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金风1.5MW风力发电机组的变桨系统介绍作者：孙伟主要内容：一、变桨系统的机械结构二、变桨距控制的目的三、变桨系统的硬件组成四、主要元件的功能原理五、变桨系统的手动操作六、变桨系统的维护和故障判断一、变桨系统的机械结构控制系统二、变桨距控制的目：使叶片的攻角在一定范围（0度---90度）变化，以便调节输出功率，避免了定桨距机组在确定攻角后，有可能夏季发电低，而冬季又超发的问题。在低风速段，功率得到优化，能更好的将风能转化电能。变桨机组的控制策略为：a额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，这样可以跟踪最优Cp；b额定风速以上通过扭矩控制器及变桨控制器共同作用，使得功率、扭矩相对平稳；功率曲线较好。额定风速以下阶段：要实现的主要目标就是让叶轮尽可能多的吸收风能。Cp越大,吸收的风能越多。由于额定风速以下风速较小，因此，此时没有必要变桨，只需要此时将叶片角度设置为规定的最小桨矩角。额定风速以上阶段：变速控制器（扭矩控制器）和变桨控制器同时发挥作用。通过变速控制器即控制发电机的扭矩使其恒定,从而恒定功率。通过变桨调整发电机的转速,使得其始终跟踪转速设置点。下图为不同最小桨矩角对应的Cp及λ曲线图发电机转速（Ω—rpm）10,000020,000030,000040,000050,000090,0000100,0000110,0000120,0000扭矩Nm（Torque）2.557.51012.51517.520max_torque额定点(功率1500KW)(扭矩872100Nm)发电机最大转速点(w_max=17.3rpm)(扭矩：445530Nm)（功率：807KW）发电机中间转速点（w=13.65rpm;功率=396KW；扭矩=277364Nm)发电机最小转速点（w_min=10rpm)（扭矩=148862Nm）（功率=156KW）设定扭矩（Set_torque)60,000070,000080,0000相同容量的定桨距和变桨距机组功率曲线的对比三、变桨系统的硬件组成变桨控制柜内的布局变桨系统分布结构变桨柜1变桨电机1滑环90度限位开关0度接近开关动力电源线旋转编码器电磁刹车连接器变桨柜190度限位开关0度接近开关动力电源线旋转编码器电磁刹车变桨柜190度限位开关0度接近开关动力电源线旋转编码器电磁刹车变桨电机2变桨电机3Pitchbox33×400VAC供电Pitchbox2Pitchbox14×2.5mm23×400VAC供电4×2.5mm24×2.5mm23×400VAC供电x5cx5cx5cx10cx10c滑环x5bx5bx5bx10bx10bDP总线(3)DP总线(3)DP总线(3)DP总线(3)DP总线（3）x5ax5ax5ax10ax10a安全链安全链3×2.5mm2Motor3×35mm2Encoder旋编10×1mm2x9x80°接近开关3×1mm2x6电机控制及信号线x78×1mm2限位开关2×1mm23×35mm23×35mm2MotorMotor10×1mm210×1mm2Encoder旋编Encoder旋编x9x93×1mm23×1mm20°接近开关0°接近开关x8x88×1mm28×1mm2电机控制及信号线电机控制及信号线x6x62×1mm22×1mm2限位开关限位开关x7x7线路连接3.1变桨系统驱动原理BeckhoffI/Osystem开关电源变桨逆变器DC/DC变换A10电压/电流转换变桨电机风扇自动/手动切换向0度变桨向90度变桨电源开关Pt100电机刹车旋转编码器90度限位开关0度接近开关状态信息控制命令电压电流信号DC24V状态手动控制温度信号叶片桨距角电机转速反馈UVWDC60VDC0V状态信号控制命令变桨速度ProfibusDP电机温度变桨控制系统实现风力发电机组的变桨控制，在额定功率以上通过控制叶片桨距角使输出功率保持在额定状态。变桨控制柜主电路采用交流--直流--交流回路，由逆变器为变桨电机供电，变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨电机转速调节。每个叶片的变桨控制柜，都配备一套由超级电容组成的备用电源，超级电容储备的能量，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足以使叶片以7°/s的速率，从0°顺桨到90°。当来自滑环的电网电压掉电时，备用电源直接给变桨控制系统供电，仍可保证整套变桨电控系统正常工作。相比密封铅酸蓄电池作为备用电源的变桨系统，采用超级电容的变桨控制系统具有下列优点：a、充电时间短；b、交流变直流的整流模块同时作为充电器，无须再单独配置充放电管理电路；c、超级电容随使用年限的增加，容量减小的非常小；d、寿命长；e、无须维护；f、体积小，重量轻等优点；g、充电时产生的热量少。•型号：4-BMOD2600-6•额定电压：60VDC•总容量：125F•总存储能量：150kJ•四组串联•单组电容电压：16VDC•单组电容容量：500F变桨超级电容四、主要元件的功能原理滑环滑环整体图•上面的插头：5芯线+屏蔽，24VDC，机舱到变桨的安全链；•中间的插头：ProfibusDP现场总线，2芯线+屏蔽，10VDC；•下面的插头：5芯线，400VAC，机舱到变桨系统的电源•ProfibusDP数据传输速率：3Mbit/sHarting连接端子变桨电机•类型：IM3001(3相笼型转子异步电机)•额定功率：4.5kW，1500rpm•最大转矩：75Nm•制动转矩：100Nm•额定电压：29V•额定电流：125A•额定功率因数：0.89•绝缘等级：F•转动惯量：0.0148kgm2•防护等级：IP54变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨电机转速调节（通过逆变器改变供电的频率来控制电机的转速）。相比采用直流电机调速的变桨控制系统，在保证调速性能的前提下，避免了直流电机存在碳刷容易磨损，维护工作量大、成本增加的缺点。3.2变桨系统主要部件:控制柜内部电源及控制检测部分:1、开关电源(NG5)2、变桨变频器(AC2)3、超级电容4、A10自制模块5、BC3150及beckoff模块6、温度检测（PT100）控制柜外部驱动及检测部分:1、变桨电机2、旋转编码器3、温度检测（PT100）4、0°接近开关及90°限位开关名称型号功能及端口定义开关电源ZIVAN功能：将50HZ线电压400V(三相)交流电输入转换为60V直流电输出。AUX1C\AUX1NO=开关电源正常输出信号额定60V/80AON/OFF=开关电源工作/停止工作信号LSENSE电流检测通道变频器SW:AC2T2IFWMF145_HYSO4功能：将60VDC转换成三相频率可变的29VACBATT/-BATT为直流输入,UVW为交流电输出；额定48V/450AF3/F9控制变桨电机刹车电磁阀；E5=自动变桨控制信号；F4=自动变桨使能；E12=叶片向0度方向变桨信号；E13=叶片向90度方向变桨信号；F6/F12外部过载信号；A10自制模块功能：采集超级电容高低电压；X4:4=／X4:3分别采集电容高低60V／30V直流输入电压；X4:5=模块24V电源的接口；X4:9／X4:10=电压检测模拟量输出；X4:11=电流检测模拟量输出旋转编码器1=旋边电源；3/7=正/负向SSI脉冲输入；5=清零端；8/9=速度和位移反馈；10=反馈旋边工作正常信号；•型号：ZivanBatteryChargerNG5•输入电压：400VAC(+/-15%)•输出电压：60VDC•输出电流：80ADC优点：•效率高；•体积小；•充电时间短；•充电不受交流电源变化的约束；•能够提供理想的充电曲线。变桨开关电源NG5基本原理图控制部分的电源DC/DC变换部分反馈回路•IMS功率模块，Flash内存，微处理器控制，CanBus•型号：ZapiAC-2•电力电子器件：MOSFET•开关频率：8kHz•额定直流输入电压：60VDC•最大输出电流：450AAC-2——异步电机用高频MOSFET逆变器基本原理图A10自制模块基本原理图旋转编码器•25位分辨率，8192脉冲/4096圈•格雷码或二进制码输出•自诊断功能•电子清零•可选组件：增量通道A，B；绝对式旋转编码器GM400光电转换电路轴承安装法兰光栅码盘内部基本结构图内部基本原理图绝对位置从码盘上读取，在码盘上，每一位对应一个码道，每个数位编码器对应一个输出电路，每一个通道都包含一个光源的接收器，每圈(360°)读数完成后，将重复读数输出。码盘的物理成像是通过光敏元件阵列实现的，每位有两个光敏元件/bit差分信号信号优化旋转编码器的安装位置（在变桨电机的末端）变桨电机中的散热风扇变桨电机中的旋转编码器变桨电机中的电磁刹车这种温度传感器是利用导体铂（pt）的电阻值随温度的变化而变化的特性来测量温度的。通常这样的温度传感器可以测量负200到正500摄氏度的范围，而且在这个温度范围下，铂的电阻值和温度具有良好的线性关系。温度传感器（Pt100）接近开关（Bi5/8-M18-AP6X-H1141/S34）*带螺纹的圆筒，M18；*镀铬黄铜；*抗交流磁场和直流磁场干扰；*3线直流连接，*10~30VDC；*常开PNP输出；*连接头，M12；最大电压400VAC持续电流5A最大开关频率100/min机械寿命-开关动作次数106工作温度-30~+80oC标准执行机构形态C认证UL，CSA重量0.16kg限位开关BC3150KL1104KL1104KL1104KL2408KL3404KL5001KL3204KL4001KL9010变桨控制柜中都有一个总线控制器BC3150，它是每个变桨控制系统的核心，其内部有变桨控制程序。此程序一方面负责变桨控制系统与主控制器之间的通信，另一方面负责变桨控制系统外围信号的采集处理和对变桨执行机构的控制。紧急状态下（例如变桨控制系统突然失去供电或通信中断），三个变桨控制柜中的控制系统，可以分别利用各自柜内超级电容存储的电能，分别对三个叶片实施90度顺桨停机动作。BC3150及beckoff模块BC3150有一个PROFIBUS-DP现场总线接口，可在PROFIBUS-DP系统中作为智能从站使用。“紧凑型”总线端子控制器BC3150比较小巧而且经济BC3150通过K-BUS总线扩展技术，可连接多达255个总线端子。KL1104数字量输入端子从现场设备获得二进制控制信号，并以电隔离的信号形式将数据传输到更高层的自动化单元。每个总线端子含4个通道，每个通道都有一个LED指示其信号状态。KL2408（正极变换）数字量输出模块将自动化控制层传输过来的二进制控制信号以电隔离的信号形式传到设备层的执行机构。KL2408有反向电压保护功能。其负载电流输出有过载和短路保护功能。每个总线端子含8个通道，每个通道都有一个LED指示其信号状态。KL3404模拟量输入端子可处理-10V和+10V或0V和10V范围的信号。分辨率为12位，在电隔离的状态下被传送到上一级自动化设备。在KL3404总线端子中，有4个输入端为2线制型，并有一个公共的接地电位端。输入端的内部接地为基准电位。KL5001SSI接口模块可直接连接SSI传感器。传感器电源由SSI接口提供。接口电路产生一个脉冲信号以读取传感器数据，读取的数据以字的形式传送到控制器的过程映像区中。各种操作模式、传输频率和内部位宽可以永久地保存在控制寄存器中。KL4001模拟量输出模块可输出0V到10V范围的信号。该模块可为处理层提供分辨率为12位的电气隔离信号。总线端子的输出通道有一个公共接地电位端。KL4001是单通道型，适用于带有接地电位的电气隔离信号。它通过运行LED显示端子与总线耦合器之间的数据交换状态。KL3204模拟量输入端子可直接连接电阻型传感器。总线端子电路可使用2线制连接技术连接传感器。整个温度范围的线性度由一个微处理器来实现。温度范围可以任意选定。总线端子的标准设置为：PT100传感器，分辨率为0.1°C。变桨方式分为以下几种：•自动变桨：正常工作，程序控制；•手动变桨：调试、维护；只有当两只叶片的位置在86度附近