金风1.5MW风力发电机组特性

金风1.5MW风力发电机组属于水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步风力发电机组。

（1）功率控制方式采用变桨距控制，每一个叶片上有一个变桨轴承，变桨轴承连接叶片和铸铁结构的轮毂。叶片节距角可根据风速和功率输出情况自动调节。

（2）发电机采用88级永磁同步电机，采用外转子结构，叶片直接同发电机转子连接。

（3）变速恒频系统采用交—直—交变流方式，将发电机发出的低频交流电经整流转变为脉动直流电（AC/DC），经斩波升压输出为稳定的直流电压，再经DC/AC逆变器变为与电网同频率同相位的交流电，最后经变压器并入电网。

（4）机组自动偏航系统能够根据风向标所提供的信号自动确定风力发电机组的方向。当风向发生变化时，控制系统根据风向标信号，通过偏航电机驱动偏航齿轮箱使机舱实现自动对风。偏航系统在工作时带有阻尼控制，通过优化的偏航速度，使机组偏航旋转更加平稳。

（5）液压系统由液压泵站、电磁元件、蓄能器、连接管路线等组成，用于为偏航刹车系统及转子刹车系统提供动力源。

（6）自动润滑系统由润滑泵、油分配器、润滑小齿轮、润滑管路线等组成，主要用于偏航轴承滚道及齿面的润滑。

（7）制动系统采用叶片顺桨实现空气制动，降低叶片转速。

（8）机组机舱内安装有电动提升装置，方便工具及备件的提升。

（9）电控系统以可编程控制器为核心，控制电路是由PLC逻辑控制器CPU模块及其功能扩展模块组成。

10.1.1.1　金风1.5MW风力发电机组特性

1.金风1.5MW风力发电机组基本特点

（1）由于机械传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率，同时降低了风力发电机组的噪声。

（2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风力发电机组的效率。

（3）由于无齿轮箱，大大降低了风力发电机组的运行维护成本。

（4）风力发电机组设计结构简单，变流设备、电控设备等易损件都在塔筒底部，维修方便。

（5）发电机运行转速低。

（6）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿。

（7）可以从内部进入轮毂，维护变桨系统，提高了人员的安全性。

（8）独立于电网电压的恒定功率因数运行模式。

2.金风1.5MW风力发电机组电网接入特性

风力发电机组接入电网后，可能会因电网故障而影响到发电机的正常运行，如电压跌落、电网电压过高、频率波动、谐波和无功功率等问题。在电力系统暂态故障时，风力发电机组在满足电网要求的前提下能否继续保证机组安全运行及安全解列，也是考核风力发电机组运行特性的重要指标之一。

（1）机组接入电网特性。风力发电机组的并网特性很大程度上取决于机组的变流系统，金风1.5MW风力发电机组变流系统主电路采用交—直—交结构并将风力发电机发出的能量送入电网。其中交—直变换部分采用六相不控整流器，直—直变换部分采用三重升压斩波，直—交变换部分采用两重PWM逆变，输出侧配备有LC滤波装置，如图10-1所示。变流系统的以上结构特点，决定了机组具有以下并网特性：

1）欠压特性。当电网电压从其初始值开始下降并使风力发电机组输出交流电流开始大于1.5倍起始电流或开始大于1.1倍机组额定电流时，风力发电机组的输出功率和功率因数将为恒定。当电网电压继续降到机组15%额定电压时，则风力发电机组也可保持输出电流不大于1.5倍起始电流或不大于1.1倍额定电流，持续时间为200ms；这段时间内，风力发电机组输出功率和功率因数也将为上述恒定值。当风力发电机组输出交流电压进一步下降并低于机组15%额定电压时，风力发电机组将停机。若电网电压降到机组5%额定电压以下，风力发电机组将关机。

2）过压特性。当电网交流电压从其初始值开始上升时，风力发电机组的输出功率和功率因数将为恒定。若风力发电机组输出交流电压超过额定电压的106%时，风力发电机组电流将减少到零，但是当电压回落到上述上限值则风力发电机组交流电流将恢复。当风力发电机组输出电压超过额定电压的110%时，风力发电机组将停机。

3）频率特性。金风1.5MW风力发电机组可根据电网对频率的要求来调节其输出电能的频率（其调节范围可设定为±10%，即49.5～50.5Hz）。

图10-1　金风1.5MW永磁直驱风力发电机组主回路框图

4）功率因数调节特性。金风1.5MW风力发电机组可根据电网对无功功率的要求来调节其输出输入的无功功率（其功率因数调节范围可设定为-0.95～0.95）。

5）谐波特性。谐波控制采用多环节（整流、斩波、逆变、滤波器环节都有对谐波的抑制策略）、并联多重化（三重整流、双重逆变技术）控制策略，能有效降低谐波输出对电网的干扰。通过整机、变桨、斩波升压、逆变单元、制动单元的协调控制，使机组具有较宽范围内的无功功率调节能力和对电网电压的支撑能力，可适应较宽范围内的电网电压变化和电网频率变化，输出电压闪变较低。

（2）金风1.5MW风力发电机组电能质量标准。

1）电压偏差参照GB/T12325—2008《电能质量供电电压偏差》。

2）电压波动和闪变参照GB12326—2008《电能质量电压波动和闪变》。

3）谐波标准参照GB/T14549—1993《电能质量公用电网谐波》。

4）三相电压不平衡参照GB/T15543—2008《电能质量三相电压不平衡》。

3.安全装置

（1）人员安全设施。

1）塔架内设置爬梯直通塔顶机舱，并设置跌落保护装置。

2）每隔20m设置一层休息平台。

3）具有叶片和偏航锁定装置。

4）在偏航、叶片、机舱等处设有安全带卡头的固定装置。

（2）防雷保护。根据相应的防雷标准，金风1.5MW风力发电机组将风力发电系统的内、外部分分成多个电磁兼容性防雷保护区。其中，在机舱、塔身和主控室内外可以分为LPZ0、LPZ1和LPZ2三个保护区，如图7-4所示。针对不同防雷保护区域采取有效的防护手段，主要包括雷电接收和传导系统、过电压保护和等电位连接等措施。

1）雷电接受和传导系统。

a.在叶片内部，雷电传导部分将雷电从接闪器导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂传至机舱。

b.机舱底板与上段塔架之间、塔架各段之间塔架除本身螺栓连接之外还增加了导体连接。

c.在机舱的后部有一个避雷针，在遭受雷击的情况下将雷电流通过接地电缆传到机舱底座，避免雷电流沿传动系统的传导。

d.机舱底座为球墨铸铁件，机舱内的零部件都通过接地线与之相连，雷电流通过塔架和铜缆经基础接地传到大地。

e.单台机组的接地工频电阻不大于4Ω，多台机组的接地网相互连接。通过延伸机组的接地网进一步降低接地电阻，避免雷电流迅速流散入大地而产生危险的过电压。

叶片叶尖部位有一个金属接闪器，用77mm2铜质电缆导线把叶尖接闪器和轮毂部位的防雷引下线可靠地连接，如图10-2所示。

图10-2　叶片防雷击系统示意图

2）过压保护和等电位连接。在不同的保护区的交界处，通过防雷及电涌保护器对有源线路（包括电源线、数据线、测控线等）进行等电位连接。

为了预防雷电效应，对处在机舱内的金属设备，如金属结构件、金属装置、电气装置、通信装置和外来的导体在靠近地面处作了等电位连接，连接母线与接地装置连接。

汇集到机舱底座的雷电流传送到塔架，由塔架本体将雷电流传输到底部，并通过两个接入点传输到接地网。

10.1.1.2　控制功能描述

1.正常运行控制

（1）机组启动。

1）自启动：控制器上电，风力发电机组执行自检，检测电网和风力发电机组状态，若当前无故障代码触发，则执行风力发电机组自启动程序。

2）手动控制：通过操作面板启动风力发电机组。

3）手动控制：通过主控制柜启动按钮启动风力发电机组。

4）手动控制：通过机舱内控制柜启动按钮启动风力发电机组。

（2）机组停机。

1）机组根据人为操作的要求进行正常停机或紧急停机。

2）机组根据发生故障的级别执行相应等级的制动程序。

3）机组根据不同的环境状况执行相应等级的制动程序。

（3）机组自动偏航。风向标安装在风力发电机组的机舱尾部，风向标总是指向风向，风力发电机组根据风向标的方向与机舱方向的夹角决定是否偏航。

（4）机组液压系统自动打压。风力发电机组液压系统没有故障时，若系统压力低于启动液压泵压力设定值，机组启动液压泵。若系统压力高于停止液压泵压力设定值，液压泵停止工作。(www.xing528.com)

（5）自动解缆。偏航位置传感器安装在风力发电机组的偏航齿圈处。当风力发电机组偏航超过一定角度时，风力发电机组停机并进行反方向偏航解缆，解顺电缆，停止解缆。

（6）风力发电机组切入电网流程。机组启动和并网控制过程如下：由风向标测出风向，PLC启动偏航，使风力发电机组对准风向；同时检测风速，当风速超过切入风速时，机组开始启动，当满足机组限定条件时，网侧、转子侧变流器分别启动调制，通过全功率变流器控制的功率模块和变流器网侧电抗器、电容器的LC滤波作用使系统输出电压等于电网电压、频率也达到并网条件，同时检测电网电压与变流器网侧电压之间的相位差，当其为零或相等（过零点）时实现并网发电（这些条件在金风1.5MW风力发电机组里全部通过变流装置的控制来实现，变流装置通过锁相控制和SPWM调制等使机组输出达到并网条件）。

根据图10-3所示，启动并网流程如下：

1）直流充电接触器吸合，直流母线充电。当机组通过变桨空转，叶片进桨至55°位置时，发电机转速开始升高。

2）当直流母线电压幅值超过设定值后，主断路器闭合，充电接触器退出，网侧逆变模块开始脉冲调制，延时1s后并网断路器吸合。

3）发电机转速达到设定转速时，主控制器向变流器发出指令，变流柜中的整流模块开始脉冲调制进行整流。

4）主控制器向变流器发送扭矩控制数据，变流器根据主控的转矩给定向电网输出电能，机组进入发电状态。

2.数据监测

（1）温度监测。在风力发电机组运行过程中，控制器持续监测机组的主要零部件的温度。温度监测主要用于启动和停止散热风扇及加热设备。这些温度值也用于故障检测，任何一个被监测到的温度值超出上限值或低于下限值，控制器将停止风力发电机组的运行。此类故障都属于能够自动复位的故障，当温度达到复位限值范围内，控制器自动复位该故障并执行自启动过程。

风力发电机组监测的温度有主控制柜温度、发电机绕组温度、变流柜的内部模块温度、变桨电机温度、变桨逆变器温度、环境温度、机舱温度、变桨控制柜温度、变桨控制柜中的超级电容温度、变桨充电器温度、冷却系统温度。

（2）转速数据。

1）风力发电机组轮毂中安装有2个转速传感器（接近开关），控制器通过专用的发电机过速模块（Overspeed模块）把传感器发出的脉冲信号分别转换成2个转速值。

2）发电机接线柜内安装有2个发电机频率模块（Gpluse模块），控制器通过专用发电机转速模块（Gspeed模块）把2个频率模块的脉冲信号相加转化成1个转速值。

图10-3　发电机并网流程图

3）变流系统内部有一套计算发电机转速的系统，可以根据发电机发电时电流旋转磁场的频率计算出发电机的转速，并送给主控制器。

对发电机转速进行实时监测时，如果转速超过设定的极限，控制器将命令风力发电机组停止运行。

转速传感器（接近开关）的自检方法：当风力发电机组的转子旋转时，两个传感器将按照轮毂内的齿形盘有规律地发出信号。主控制器对几个转速进行比较，若比较的差值超过设定值，风力发电机组报故障停机。

（3）电网监测。电网数据由电量采集模块（KL3403）检测，由控制器进行监控。电网数据检测分为以下方面：

1）电压。三相电压始终连续检测，这些检测值被计算后进行存储。电压测量计算值还用于监测过电压和低电压以便保护风力发电机组。

2）电流。三相电流始终连续检测，这些检测值被计算后进行储存。电流测量计算值和其他一些数据一起用来计算风力发电机组的发电量和耗电量。电流值还用来监视发电机切入电网的过程。在并网过程中，电流检测同时用于监视变频器是否正常工作。在发电机并网后的运行期间，连续检测电流值用以监视三相负荷是否平衡。如果三相电流不平衡程度过高，风力发电机组将停机并显示错误信息。电流检测值也用于监测一相或几相电流是否有故障。

3）频率。电网频率被连续检测，这些检测值被计算储存并与规定值进行比较计算。一旦检测到频率值超过或低于设定值，风力发电机组会立即停机。

4）有功功率输出。三相有功功率被连续检测，这些检测值被储存并进行计算处理。主控制器通过各相输出功率的测量值计算出三相总的输出功率，用以计算有功电能产量和消耗。有功功率值还作为风力发电机组过发或欠发的停机条件。

5）无功功率输出。三相无功功率被连续检测，这些检测值被储存并进行计算处理。主控制器通过各相输出无功功率的测量值，计算出三相总的输出无功功率，用以计算无功电能产量和消耗。

3.安全保护

（1）安全链回路。安全链是独立于计算机系统的软硬件保护措施。采用反逻辑设计，将可能对风力发电机组造成严重损害的故障硬接点串联成一个回路，即紧急停机按钮（塔底主控制柜）、发电机过速模块1和模块2、扭缆开关、来自变桨系统安全链的信号、紧急停机按钮（机舱控制柜）、振动开关、PLC过速信号、总线正常信号，一旦其中一个动作，将引起紧急停机过程，使主控系统和变流系统处于闭锁状态（图10 4）。

图10-4　安全链回路图

1）振动开关安装在机舱底板上。当底板出现过大振动时，该装置会给控制器发出一个信号，安全链断开，风力发电机组执行紧急停机并给出故障信息。

2）过速保护通过过速保护模块（Overspeed）实现，发电机转速超过一定范围，过速保护模块内的继电器断开接点，使安全链断开。

3）扭缆开关是用来保护电缆的，当电缆向同一方向累计扭转超过设定圈数时，扭缆开关动作，安全链断开。

4）当变桨控制系统出现故障时，来自变桨系统的信号消失，使安全链断开。

（2）风力发电机组的三种停机过程。

1）正常停机。叶片以4°/s的速度变桨到86°，当电机转速低于4.5r/min时，变流系统停止脉冲调制，发电机侧断路器断开，网侧断路器继续处于吸合状态。如果停机原因是由于变流器与主控制器之间控制信号丢失造成的，那么叶片以4°/s的速度变桨到86°，变流器立即停止脉冲调制，网侧断路器和电机侧断路器同时断开。

2）快速停机。叶片以6°/s的速度变桨到86°，当电机转速低于4.5r/min时，变流系统停止脉冲调制，发电机侧断路器断开，网侧断路器继续处于吸合状态。

3）紧急停机。叶片以7°/s的速度变桨到86°，当电机转速低于4.5r/min时，变流系统停止脉冲调制，发电机侧断路器断开，网侧断路器继续处于吸合状态。如果停机原因是由于变流器内部故障造成的，那么叶片以7°/s的速度变桨到86°，变流器立即停止脉冲调制，网侧断路器和电机侧断路器同时断开。

（3）维护模式。风力发电机组停机后，将主控柜上的维护开关的位置扳到“visit”或“repair”位置，风力发电机组都将进入维护模式。在维护模式下，禁止中央监控计算机控制风力发电机组，如图10-5所示。

图10-5　维护模式

10.1.1.3　风力发电机组监控系统说明

金风1.5MW风力发电机组监控系统如图10-6所示，它分为中央监控系统和远程监测系统。中央监控系统由就地通信网络、监控计算机、保护装置、中央监控软件等组成。运维人员通过中央监控系统监视，控制风力发电机组。远程监控系统由中央监控计算机、网络设备、数据传输介质、远程监控计算机、保护系统、远程监控软件组成。通过风力发电机组远程监测系统运维人员可实时查看风力发电机组的运行状况、历史资料等。风力发电机组监控系统信息框图如图10-7所示。

1.中央监控软件

金风1.5MW风力发电机中央监控系统软件主要包括以下功能：

图10-6　金风1.5MW风力发电机组监控系统结构图

图10-7　风力发电机组监控系统信息框图

（1）监测功能。可以实时监测风力发电机组的运行状态，包括风速、功率、叶轮转速、电机转速、发电量、发电时间、外部功率、小风停机时间、小风故障时间、标准运行时间、总维护时间、偏航角、环境变量、风向角、发电机温度、总发电时间、总维护时间、无功电量、总发电量、通电时间、总故障时间、无功电量、消耗电量、风可利用时间、待机时间、小风停机时间、小风故障时间、定期检修时间、外部故障时间、标准运行小时数、机舱温度、风向角、偏航角度、三相电压、电流值等状态量。同时主页面中直接显示了每台风力发电机组的当前状态（正常、风力发电机组故障、通信故障）及每台风力发电机组的当前数据（出力、风速）。

（2）控制功能。

1）集中控制风电场所有风力发电机组的开机、停机、复位、偏航。

2）单独控制某台风力发电机组的开机、停机、复位、偏航等风力发电机组相关操作。

（3）记录存储功能。

1）运行数据的存储，包括主要信息时间，风力发电机组状态、风速、有功功率、电机发电量、电机发电量时间、叶轮转速、发电机转速、偏航角度、系统压力、风向角、机舱温度、A相电压、B相电压、C相电压、A相电流、B相电流、C相电流、功率因素、无功电量等以数据库文件方式进行存储，每台风力发电机组每天生成一个文件。

2）故障存储，每次风力发电机组出现故障时，都会进行记录。记录的内容包括故障发生时间、事件名称（以数据库文件进行存储）。

以上数据具备打印功能，可以直接连接打印机打印出来。

（4）报警功能。当风力发电机组出现故障时，会发出相应语音报警。值班人员可根据报警提醒，进行及时处理。

（5）权限设置（保护）功能。登录控制系统进行风力发电机组控制时，设置有不同权限，等级越高，浏览权限和操作权限就会越高。

（6）趋势图浏览功能。可以浏览每台风力发电机组的功率曲线、风速趋势图、关系对比图、风玫瑰图、风速时间曲线。数据可以导出。

（7）报表功能。可以对单台或分组风力发电机组进行分时段报表、日报表、月报表、年报表的统计。报表内容包括发电量、发电时间、维护时间、故障时间、可利用率、平均风速、最大风速、平均功率、最大功率、标准运行小时数。

（8）打印功能。可以将以下数据进行打印：①历史运行数据；②故障记录；③风力发电机组时段数据统计；④风力发电机组日数据统计；⑤风力发电机组月数据统计。

（9）系统日志、风力发电机组控制命令日志功能。通过系统日志可查询用户登录信息；风力发电机组控制命令日志是现场运维人员对风力发电机组的控制、发送命令的具体操作记录。

（10）风力发电机组参数设置功能。在需要更改风力发电机组内部参数设定值时，可直接通过中央监控系统软件使用此功能进行定值读取与设置的操作。

（11）风力发电机组校时功能。在需要调整风力发电机组内部时钟时，可以在中央监控系统软件中使用风力发电机组校时功能对时钟进行校对。校对时，系统将根据中央监控系统计算机时间对选定风力发电机组进行校时，使得电场所有风力发电机组能够达到时钟同步。

2.远程监控系统

金风1.5MW风力发电机组的远程监控系统通过VPN实现与风力发电机组的通信连接，使远程监控机成为就地网络中一台客户端，通过输入正确的用户名和登录密码可实现远程监测（监控）风力发电机组。远程监控系统如图10-8所示。

图10-8　远程监控系统示意图