11

箱变信号监控

30


63

6.12

低电压穿越

30


64

6.13

接收网调指令

30


65

6.14

其他

30


66

7

状态监测系统(可选)

31


67

7.1

振动传感器

31


68

7.2

CMS数据采集站

31


69

7.3

CMS现场服务器

31









































































东方汽轮机有限公司的1.5MW高原型风力发电机组是东汽专为高原环境开发的一款机型,该机型采用模块化设计,结构简单,易于维护,性价比高,是东汽最新技术的体现。

东汽1.5MW高原型风力发电机组在承袭现有机型成熟结构和技术以及丰富风场运行经验的基础上,针对高原环境的特点,创新设计了控制策略,电气系统,机组罩壳等,使得1.5MW高原型机组经济适用,能够满足广大客户的需求。

 

 

 

 


1 高原地区的环境特点及机组技术特点

1.1高原型地区的环境特点及对机组的影响:

1)高原内陆地区海拔高、空气稀薄使高原地区太阳辐射增强,在海拔4000m 的高度,紫外线强度比海平面强1.52.5倍,高原型机组外露部件(如叶片、塔架、机舱罩壳和轮毂罩壳)的抗腐蚀和紫外线老化性能在设计时充分考虑。

2)高原地区空气稀薄,空气密度低,在相同风速下的发电能力降低,针对此情况,采用了最优翼型的叶片,提高发电能力。

3)高原地区空气稀薄,空气绝缘能力下降,电气部件的空间距离、爬电距离、绝缘和防电晕等参数针对高原环境进行了重新设计。

4)高原地区空气稀薄,导致空气散热能力降低,针对所有空冷散热部件进行了优化设计。

5)针对高原环境昼夜温差大,雷暴日多等环境特点,采取了优化防雷设计,增加除湿器件等措施。

1.2  1.5MW高原型风力发电机组的主要技术特点:

a) 1.5MW高原型风力发电机组采用水平轴、三叶片、变桨距调节、传动链两点支撑结构、双馈异步发电机系统。

b)  了东汽现有机型所有优点,并在此基础上进行优化设计,使机组性能有进一步的提高,并能够适应高原地区的环境和气候

c)  采用电气驱动变桨结构,实现单叶片独立变桨。制动系统采用叶片顺桨实现空气制动,降低风轮转速,同时配备转子制动器做辅助刹车,安全性高。

d)  传动链采用两点支撑结构,齿轮箱与主机架之间采用性能优越的液压弹性支承连接,能有效降低传动链的各种冲击载荷,提高了系统的抗振性能,延长齿轮箱的使用寿命。

e)  变速恒频系统。欠功率状态下(风机低于额定风速运行状态)为转速控制,调整发电机转子转差率,使其尽量运行在最佳叶尖速比上,以输出最大功率;额定功率状态下(风机高于额定风速运行状态)为功率控制,通过叶片的变桨控制,实现功率的恒定输出。

f)  塔底与机舱之间采用光纤通信,提高了可靠性,便于实现远程控制。电气系统分别由不同的电源供电,抗干扰能力强。

g)  机舱采用了人性化设计方案,工作空间较大,方便维护人员检查维修,同时还设计了电动提升装置(电动葫芦),方便工具及备件从地面到机舱之间的起吊

h)  变频器采用转子电路部分功率变频技术,采用极带滑环的双馈异步发电机,性能好,成本低。

i) 动偏航系统能够根据风向标所提供的信号自动确定风机的方向。当风向发生变化时,控制系统根据风向标信号,通过偏航驱动使机舱自动对准风向。机组偏航系统在工作时带有阻尼控制,通过优化的偏航速度,使机舱偏航旋转更加平稳。

j) 发电机、变流器采用冷技术,结构简单,冷却效率高,体积小、重量轻,防护等级高。

k) 考虑了高原地区的环境及气候,机组能在高原环境生存,并对机组进行优化,实现了对高原环境最佳的适应性。

l) 机组采用优质防腐涂层技术,能有效防止紫外线辐射的影响。


2 机组技术参数

2.1总体数据

运行数据

切入风速

3 m/s 

额定风速

11.5m/s  (理论值)

切出风速

25m/s

等级类型

S

设计寿命

20  

适用海拔

30004000m

温度范围

生存环境温度

-30+50 

运行环境温度

-20+40

风轮

 

叶片数量

3

风轮轴向

水平轴

与塔架位置关系

上风向

风轮直径

93m

扫风面积

6793m2   

轮毂高度

69.372m

转速范围

9.0916.36+10%rpm

额定转速

16.36rpm

转动方向 (面向风轮)

顺时针 

功率控制方法

变桨变速

风轮轴倾角

5°

叶片长度

45.5m 

锥角

-3.5° 

叶片材料

玻璃钢GRP

变桨系统

原理

电气驱动,单个叶片变桨距

功率控制方式

风轮转速控制和变桨控制

最大变桨速度

7.5°/s

叶片轴承类型

双列同径四点接触轴承

齿轮箱

额定传动力矩

969kNm

齿轮类型

1级行星齿,2级平行齿轮

传动比

110

额定功率

1660kW

制动系统

叶片制动

叶片顺桨

机械制动

卡钳式刹车

电气系统

发电机类型

双馈异步发电机

额定功率

1500kW

额定电压

3690 VAC/50 Hz

速度范围

10002050rpm

保护等级

IP54

变流器类型

脉冲宽带调节IGBT变频器

偏航系统

驱动

4套电动齿轮驱动 

偏航角速度

0.5°/s

轴承

齿式单列四点接触轴承

驱动单元数目

4

制动

12套偏航刹车器

控制系统

类型

嵌入式PLC

信号传输

光纤

远程控制

PC-图形界面

塔架

顶部法兰

φ2955mm

底部法兰

φ4000mm

结构类型

锥形整体钢筒结构

塔架高度

66.15m

防护措施

油漆保护(满足高原防辐射要求)

机舱罩

结构类型

封闭式

材料

玻璃纤维

轮毂

轮毂类型

刚性、铸造

轮毂材料

球墨铸铁 

机架

主机架类型

焊接结构

主机架材料

结构钢

重量

叶片(每只,包含叶片连接螺栓

 

~7.35t

轮毂全封闭系统(不包括叶片和叶片连接螺栓)

 

~16.4t

风轮

~38.45t

机舱

~ 69 t

(不含基础环)

~103t


机组结构和零部件说明

将介绍风力发电机组的各个零部件及各个功能模块,详细介绍各个部件的技术特点。

3.1 机组结构组成综述 

1.5MW高原型风力发电机组主要部件包括:叶片、轮毂、变桨系统、传动系统(主轴、主轴轴承及轴承座、齿轮箱、转子制动器、联轴器)、发电机、控制系统、偏航系统、机架、塔架、测风系统等。具体如下图1所示:

 

1  1.5MW高原型风力发电机组机舱内部结构

3.2 风轮

风轮用于将空气的动能转化为风轮转动的机械能。1.5MW高原型风力发电机组风轮直径93米,重量约38.45吨,主要由叶片、导流罩、轮毂、变桨驱动装置、变桨控制系统、变桨润滑系统等部件组成。

1.5MW高原型风力发电机组采用三叶片,上风向的布置形式采用电气变桨装置,每一叶片有一个独立的变桨轴承变桨轴承连接叶片和铸铁结构的轮毂。叶片桨距角可根据风速和功率输出情况自动调节。风机维护时,风轮可通过锁紧销进行锁定。

整个风轮通过高强度螺栓与主轴连接,主轴通过轴承座固定在机架上。

3.2.1 设计特点

a) 机组功率调节采用变桨距控制。在额定功率点后,风机输出功率保持恒定,同时变桨控制在风机运行过程中能有效降低机组所受载荷。

b) 变桨范围从92°。变桨速度在0.1°/s~7.5°/s内,根据不同的工况,可自动控制变桨速度顺桨速度可达7.5o/ s。风轮转速在9.0916.36+10%rpm的范围内进行变速运行。

3.2.2 轮毂特点

轮毂采用球墨铸铁铸造而成,经过严格的磁粉探伤和超声波探伤,具备完整的涂覆层。整个轮毂受力部分全部采用高强度的紧固件连接,可有效保证轮毂在极端恶劣工况下的安全性。轮毂内有充足的空间,可方便地进行检修维护工作。

3.2.3 叶片特点

叶片的外形采用了最新的空气动力学翼型优化成果,并且按高精度的要求制造,实现最大风能的捕获。三叶片通过变桨轴承采用高强度螺栓连接在轮毂法兰上。

叶片有如下特点:

a) 叶片的材料为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料,该材质的特点是密度小、强度高。密度为1.62.0g/cm3,比铝轻,强度比高级合金钢高。具有良好的耐腐蚀性,在酸、碱、有机溶剂及海水等介质中性能稳定;具有良好的电绝缘性;不受电磁作用的影响,不反射无线电波;具有保温、隔热、隔声、减振等特点。叶片的工作温度范围宽。叶片外表面采用工业级聚氨酯涂层。

b) 叶片根部联接螺栓等金属结构,全部采用了有效的涂覆层。每一个叶片与轮毂之间的接口尺寸完全一样,可确保叶片相互替换而不会影响风轮的运行。叶片还配备有防雨罩,可防止雨水进入轮毂。靠近叶尖处设有配重室,以保证整个风轮的质量平衡。

c) 叶尖和叶中均装有雷电接闪器,在叶根法兰位置设置了雷电记录装置,可以自动记载叶片的最大雷击电流。

3.3 传动系统

3.3.1 结构描述

传动系统实现将风轮捕获的能量传递给发电机。主要部件如下图2所示包括:主轴系统、齿轮箱、转子制动器、联轴器、发电机等。

 

2  1.5MW高原型风力发电机组传动系统

3.3.2 传动系统特点

a) 传动系统采用两点支撑结构,安装于机架上,两个主轴轴承均为双列调心滚子轴承,其中靠近风轮侧的轴承为浮动轴承,靠近齿轮箱侧的轴承为固定轴承。两点支撑结构能很好地平衡系统的振动冲击,改善齿轮箱受载情况,保证结构的稳定性。

b) 两个主轴轴承分别通过两个独立轴承座支撑靠近风轮主轴轴承座内有一套风轮锁紧装置,机组在进行调试、维护、检修时,可通过锁紧装置把整个传动系统固定锁死,工作人员可以安全地在机舱和轮毂内工作。轴承座采用球墨铸铁材料,具有良好的抗性。轴承座通过迷宫式油封和“V”型圈对轴承的润滑油脂进行双重密封,有效地阻止了油脂的泄漏,使机舱保持清洁。

c) 风机主轴采用锻件。主轴的前端带有法兰,与轮毂相连。主轴的后端直接插入齿轮箱的行星齿轮架并通过紧套安全可靠地与齿轮箱连接在一起。

d) 齿轮箱的结构形式为一级行星齿轮和平行轴齿轮传动。齿轮箱中齿的啮合具有高效率和低噪音的特点。液弹性支撑与齿轮箱悬置设备中的扭矩支承元件整合在一起,直接与机架连接。齿轮箱上的液弹性支撑装置不仅运用了弹性支承,同时也非常有效地隔离了声音和振动从齿轮箱到机架的传递。

e)齿轮箱发电机之间采用柔性联轴器进行连接。该联轴器能够补偿齿轮箱输出轴端与发电机输入轴端之间的轴向、径向及角度偏移。此外,在联轴器上集成有一个力矩限制器,在可能发生的发电机突然短路情况下,能有效阻止产生的瞬时力矩转移到齿轮箱,以保护齿轮箱不受损坏。

f) 在齿轮箱高速轴端安装了一套转子制动装置,该制动装置在风机维护时手动操作,辅助锁紧风轮

g) 所有的传动系统零部件都是来自国内外知名的、长期从事该行业的供应商,他们的产品以高质量和高可靠性著称。正如对于其他设备零部件同样适用一样,它们具备完全符合图纸设计要求的腐蚀保护。所有主要零部件在发货前都要在厂内经过全面的性能测试。

3.4 机架和机舱罩

轮和发电机的静态动态载荷通过机架传递到塔架。另外,机舱罩内有传动系统、控制柜、偏航系统、发电机、主控柜等,外部还有测风系统。根据性质不同,机舱可分为三个部分:1)传递载荷的主机架部分;2)供维护人员使用的工作平台;3)由玻璃纤维原料制造的机舱罩。机架结构特点如图3所示,机舱罩壳外形特点如图4所示。

 

3  1.5MW高原型风力发电机组机架

传动系统两点支撑轴承结构(两个主轴轴承)使机舱主机架具有十分紧凑和轻巧的结构。机架采用钢制的焊接组装件,具有极高的刚度且具有很高的阻尼。

 

4  1.5MW高原型风力发电机组机舱外形图

机舱罩具有紧凑的外部尺寸,精巧的流线型外观设计。尽管机舱的冷却和通风设备尺寸较大,都隐蔽整合在机舱内。设计时在机舱内考虑了足够大的活动空间,轮毂中的变桨距装置能直接从机舱进入以方便维修。整个机舱罩采用隔音设计以达到降低噪音的目的。

3.5 偏航系统

3.5.1 偏航系统结构描述

1.5MW高原型风力发电机组偏航系统为主动式偏航系统,能自动对风,使风轮的扫风面与风向垂直,以最大限度捕获风能。偏航系统由偏航轴承偏航刹车器、偏航电机和偏航齿轮箱等部件组成。具体结构如图5所示。

 

5  1.5MW高原型风力发电机组偏航系统

在机舱后部有3个互相独立的传感器——1个风向传感器(即风向标)2个风速传感器(即风速仪)。风向传感器的信号反映出风机与主风向之间有偏离,当风向持续发生变化时,控制器根据风向传感器传递的信号控制4个偏航驱动装置转动机舱对准主风向,偏离主风向的误差在±4°内。

偏航过程如下:

a) 平均风速小于6m/s时,且偏航角大于等于16°时,等待120s,开始偏航。

b) 平均风速大于7m/s时,且偏航角大于等于10°时,等待60s,开始偏航。

c) 正常运行时,平均风速由小于6m/s增加到小于等于7m/s时,且偏航角度大于等于16°

时,等待120s,开始偏航。

d) 正常运行时,平均风速由大于7m/s降低到大于等于6m/s时,且偏航角度大于等于10°

时,等待60s,开始偏航。

e) 正常启机时,平均风速大于等于6m/s小于等于7m/s时,且偏航角度大于等于10°时,

等待60s,开始偏航。

f) 当偏航角度在25°以上时,立即偏航。

3.5.2 偏航系统特点

1.5MW高原型风力发电机组采用主动偏航对风形式。该系统具有以下特点:

a) 1.5MW高原型风力发电机组配有风向传感器,能非常准确地判定瞬时风向。机组对风的方向校准非常重要,因为它能保证最大的能量产出并同时避免由于斜向入流引起的附加负载。

b) 机舱主机架通过带有外齿轮的四点接触轴承连接到塔架上。机舱的偏航系统通过四个电动机带动减速齿轮完成,制动装置采用12个偏航制动器。

c) 偏航制动装置通过液压装置(也作为传动系统安全刹车的动力源)提供必要的制动力。为了在各种情况下保证机组的安全运行,液压系统配有蓄能器,这些蓄能器能保证在出现电力供应故障的情况下仍能提供必要的制动力。

d) 偏航轴承采用“负游隙”设计的四点接触球轴承,以增加整机的运转平稳性,增强抗冲击载荷能力。

e)偏航制动器为液压驱动刹车,静止时,偏航制动器的刹车闸将机舱牢固锁定;偏航时,偏航制动器仍然保持一定的残压,使得整个偏航过程中始终有阻尼存在,以保证偏航运动更加平稳,避免可能发生的振动现象。

f) 位于偏航电机驱动轴上的电磁刹车具有失效保护功能,在出现外部故障(如断电)时,电磁制动系统仍能使机组的偏航系统处于可靠的锁定状态。

g) 偏航齿采用硬齿面技术,其中外齿圈齿面采用了特殊工艺,以提高齿面硬度值,避免了长期运行产生磨损。

h) 1.5MW高原型风力发电机组偏航系统设计有手动和自动两种操作模式。在偏航过程中,风机还设置有自动解缆程序,从而保证电缆不会因为过多的缠绕而被破坏。具体解缆设置为:1)风速小于启动风速时,扭缆角度大于430°,自动解缆。2)扭缆角度大于760°,自动解缆。3)当扭缆角度大于800°(可自定)触发安全链停机。

i) 优化设计偏航控制系统,对偏航的路径选择进行智能判断,机组在风速较小的状态下,自行解缆,避免了高风速段偏航解缆造成的发电量损失。

3.6 变桨系统

3.6.1 变桨系统描述

变桨系统是1.5MW高原型风力发电机组实现恒频的执行机构。通过对叶片桨距角的调节,实现功率和转速的恒定。变桨系统由轴控柜超级电容柜、变桨电机变桨齿轮箱和变桨轴承等组成。如图6、图7所示。

 

6 变桨系统

 

7  变桨系统

3.6.2 变桨系统特点

1.5MW高原型风力发电机组采用电气驱动单叶片独立变桨形式。该系统具有以下特点:

a) 叶片通过螺栓连接到变桨轴承圈上,变桨轴承为双列、四点接触球轴承,其外圈连接到风轮轮毂上,内齿圈与叶片相连。每只叶片都配有独立的变桨装置,变桨装置由变桨电机、变桨齿轮箱、轴控柜、超级电容柜、变桨轴承等组成,能够进行独立调节。

b) 在风速低于额定风速时,风轮在恒定的叶片桨距角和变转速下运行,使其在最佳的空气动力学范围内连续工作并达到最大的风机效率。

c) 在风速高于额定风速时,变桨距控制系统工作以保持风轮在恒定的功率输出下工作。这种先进的控制理念使得风机上的载荷大大降低。

d) 为了保证整个风机的安全性,在电网出现故障时,变桨装置以超级电容作为后备电源为变桨系统供电,完成紧急顺桨。

e) 除了控制功率输出以外,变桨装置也是机组安全系统最主要的执行机构。在风机出现故障并触发快速停机程序时,变桨系统控制叶片以7°/s的速度顺桨到92°限位开关位置,保证机组安全停

3.7 塔架

塔架采用锥形圆筒钢结构形式塔架与基础、塔架段与段之间及塔架与机舱的连接采用高强度螺栓连接。塔架的底部配有一扇门,能使外部空气进入塔架内,同时具有防沙、防雨、防盗功能。每段塔架内部均设有平台,各平台有照明硬件安全链系统

控制系统的终端和变频器安装在塔架底部的独立平台上,安装在门的入口位置。这样可以在不需要任何攀爬的情况下就能对重要的设备功能进行控制。发电机的电能通过最佳屏蔽的导电轨传送到塔架底部。塔架内装有网线以便所有控制信号能从主控计算机塔架底部相互传送

塔架通过多层喷涂来达到最佳的防腐蚀和防辐射效果。所有金属板和焊缝都采用超声波或X射线进行探伤检验。

3.8 运行及安全系统

1.5MW高原型风力发电机组是全天候自动运行的设备,整个运行过程都处于严密控制之中。其安全保护系统分两层结构:主控系统和独立于主控的安全链,在机组发生超常振动、过速、电网异常、出现极限风速等故障时保护机组。诸如电网电压过高,风速过大等不正常状态出现后,控制系统会在系统恢复正常后自动复位,机组重新启动

具体运行过程为:

a) 10min平均风速超过3m/s(可设置),风机将自动启动。当高速轴转速接近并网转速(750rpm并入电网。

b) 随着风速的增加,发电机的力矩随之增加,当风速达到10m/s时,达到额定力矩,若超出额定风速机组进行恒功率控制。

c) 10min平均风速超过20m/s(可设置),将实现正常停机(变桨系统控制叶片进行顺桨,速轴转速低于脱网转速612rpm,风机脱网)。

d) 30s平均风速超过24m/s(可设置),实现正常停机;当1s平均风速超过28m/s(可设置)时,实现正常停机。

e) 当遇到一般故障时,实现正常停机。

f) 当遇到特定故障时,实现紧急停机(变流器脱网,叶片以7°/s的速度顺桨)。

3.9 安全防护装置

1.5MW高原型风力发电机组配置了安全防护装置,它包括灭火器、急救包及逃生装置,旨在服务工作人员在遇到突发事件时应急所用,确保工作人员及机组的安全。

灭火器:如果发生火灾,立即从危险区域疏散,同时断开火灾现场电源。要使用适当的灭火器灭火,一旦火灾不能扑灭/控制,应立即通知消防部门帮助。灭火器应定时检查,若发现位置挪动、压力不足、已经喷射使用过、零部件缺失或损坏等情况时,应立即更换或采取措施并做好检查记录。灭火器的维修、再充装应由已取得维修许可证的专业单位承担。灭火器不论已经使用过还是未经使用,已达到使用期限的,需要更换。

急救包:应用于紧急情况下的救护工作,在日常情况下,请不要随意拿走急救包中的药品,紧急时刻取用后应及时归还。急救包中的药品请按有效期及使用情况及时更换和补充。

逃生装置:应用于紧急情况下人员的逃生,逃生装置的质保期一般为6年(具体质保期详见厂家提供的说明书),到期后应请相关有资质的单位进行检查是否可继续使用并确定下一次的检查日期;若不能使用,应及时更换。

风机在获准投入运行之前,确保所有的安全设备存在且处于良好工作状态,而且,风机相关工作要用到的所有安全设备也要工作状况良好,这是非常重要的要求。

4 电气系统

电气系统是用于获得最佳能量产出和一流电能质量的关键结构。双馈绕线式异步发电机使得风机能在变化的转速下工作,而不需要通过大功率变频器将全部功率转送出来。双馈异步发电机-变频器系统是目前世界上MW级风机使用最多的模式。其主要的特点为:双馈异步发电机可靠性高,结构紧凑,体积小,重量轻(较永磁式同步发电机),变频器转换的有功功率小,只需要风机功率的1/5左右。风机具有低的风力特性(低起动风速、高效率),低噪音传播,特别是在低风速时,向电网供电的特性都有明显改善。

变速发电机在部分功率条件下提供了相当平滑的电能,在额定功率条件下提供了几乎完全平滑的电能。这使得风机运转时的噪音明显减小,并大大降低了该结构上的动力载荷。阵风通过风轮的加速得到缓冲,因此风机能够向电网输出平滑的电能。输入电网的电压和频率保持恒定。此外,变频器控制系统适用于所有的电网条件,甚至能够支持较弱的电网。如果接入电网的选择受限,那么在业主选择风机系统时,这将具有优势。并且在取得一个更好的电网连接成本方面,本系统具有显著优点。

4.1 发电机-变频器系统

1.5MW高原型风力发电机组使用变速发电机-变频器系统。在变桨系统的共同作用下,通过变速运行能够保证在电能产出、效率、负载和电能质量等方面达到最佳允许值。系统最大程度地避免了出现浪涌和峰值负荷。为发电机提供的运行控制装置允许在偏载时有平滑的能量输出,而功率波动最小。在额定负载范围内,风机能够在几乎恒定的功率下运行。风机产生无功功率的多少也允许按照用户和电网运营商的要求在风机无功功率能力范围内进行管理。

双馈风机变速恒频的功能基于双馈绕线式异步发电机带使用脉宽调制IGBT技术的变频器实现的。无论风轮转速如何,系统保证按照与电网匹配的电压和频率持续发电。根据风速大小,风轮转速和功率能够自动进行调节。

在低于同步转速时,发电机定子向电网输送100%的电能。此外,变频器通过发电机的滑环向转子提供转差功率。

在高于同步转速时,发电机定子和转子同时向电网输送电能。当发电机转速位于额定转速时,发电机通过定子将大约83%的功率输送给电网,剩余的功率(大约17%)由发电机转子通过变频器输送到电网。

与其他系统相比,该系统具备低损耗的优点,因而能保证较高的总效率。此外,由于使用的零件数少,设计紧凑,该系统还具有非常出色的可利用率。

该发电机采用完全封闭式包装,保护等级为 IP 54,冷却方式为空气冷却IC616/IC666。发电机产生的热量通过消声通道经-热交换器传到外界环境中。

变频器通过内含先进算法的微处理器控制电力电子器件,并采用最新的IGBT脉宽调制技术。由此获得接近无闪变的电能,可调节的无功功率管理,低失真和最低谐波含量,提供一个新的高质量风电定义。

较低的短路容量使可用的电网容量得到更好的利用,能够避免在某些情况下的昂贵电网容量放大措施。

发电机-变频器系统如图8所示:

8 双馈绕线式风力发电机组

① 控制系统先进

② 风能利用率高

③ MW级机型,目前世界最流行的机型

④ 发电机的定子直接与电网连接,转子经过变频器与电网连接

⑤ 发电机为双馈异步发电机,转速范围大,可在同步转速的±30%内运行

⑥ 变频器的功率为总功率的2030%,变频器的功率损耗小

⑦ 该类机型已被RepowerDewindGENodexVestas等公司广泛采用

4.2 在低压条件下的技术数据

额定功率:            P =1500kW

额定转速:            n = 1800 RPM (发电机转速)

额定视在功率:        S = 1579kVA

功率因数:            0.95电感(欠激励)到0.95电容(过激励)

                      默认情况下功率因数为1(cosφ=1)

额定频率:            50 Hz±1%

额定电压:            690 V±10%  在中压系统中的变压器保证线电压不会降到永久低于额定电压。

额定电流:            I = 1255A (功率因数为1)

4.3 变频器的技术数据

理念:               用于双馈异步发电机的变频器

带有直流环节

功能:               通过机侧和网侧模块传输转子功率,控制/调节有功功率和无功功率

功率半导体器件:     IGBT

保护:               IP 54电感区域IP 21

冷却:               强制风冷

4.4 发电机的技术数据

理念:                异步、双馈发电机,通过变频器将转子功率传输到电网当中。

定子绕组与电网同步,这样可以直接进行软并网。

额定功率/速度:       Pel =1560kW n = 1800 rpm 

速度范围:            n = 1000 1800 rpm(动态到2050 rpm)

                      存在一个与各转速相关的特殊情况下的最大功率值,通常因为设计原因不能超过此功率值。

类型:                极、三相、异步、双馈发电机

中心高:              500 mm

保护:                IP 54

冷却:                IC616/IC666,空空冷却

传感器:              用于监控轴承的温度PT 100

                      用于监控线圈的温度PT 100

                      电刷磨损警告

4.5 雷电保护区域

1.5MW高原型风力发电机组雷电保护系统采用接闪器方式吸引雷电,通过避雷器和接地系统释放到大地。除此之外,电容、电感、电气或辐射性的干扰被减少到安全水平。

针对雷电不同的危害程度,雷电保护概念把风力发电机组划分成各种保护区域,危害程度越小,保护区域的数字代号越大。选择区域的准则是要使雷电危害程度不能超过使用设备的额定抗干扰度。

4.5.1 安全等级要求IEC 61024

1.5MW高原型风力发电机组采用级安全等级。以下为典型的级安全雷电电流值符合IEC 61024-1设备雷电保护标准

1 Ⅰ级安全雷电流参数

典型值

符号

测量单位

峰值

I

kA

200

总负载

Qtotal

C

300

脉冲负荷

Qpulse

C

100

特征能量

SE

KJ

10000

平均上升率

di/dt

kA/μs

200

4.5.2 探测潜在的雷击点(滚球法)

采用雷电球方式可以探测哪些地方的建筑物或设备可能遭到雷击。根据相应的安全等级,制定与保护建筑物或需要保护的设备的雷电等级相符的球,雷电球的范围要与雷电击穿半径相符,所有的能接触到的点都是潜在的雷击点。

2 雷电球半径

要求等级

雷击半径

雷击相关的电流

非常严格的要求

20m

3.7kA

严格要求

30m

6.1kA

标准要求

45m

10.6kA

1.5MW高原型风力发电机组采用半径为20m的雷电球。

4.5.3 EMC导向的雷电保护区域概念

风电机组所实施的雷电保护方法是基于面向雷电保护区域的EMC原理。它意味着整个系统在安全分类确定后,再分成各种雷电保护区域,雷电保护区域的定义取决于是否有可能被雷电直接击中、雷电流的强度和由此带来的在这个区域的电磁场;雷电保护区的任务是要把传导干扰和磁场干扰降低到规定限值内。各个防雷区交界处应用较严格的保护区。

下列为雷电保护区域的应用:

LPZ0A

这个区域的元件能够承受直击雷击中,其雷击电流与选择的雷电保护等级相一致,承受无衰减的雷电电流电磁场,承受全部或部分雷电流

LPZ0B

这个区域的元件不需要承受直击雷击中,其雷击电流与选择的雷电保护等级相一致,承受无衰减的雷电电流电磁场,承受全部或部分雷电流

LPZ 1

区域内物体不会直接遭受雷击,流经各导体的电流比LPZ 0BLPZ 0A区小;本区内的电磁场作用力可能衰减(取决于所提供的屏蔽措施)。

区域内的冲击电流由分流和浪涌保护器来限制

LPZ 2

电磁场由附加的屏蔽措施(如金属柜体进一步衰减,导体上的冲击电流通过分流和附加的浪涌保护器来进一步限制

4.5.3.1 主要设备的雷电保护区域分配列表

设备

雷电保护区域

双馈异步电机

LPZ 0B

雷电电流通过带碳刷的放电间隙来释放

LPZ 0B

塔内的电缆/导电轨

LPZ 1

齿轮箱

LPZ 0B 

液压系统

LPZ 0B

主轴内的电缆

LPZ 1

机舱

LPZ 0B

主机架

LPZ 0B

轮毂

LPZ 0B

轮毂控制柜及电源柜

LPZ 1

接闪器

LPZ 0 A 

叶片

LPZ 0 A

主轴

LPZ 0B 

传感器电缆(带屏蔽)

LPZ 1

顶箱(主控系统)

LPZ 1

塔筒外部

LPZ 0 A

塔筒内部

LPZ 1

变频器

LPZ 2

气象架

LPZ 0 A

 

4.5.3.2 风机中雷电保护区域总图

9 雷电保护区域总图

4.5.3.3 机舱内电缆笼

基于法拉第笼原理,在机舱内增加电缆笼,其主要功能是,在防雷保护分区(LPZ)内,减小雷电磁场。

整个电缆笼用70mm2的铜线进行相互连接,然后用95mm2的铜线连接至主机架上,最后沿防雷路径引入大地。

电缆放置在机舱罩壳内的电缆沟里。网格的尺寸不应大于5m×5m。只有电缆连接点和交叉点用螺栓连接在表面,如图10 等电位连接网示意图所示。这里也使用了并联通路的概念

 

10 等电位连接网图示

4.6 接地系统

接地系统的作用是将雷电电流安全地引入地下,并提供等电位连接。接地系统应该在建造地基时进行安装。接地体能够保证整个接地系统可靠,低电阻。

在依照系统接地要求安装接地系统时,需要考虑当地的土壤状况和电阻率。接地网用闭环导体制成。如果整个接地系统的接地电阻超过要求,则还应该通过额外的接地棒扩大接地系统范围,这些接地棒连接到环状接地电极的终端连接片上。

通过环状接地电极可以大大降低跨步电压和接触电压。当发生雷电侵袭时,有人接近塔架基座,可以避免触电的危险。

 

 

 

 

4.6.1 基础和环形接地电极

 

11 塔基接地示意图

4.6.2 风力发电机组及中压变压器接地系统

中压变压器(箱变)联结组别为Dyn5Dyn11,在二次侧接地。风机电网的连接方式设计为TN-C,并给变频器供电。变频器把PEN线分成PEN。在此情况下,N不再用于下一级输出回路。根据这种划分,电路到定子时就变成一个TN-S电路,不包括N线。结果,电路接线方式共同组成了TN-C-S电路,其特点是偶然的故障接地就转化成了短路故障。结果此故障将使短路保护动作。因此,在这种情况下,无需附设接地监控。

风机的接地系统中压变压器的接地系统连接。中压变压器至塔筒内等电位连接导体的接地线电缆型号:1×240mm2600/1000VAC,共2根,(具体根据箱变与塔筒间距离而定)。接线符合规定,能保证风机长期稳定运行。连接接地线前对等电位连接导体表面进行除锈、打磨光滑处理,确保接线接触良好。

4.6.3 机舱内接地

在机舱内各柜体就地接地,通过螺栓连接到机架上,连接处的漆膜进行了打磨。

4.6.4 接地电阻要求

共同接地电阻的测量是在风机基建完成后,在适当的计算方法和接地系统建设情况下,保证风机防雷接地电阻测量值低于10Ω;不考虑室外跨步电压,风机强电(发电机定、转子接地)、弱电(控制接地)、防雷接地(环形接地+基础接地)三电共地接地电阻应不大于;考虑室外跨步电压对人身安全的影响,接地电阻应不大于。如果整个接地系统的接地电阻超过要求,则还应该通过额外的接地棒扩大接地系统范围,这些接地棒连接到环状接地电极的终端连接片上。根据当地电力部门的规定,接地电阻值的大小有必要更低。

5 远程监控系统

1.5MW高原型风力发电机组远程监控系统具有对风电场内的风机进行实时监测和控制,以保证风机运行在安全状态的功能;同时,远程监控系统还具有对风场运行情况进行历史数据保存、查询、生成各种统计报表的分析统计功能;此外,远程监控系统还具有上传数据给电网及业主集中管理系统并接收电网指令进行功率调度的管理功能。

远程监控系统由风场通讯网络、核心交换机、服务器、防火墙、本地操作员站、异地远程监测站计算机和远程监控系统软件组成。风场通讯内采用100M双工单环光纤以太网络,监控系统服务器接口采用1000M以太网通道。该组网方式可以提供线路冗余,当环网中某一点意外中断时,数据可以反向传输,从而保证数据的可靠传输,实现环网通讯中风机监控传输不中断,数据不丢失。同时,远程监控系统在风机主控制器中断通讯时,会启动自动重连机制,保证主控恢复通讯时立即重新建立连接。

远程监控系统的功能:

5.1 实时监视功能

远程监控系统提供刷新周期小于等于1s的实时监视功能,界面简洁,操作方便。根据功能不同实时监视分为风场总览监视和单台风机监视,根据监视位置不同又分为本地集控室监视和异地远程监视。

1风场总览监视数据

所有风机的实时状态(运行、停机、故障)、风场当前执行的调度指令状态;

风场当前有功功率、无功功率、功率因数、累计发电量;

风机故障时声光报警。

2单台风机监视

风机状态(停机、运行、故障)、风机当前执行的调度指令状态、累计运行时间、累计故障时间、累计发电时间;

有功功率、无功功率、功率因数、累计发电量;

电网参数(电压、电流、频率)、是否处于低电压穿越状态;

风机采集的气象信息;

各子系统包括变流器、变桨、发电机、齿轮箱、主轴承、电网等部套的运行状态及参数、传感器数据等;

风机报警及故障信息。

5.2 历史数据查询

支持长达20年的历史数据保存。历史数据可按时间段进行分类查询,查询结果能以表格或曲线图方式显示和打印。

5.3 风机控制

远程控制系统客户端提供对风机进行启动、复位、停机以及对多台风机按预定的时间间隔顺序启动或停机的控制功能。操作简单,响应快速。为保证安全性异地远程终端不允许执行控制操作。

5.4 日志和快照记录

远程监控系统提供各种日志,并支持以下分类筛选:

远程监控系统的访问日志;

风机的访问日志;

风机发生故障时前后5分钟的所有数据快照;

风机报警日志;

主控保存的各种快照日志及统计数据。

日志和快照不仅记录风机运行状态还记录操作人员使用维护情况,给风场提供了评估风机及管理运维人员的有效手段。

5.5 分析统计报表

远程控制系统可对有功功率、无功功率、可利用率、有功正向反向发电量、无功正向反向发电量、风速、风向、运行时间、故障时间、满发时间等数据进行分时段统计,并以各种图表方式进行显示,如功率风速曲线、风速风向玫瑰图、风机产能报表、风场产能报表、柱状图、趋势图等。此类图表可用于统计风场成本和盈利情况并提供满足风场需求的报表。

5.6 第三方数据接口

远程监控系统提供包括MODBUS/TCPOPC的第三方数据接口,从而增强系统配置的灵活,满足不同标准数据的传输要求。通过第三方数据接口可以方便的上传数据给电网及业主综合管理系统等第三方平台.

5.7 系统对时

远程监控系统可以与外部时钟源如GPS时钟进行对时,也可以作为时钟源供其他系统进行对时,为风场所有系统保证时钟一致提供可能。

5.8 功率管理模块(可选)

远程监控系统可以接收电网的功率调度指令,启动功率管理功能。通过优化的分配调度策略,自动管理风机的功率及启停,保证风场按照调度指令合规运行。

5.9双机热备等故障保护功能(可选)

远程监控系统具有双服务器热备功能,在某个服务器掉电或意外死机时可以自动快速切换到备份服务器,保证服务不中断,数据不丢失。

5.10特殊功能定制

远程监控系统结构灵活,容易扩展,对于用户部分特殊要求如报表格式等可以定制开发,减少用户手动填写报表的工作量。

6 主控系统

1.5MW高原型风力发电机组采用变桨变速恒频双馈型系统,该系统主要由风轮(叶片)、变桨系统、驱动链、变流器、发电机、主控、电力供给和传输等多个子系统组成,而主控制系统贯穿到各个部分中,是风力发电系统的神经中枢,因此主控制系统的性能直接影响到风力发电机的工作状态、发电量以及设备的安全性。根据最高4000米的海拔要求,控制系统主要从配电、布局、低压器件选型和柜内加热、冷却等方面进行特殊设计。

风机主控制系统基本目标是:保证风力发电机组安全可靠运行的同时获取最大的风能量和提供良好的电能。

6.1主控制系统组成

主控制系统由中央控制器、传感器、安全保护、通讯接口单元、配电系统等组成,通过对采集数据的处理来实现变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆控制、并网和解控制、停机制动控制、安全保护控制、就地监控和远程监控通讯、箱变信号监控和低电压穿越等功能。

6.2使用环境

生存温度:-40~+70℃(变化率<1℃/min);

生存湿度:相对:1095%,绝对:<35g/m3 有凝露;

工作温度:-30℃~+60℃(变化率<0.5℃/min)

工作湿度:相对:1090%,绝对:<35g/m3 无凝露;

适用海拔:04000m

6.3主控制系统的主要功能

1.5MW高原型风力发电机组的各子系统都是在主控制系统的协调下工作的,主控制系统从各子系统得到相应的数据,然后根据所得到的数据对各子系统进行控制。主控制系统主要功能包括:启动与停机控制、并/脱网控制、偏航和解缆控制、变桨控制、变频器控制、中央监控通讯、故障报警、箱变信号监控、低电压穿越和接收网调指令等功能。

6.4启动与停机控制

当主控制系统监测到在一段时间(如10分钟)内风速仪测得的风速平均值达到风力发电机切入风速,且系统自检无故障时,控制系统发出启动指令,机组从等风状态进入启动运行。此时,变桨和变频器等系统会根据主控制器发出的指令做出相应的动作。当操作人员从现场或监控中心给出停机信号、风能量小于风机运行需要的能量或系统出现故障需要停机时,主控制系统会根据相应的条件控制变桨、变频和刹车等系统,最终达到停止风力发电机的目的。

6.5/脱网控制

当风力发电机转速达到并网转速时,主控制器向变频器发出达到并网转速的信号,并与变频器协调控制实现软并网操作。并网完成后根据当前的风力状况,优化桨叶状态,最大利用风能并向电网输入高质量的电能。正常运行时,主控制器监测风机出口处的上网电能质量及风机状态,当检测到需要切风机的故障或指令、风速低于切风速时,主控制器发出脱网指令,风机系统进入脱网操作控制程序。

6.6偏航和解缆控制

偏航是为了最大限度地利用风能和保证风机系统的安全,偏航分为手动和自动两种。当需要手动偏航时,只需用手旋动偏航开关即可进行手动偏航,手动偏航的实现应该是纯硬件回路而与控制系统没有任何关系;当风向发生变化时,主控制系统会根据实际的风向和当前风机所处的方向进行相应的偏航对风。

线缆缠绕解缆分为等风解缆和停机解缆。如果风机在等风的过程中主控制系统检测到电缆缠绕角度大于设定的参数值,此时需要进行等风解缆,主控制系统会根据电缆缠绕的角度和方向控制偏航电机进行解缆操作;当风力发电机在正常的发电过程中主控制系统检测到电缆缠绕角度大于设定的参数值,此时主控制系统会停止风力发电机然后根据实际电缆缠绕的角度和方向控制偏航电机进行解缆操作,当停机解缆完成后,风机会进行正常的启动。

6.7变桨控制

变桨控制是风机主控制系统的重要组成部分。在风机的启动过程中,当风速满足启动条件时,主控制系统会控制变桨系统以一定的速率开桨,此时发电机转速一直上升,当发电机转速上升到接近并网转速时,主控制系统会控制变桨系统将发电机转速稳定在并网转速范围内,此时主控制系统和变频器系统之间进行协调并控制变频器投入力矩完成风力发电机的并网操作,并网操作完成后,主控制系统控制变桨系统继续往0°开桨,当桨叶角度到达0度或程序规定的最小值或发电机转速超过额定值时,此时将主控制系统中的变桨和变频器自动控制程序投入,即完成了风力发电机的启动过程。在正常的发电过程中,主控制系统会根据当时的发电机转速和变频器所投入的力矩来控制变桨系统进行桨叶调整,以达到风能的最佳利用。当出现因为系统故障或人为原因需要停机时,主控制系统会控制变桨系统收桨最终完成停机操作。

1.5MW高原型风力发电机组的变桨控制采用RS485的方式,通过主控和变桨驱动器之间的通讯,完成桨叶位置的设定、系统状态反馈和通过RS485通讯实现主控对变桨超级电容管理器的管理等。

6.8变频器控制

当风力发电机的转速到达并网转速时并且主控制系统检测到变频器系统准备就绪时,主控制系统会发出指令要求变频器进行并网操作,变频器接收到此信号后执行并网操作并发给主控制系统完成并网操作的指令。完成并网后,主控制系统会控制变频器系统提升力矩,当力矩提升到额定值的90%并且满足桨叶角度到达0度或桨叶角度到达程序规定的最小值或发电机转速超过额定值时,将主控制系统对变频器系统的自动控制程序投入,进入自动控制后,主控制系统会根据当前实际的发电机转速来控制变频器的力矩投入值,最终达到最佳的风能利用。

6.9中央监控通讯

对于并网型风力发电机,除了在机舱、塔基进行就地显示和操作外,还具备风机之间组网到风场监控中心的通讯能力,以实现监控中心对风机的监视和控制。

控制器对外部通讯提供的接口支持Modbus协议,通过以上协议可以完整实现中央监控系统所要求的全部功能。

一套基于PC 的远程HMI客户端软件,该客户端软件运行于远程PC可以实现和本地HMI同样的功能,具有相同或相似的人机操作界面。

6.10故障报警

风力发电机的故障应包括:超速、振动、扭缆、电网、偏航、刹车片磨损、传感器、变流器、变桨系统、液压站、温度过高、温度过低等。对非常重要的部件采用两套独立的传感器。对于非常严重的故障不仅需要主控制系统动作,还有一套独立的安全链系统作用,安全链的作用不依赖于主控制系统,并具有最高的优先作用权限。主控制系统得到安全链触发信号应执行紧急保护动作,保证安全制动,并使发电机脱网。

6.11 箱变信号监控

箱变信号监控功能是要求风机主控制器能监控风力发电机组出口处的箱式变压器信号,包括6个数字量输入、1个数字量输出和1个模拟量输入。数字量信号都采用无源触点、模拟量信号采用4-20mA0-10VDC信号。要求将上述监控的箱变信号中的部分信号用于控制逻辑并在监控中心的界面上进行显示和存储,箱变信号采用硬线连接的方式接入风机主控制器。

6.12低电压穿越

主控制系统协调变频器系统完成低电压穿越功能。

6.13 接收网调指令

主控制系统具备能接受上级网调指令并根据指令自动控制风场风机的能力。

7 状态监测系统(可选)

风力发电机组状态监测系统(Condition Monitor System)(简称CMS)是对风电机组传动链上旋转部件(主轴、齿轮箱、发电机)进行振动监测,定期对上述部件的状态进行记录、分析,及时发现隐患,找出导致问题出现的原因,并采取相应措施加以解决。

状态监测系统主要由CMS数据采集站、振动传感器、CMS现场服务器组成。数据采集站和振动传感器,安装在风机的内部,负责对振动数据进行采集、处理,并上传数据到CMS现场服务器。CMS现场服务器位于风场监控中心,主要负责接收采集站上传的数据,判断振动矢量的幅值是否超限,如果超限,则生成告警信息;在CMS现场服务器上运行可视化界面程序,实时显示机组振动情况。

7.1 振动传感器

对于风力发电机组上的低速旋转部件,在主轴轴承座(本机型风机主轴有两个轴承座)和齿轮箱输入轴径向(轴承承载区)分别安装专用低频加速度传感器采集其振动信号。

对于风力发电机组的高速旋转部件,在齿轮箱的行星级的外齿圈、齿轮箱输出轴以及发电机前后轴承座径向分别安装普通的振动加速度传感器采集其振动信号。

7.2  CMS数据采集站

CMS数据采集站是一个以微处理器为核心的智能化的数据采集系统,其对各种传感器信号进行A/D转换,并对转换后的振动信号进行时/频域分析(如FFT-分析、包络谱分析等),将时/频域分析结果发送到CMS现场服务器。

7.3  CMS现场服务器

CMS现场服务器由高性能的专业服务器和相应软件组成。主要完成以下功能:

数据的长期存储与管理;

基于B/SC/S结构的数据传输及显示;

基于时频域的诊断分析、图谱分析;

CMS系统管理及设置,包括各数据采集站的地址设置、振动量设置、工艺量设置以及告警门限设置等;

传感器及电缆故障检测;

报告系统故障,重启系统。


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