一种风电机组控制系统技术方案

一种风电机组控制系统，包括中心控制器ＰＬＣ、中间继电器板、软并网控制板、显示操作面板以及接线端子。中心控制器ＰＬＣ主要包括ＣＰＵ模块３１５－２ＤＰ，数字量输入模块ＤＩ，数字量输出模块Ｄ０，高速计数模块ＦＭ３５０－２，模拟量输入模块ＡＩ，通信模块ＣＰ３４０；中间继电器板由多个直流线圈继电器构成。中间继电器板、软并网控制板分别与中心控制器ＰＬＣ的输入、输出模块连接，并通过接线端子与控制对象相连接。系统采用中间继电器板对输入／输出信号进行隔离，提高了系统的抗干扰能力。软并网控制采用限流软切入控制策略，使并网过程更加平稳。本发明专利技术限制了小电机１小时内的并网次数，巧妙地解决了风电机组的小风停机问题，采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线技术实现与中央监控计算机的通信。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风力发电领域，尤其涉及定桨距失速型风电机组的控制系统。
技术介绍
定桨距失速型风电机组是目前风电市场应用较多的机型。一般来讲，风力机通过监测机组自身状态、电网状态及周围环境如温度、风速、风向等情况，综合判断后发出相应控制指令，实现对风力发电机组的控制及保护。目前对失速型风力机的控制往往存在着以下不足之处首先，风电机组往往工作在条件较为恶劣的野外环境，雷电、电磁干扰等会对风电机组特别是电控系统产生危害。目前风电机组的控制器在抗电磁干扰方面存在不足。 其次，由于风电机组单机容量不断扩大，控制需求也在不断增加。现有控制器，如采用单片机或工控机的风电机组控制器，控制功能已经局限在一块控制板上或者集中在工控机的扩展槽上，当控制点数增加时不利于功能的扩展，使得控制器升级的时间和费用都大大增加；同时当控制器出现故障时也不利于故障的查找和维护。 第三，大容量风力发电机，特别是异步感应发电机在直接切入电网时会对机组造成较大的冲击。因此，感应发电机在并网时，需要采用一定的控制手段，使并网冲击减小，目前的并网控制方法仍然需要进一步改进。 第四，当风速变小时，风电机组进入负功率状态，因此，机组需要脱网以减小电力消耗。目前，小风停机的控制方法存在一些问题。如失速型风力机在发电运行中，当遇到风速变小而出现负功率时，通过甩出叶尖(即叶尖扰流器)来执行刹车，当转速降低到较小值后上机械刹车，使机组完全制动，同时收回叶尖。这种方法，对高速闸的磨损较为严重。同时，频繁的使用高速闸刹车对机组的机械冲击也很大。一种控制方法是在转速降低后，收回叶尖，但不上机械刹车，而是保持叶轮的自由轮状态。但是，这在实际中会带来问题。当风速持续长时间较小时，机组采用叶尖刹车降低转速后，如立即收回叶尖，此时电机转速会立即上升，直到达到并网转速后切入电网。由于风速较小，机组并网运行时出现负功率，又要执行甩叶尖的刹车动作，如此反复，造成机组的频繁并网和脱网。短时间并网次数过多，会造成对机组的多次冲击。短时间脱网过多，叶尖频繁收甩，严重影响叶尖的使用寿命。因此迫切需要一种好的控制方法来解决这个问题。 第五，由于风力机控制器不仅仅需要完成对单台风力机的控制，同时还需要为风电场中央控制室集中监控计算机提供通信接口，从而实现对风力机群的集中监控。现有风力机控制器一般采用传统的RS485串行通讯方式或者电话拨号方式，通信速度慢、误码率高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对以上现有技术的不足之处，提出一种稳定性好，功能扩展方便，控制方法得当，与上位机通讯高速稳定，能在恶劣环境下工作的功能强大的风电机组控制系统。 本专利技术采用以下技术方案。 本专利技术包括中心控制器(PLC)、中间继电器板、软并网控制板、操作员面板以及与控制对象相连的接线端子。其中，中心控制器由Siemens公司的S7-300PLC系列模块构成，包括一个电源模块、1个CPU模块、1个开关量输入模块、1个开关量输出模块、1个高速计数模块、1个模拟量输入模块和1个通讯模块。中间继电器板由多个直流线圈继电器构成，用于输入、输出信号的隔离。软并网控制板由89C51单片机系统、同步信号采集电路、定子电流检测电路、触发信号驱动放大电路和光耦隔离电路构成。中间继电器板、软并网控制板分别与中心控制器的输入、输出模块相连接，并通过接线端子与控制对象相连接。 本专利技术的风电机组控制系统的工作过程描述如下(1)系统上电开始运行自检程序，检查系统状态是否正常。同时检测电网参数，检查电网状态是否正常；(2)若系统和电网状态都正常，系统自动复位，闭合安全链；(3)中心控制器发出启动液压泵命令，液压泵开启，将液压油从油箱中泵出，系统压力开始上升，当系统压力升到设定值时，停止液压泵；(4)中心控制器发出打开叶尖电磁阀命令，液压油进入叶片油缸，依靠油的压力收回叶尖；(5)检测系统各个输入点的参数值，如温度、压力、风速、转速等信号，通过对加热器、液压泵、齿轮油泵的控制，使风电机组各部分的温度、压力保持在设定值范围之内；(6)调用故障检测与处理程序，如各点参数值超出预先设定的范围，则给出故障报警；(7)如没有故障，并且风速达到偏航风速，则启动偏航程序，实现风电机组的自动对风；(7)对风结束后，如风速达到切入风速，则进入风电机组自动启动程序。松高速闸，叶轮在风的升力作用下开始旋转；(8)当转速达到并网转速时，启动软并网程序。闭合电机接触器，软并网控制器按一定的触发角顺序触发可控硅，同时检测并网电流，当并网电流超过设定值，则保持当前触发角不变。随着转速上升，电流下降到允许值以内时，继续触发可控硅，直到可控硅完全导通，这时闭合旁路接触器，切除软并网装置，使风力发电机可靠并入电网，并网过程结束；(9)如果步骤(8)中的并网时间超出预先设定的时间，则启动正常停机程序，终止并网过程；(10)成功并入电网后，根据发电机发出有功的情况，投入电容器，进行无功补偿，使功率保持在标准要求的范围之内；(11)当风速变小时，如果发电机持续一段时间(可设定)发出负功率，则启动小风停机程序。具体过程为当执行小风停机时，甩出叶尖，执行空气刹车，但不执行机械刹车(即不上高速闸)。当电机转速降低到300转/分时，收回叶尖。收回叶尖后，转速可能会立即上升，有可能再次达到并网转速，并切入电网。这时进行1小时倒计时，并记录并网次数。当1小时内并网次数达到4次，则置小电机并网限制标志为1。如果电机转速第5次达到并网转速，而且小电机并网限制标志为1，这时，不执行并网程序，电机维持空转状态，如果电机转速继续上升，达到大电机并网转速，则执行大电机并网程序。当1小时倒计时结束，则清除并网次数的计数，同时清除小电机并网限制标志(标志置0)。 同时，本专利技术的控制器还提供了支持现场总线技术的PROFIBUS通信接口。 与现有的风电机组控制器相比，本专利技术具有以下积极效果采用PLC作为中心控制器，功能模块组合结构，稳定性好、便于功能扩展。风电机组控制器之间以及风电机组控制器与远程监控计算机之间采用了面向未来的PROFIBUS现场总线结构，一组通信节点达到126个，通信速率达到1.5Mbps，确保了通讯的快速性和有效性，便于实现远程集中控制。 整个控制器采用集散控制结构，中心控制器PLC作为主控制器负责整个系统的控制与协调，89C51单片机系统作为从CPU系统完成风力发电机的软并网控制，在工作方式上听从主控制器的指令。 中心控制器PLC与控制对象之间设置中间继电器板。中间继电器板上可以设置多个直流线圈继电器，因此可以灵活实现对多路输入/输出信号的隔离，确保了中心控制器的安全。 采用了限流软并网方式，确保了大容量风力发电机切入电网时，过程柔和平稳，减小对整个机组的冲击。 先进实用的小风停机方法，不上机械刹车，减少了对高速闸的磨损；限制1小时内的并网次数，避免了发电机频繁并网、脱网现象的发生。 本专利技术采用了模块化组合结构，根据输入/输出信号的多少，可以增加或减少I/O模块，硬件组态灵活。 中间继电器板上继电器的数量根据要求可以灵活增减，实现了对不同系统的灵活配置。这种方式确保了中心控制器的安全性，同时，提高了整个系统的抗干扰能力。附图说明图1为本专利技术风电机组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电机组控制系统，其特征在于主要包括中心控制器ＰＬＣ、中间继电器板、软并网控制板、显示操作面板以及插拔式接线端子；中心控制器ＰＬＣ主要包括ＰＳ３０７电源模块，ＣＰＵ模块３１５－２ＤＰ，数字量输入模块ＤＩ，数字量输出模块ＤＯ，高速计数模块ＦＭ３５０－２，模拟量输入模块ＡＩ，通信模块ＣＰ３４０；中间继电器板与中心控制器的数字量输入模块ＤＩ、数字量输出模块ＤＯ相连接；通信模块ＣＰ３４０的ＲＳ４８５端口通过通信电缆与外部传感器电量采集模块连接，软并网控制板与中心控制器的数字量输入模块ＤＩ、数字量输出模块ＤＯ相连接；显示操作面板与ＣＰＵ模块３１５－２ＤＰ的ＭＰＩ接口相连接，插拔式接线端子的另一侧与电量采集模块、外部传感器、外部执行机构、３组反并联晶闸管等模块相连；ＣＰＵ模块３１５－２ＤＰ的ＭＰＩ接口与显示操作面板相连接；ＣＰＵ模块３１５－２ＤＰ的ＤＰ接口与下一个站点或远程ＰＣ机相连接；数字量输入模块ＤＩ的９通道与软并网控制板的５１ＯＫ信号连接；８通道与软并网控制板的ＥＮＤ信号连接。

【技术特征摘要】
1.一种风电机组控制系统，其特征在于主要包括中心控制器PLC、中间继电器板、软并网控制板、显示操作面板以及插拔式接线端子；中心控制器PLC主要包括PS307电源模块，CPU模块315-2DP，数字量输入模块DI，数字量输出模块DO，高速计数模块FM350-2，模拟量输入模块AI，通信模块CP340；中间继电器板与中心控制器的数字量输入模块DI、数字量输出模块DO相连接；通信模块CP340的RS485端口通过通信电缆与外部传感器电量采集模块连接，软并网控制板与中心控制器的数字量输入模块DI、数字量输出模块DO相连接；显示操作面板与CPU模块315-2DP的MPI接口相连接，插拔式接线端子的另一侧与电量采集模块、外部传感器、外部执行机构、3组反并联晶闸管等模块相连；CPU模块315-2DP的MPI接口与显示操作面板相连接；CPU模块315-2DP的DP接口与下一个站点或远程PC机相连接；数字量输入模块DI的9通道与软并网控制板的51OK信号连接；8通道与软并网控制板的END信号连接。2.按照权利要求1所说的风电机组控制系统，其特征在于中间继电器板的PI1~PI8分别为连接到中心控制器PLC的8路数字量输入信号，其中中心控制器PLC的数字量输入模块DI的7通道与中间继电器板的PI1连接，6通道与中间继电器板的PI2连接，5通道与中间继电器板的PI3连接，4通道与中间继电器板的PI4连接，3通道与中间继电器板的PI5连接，2通道与中间继电器板的PI6连接，1通道与中间继电器板的PI7连接；中间继电器板的I1与插拔式接线端子排的13号端子闸释放信号连接，I2与端子排的14号端子齿轮油位连接，I3与端子排的15号端子液压油位连接，I4与端子排的16号端子闸磨损连接，I5与端子排的17号端子偏航过载连接，I6与端子排的18号端子电机反馈连接，I7与端子排的19号端子旁路反馈连接。3.按照权利要求1所说的风电机组控制系统，其特征在于中心控制器PLC的高速计数模块FM350-2的3通道与插拔式接线端子排28号端子风速连接，获取风速信号，4通道与29号端子电机转速连接，获取电机转速，5通道与30号端子叶轮转速连接，获取叶轮转速；中心控制器PLC的模拟量输入模块AI的6通道与31号端子电机温度连接，获取电机温度，模拟量输入模块AI的5通道与32号端子齿轮油温连接，获取齿轮油温度，模拟量输入模块AI的4通道与33号端子环境温度连接，获取环境温度，模拟量输入模块AI的3通道与34号端子风向连接，获取风向信号，模拟量输入模块AI的2通道与35号端子系统压力连接，获取系统压力信号，模拟量输入模块AI的1通道与36号端子叶尖压力连接，获取叶尖压力信号；通信模块CP340的RS485端口通过一根通信电缆与电量采集模块连接，获取电网参数。4.按照权利要求1所说的风电机组控制系统，其特征在于软并网控制板由89C51单片机系统、同步信号获取电路、定子电流测量电路、触发信号驱动电路构成；定子电流通过电流测量电路接到AT89C51单片机的P3.3口的中断口INT1，定子电流经过电流互感器转换成低压交流信号VBJ，经过二极管D2IN4007半波整流后，经过10K电阻R51和C5组成的滤波电路，然后与10k的可调电阻RW1分压后接入比较器的反相输入端6，10k的可调电阻RW1的1端接地，2端与R51连接，3端为调节端，与地连接；10K可调电阻RW2的1端接电源Vcc，2端接地，3端分压后接到比较器的正相输入端7，作为设定的比较值；比较器的反相输入端6连接钳位二极管D3后接电源Vcc；比较器的输出端接上拉电阻R52后输出；电源Vcc经电阻R53和发光二极管DGL后输出，主要起指示作用；同步信号取自电网C、A两相之间的线电压，电网C、A两相接到变压器T1的原边，T1的副边接到变压器T2的原边，T2的副边经R2和C4组成的RC滤波电路后，再经过限流电阻R6后接到三极管3DK7的基极；R6的前端与地之间接稳压管D1；三极管3DK7的发射极接地，集电极经上拉电阻R7接到电源Vcc；同时，集电极经缓冲器7407后输出同步信号SYN；触发信号经过驱动电路依次触发3组反并联晶闸管，触发命令信号Triggerl经缓冲器7407和电阻R17后接到光藕TIL117，光藕导通后信号经电阻R29，并经R28分压后接到三极管2SD381的基极；插拔式接线端子排的1号、2号端子分别与3组反并联晶闸管的1号晶闸管的阴极和门极连接；3号、4号端子分别与3组反并联晶闸管的2号晶闸管的阴极和门极连接；5号、6号端子分别与3组反并联晶闸管的3号晶闸管的阴极和门极连接；7号、8号端子分别与3组反并联晶闸管的4号晶闸管的阴极和门极连接；9号、10号端子分别与3组反并联晶闸管的5号晶闸管的阴极...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄂春良，许洪华，赵斌，武鑫，谷海涛，胡春松，崔娟，赵栋利，潘磊，王宇龙，李亚西，邵桂平，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]