金风1.5MW风力发电机组Vensys变桨系统介绍
金风1.5机组变桨系统
实用标准变桨系统主要元件故障原因及分析——AC2和NG5故障原因及分析******专业：电力系统自动化入职时间：2010-7-1部门：技术服务中心目录目录 (1)摘要 (2)一、变桨系统的作用 (2)（一）功率调节 (2)（二）气动刹车 (3)二、主要元器件的介绍 (3)（一）变桨逆变器AC2 (3)（二）充电器NG5 (4)（三）其他元器件 (6)三、控制原理 (8)（一）变桨原理框图 (8)（二）变桨原理介绍 (8)四、典型故障分析 (9)（一）变桨逆变器OK信号丢失故障分析 (9)1、变桨逆变器OK信号形成及检测过程 (10)2、变桨逆变器OK信号丢失原因 (10)（二）充电器NG5损坏原因分析及整改建议 (12)1、NG5充电器损坏原因 (13)2、整改意见 (15)五、结束语 (19)参考文献： (20)摘要本文通过对变桨系统的重要元器件的原理和变桨控制原理进行了简单的介绍，总结了充电器NG5和逆变器AC2发生故障的原因和解决方法，并且提出本人在现场进行维护工作时发现的一些缺陷和整改意见。
关键词：变桨系统逆变器AC2 充电器NG5 浪涌保护一、变桨系统的作用（一）功率调节变桨距控制是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法，变桨目的是通过控制桨距角，调节叶轮吸收风能的功率。
在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能的捕捉较多的风能，桨距角设定值设定在能够吸收最大功率的最优值，所以这时机组运行没有必要改变将距角，一般桨距角设定为零度附近，以便让叶轮尽可能多的吸收风能，此时空气动力载荷通常比在额定风速之上时小。
额定风速以上阶段变速控制器和变桨控制器共同作用，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；通过变桨调节发电机转速，使其始终跟踪发电机转速的设定值。
（二）气动刹车金风1500kW风力发电机组变桨系统是目前该系统唯一的停车机制，通过将桨叶迅速顺至停机位置来完成气动刹车。
主控的所有停机指令，包括普通停机，快速停机和紧急停机，最后都是通过总线发给变桨系统来执行。
金风1.5机组变桨系统分析
变桨系统主要元件故障原因及分析——AC2和NG5故障原因及分析******专业：电力系统自动化入职时间：2010-7-1部门：技术服务中心目录目录 (1)摘要 (2)一、变桨系统的作用 (2)（一）功率调节 (2)（二）气动刹车 (2)二、主要元器件的介绍 (3)（一）变桨逆变器AC2 (3)（二）充电器NG5 (3)（三）其他元器件 (5)三、控制原理 (6)（一）变桨原理框图 (6)（二）变桨原理介绍 (6)四、典型故障分析 (7)（一）变桨逆变器OK信号丢失故障分析 (7)1、变桨逆变器OK信号形成及检测过程 (7)2、变桨逆变器OK信号丢失原因 (8)（二）充电器NG5损坏原因分析及整改建议 (9)1、NG5充电器损坏原因 (10)2、整改意见 (11)五、结束语 (15)参考文献： (16)摘要本文通过对变桨系统的重要元器件的原理和变桨控制原理进行了简单的介绍，总结了充电器NG5和逆变器AC2发生故障的原因和解决方法，并且提出本人在现场进行维护工作时发现的一些缺陷和整改意见。
关键词：变桨系统逆变器AC2 充电器NG5 浪涌保护一、变桨系统的作用（一）功率调节变桨距控制是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法，变桨目的是通过控制桨距角，调节叶轮吸收风能的功率。
在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能的捕捉较多的风能，桨距角设定值设定在能够吸收最大功率的最优值，所以这时机组运行没有必要改变将距角，一般桨距角设定为零度附近，以便让叶轮尽可能多的吸收风能，此时空气动力载荷通常比在额定风速之上时小。
额定风速以上阶段变速控制器和变桨控制器共同作用，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；通过变桨调节发电机转速，使其始终跟踪发电机转速的设定值。
（二）气动刹车金风1500kW风力发电机组变桨系统是目前该系统唯一的停车机制，通过将桨叶迅速顺至停机位置来完成气动刹车。
主控的所有停机指令，包括普通停机，快速停机和紧急停机，最后都是通过总线发给变桨系统来执行。
金风1.5MW Vensys变桨系统
金风 1.5MW Vensys变桨系统摘要：本文通过对变桨系统作用，组成及驱动原理进行了简单的介绍，分析了一些主要元器件充电器NG5、逆变器AC2和超级电容常见故障的原因及处理方法，最后对一个综合例子进行分析。
关键词：金风1.5MW 变桨 NG5 AC2 超级电容1.引言变桨系统作为风力发电机组核心系统，也是机组故障率最高的系统，它很大程度上决定了机组是否能够平稳运行，维护好变桨系统是我们工作的重中之重。
根据这段时间对机组维护所得的一点知识，总结出上述机组变桨系统的一点经验，希望能对现场消缺提供一些经验和帮助。
2.变桨系统作用2.1功率控制金风1500kW风力发电机组功率控制线方式为变速变桨策略的控制方式。
风速低于额定时，机组采用变速控制策略，通过控制发电机的电磁扭矩来控制叶轮转速，维持最佳叶尖速比运行，使机组始终跟随最佳功率曲线，从而捕获最大风能。
当风速大于额定时，机组采用变速变桨控制策略，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。
通过变桨调节发电机转速，使其始终跟踪发电机转速的设置点，使机组维持稳定的功率输出。
2.2气动刹车金风1500kW风力发电机组变桨系统是目前系统唯一的停车机制，通过将桨叶迅速顺至停机位置来完成气动刹车。
主控的所有停机指令，包括正常停机，快速停机和紧急停机，最后都是通过总线发给变桨系统来执行。
机组的安全链的最后输出也是给变桨，任意一个安全链节点断开后，安全链系统送给变桨系统的高电平都会丢失，变桨系统会根据内部程序立即执行紧急停机。
3. 变桨系统主要元器件介绍3.1 直流充电电源NG5NG5充电器将三相交流400V经过NG5充电电源整流输出60V，80A，给超级电容和变桨逆变器AC2提供电源。
现场NG5主要有两种，一种意大利生产的，型号为Zivan Battery Charger NG5，其工作的投入与切出完全取决于超级电容的电压，控制器检测到超级电容电压低于58V时开始充电，电容电压达到60V停止充电。
金风1.5MW风机switch变流器系统讲解
图1 变流柜控制面板
Reset:故障复位 Select:选择键 Enter:数值确认；故障历史纪录 Start:启动按钮 Stop:停止按钮
：上翻；数值的增加 ：下翻；数值的减少 ：菜单返回；数值位向左选择；退出编辑模式 • ：菜单进入；数值位向右选择；进入编辑模式
电机侧防雷保护2F11 水冷散热管路
二、预充电及主空开、发电机侧空开闭合测试
•
强制预充电及发电机侧空开、主空开闭合测试条件 机组没有故障、水冷系统正常运行、发电机侧动力电缆无短路现象。
•
注意：在做电强制预充电及主空开、发电机侧空开闭合测试时必须紧闭变流柜门。不 得与柜门有身体接触。
2.1 变流器强制预充电测试步骤
课 程 大 纲
• 一、Switch变流器的介绍
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1.1 1.2 1.3 1.4
4U1外观结构及内部元器件介绍（1#柜） 1U1外观结构及内部元器件介绍（2#柜） 3#柜外观结构及内部元器件介绍 2U1和3U1外观结构及内部元器件介绍（4#和5#柜）
二、强制预充电及主空开、发电机侧空开闭合测试
• • • • 2.1 2.2 2.3 2.4 变流器强制预充电测试步骤 变流器强制预充电测试 变流器主空开闭合测试 变流器发电机侧空开闭合测试步骤
•
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• 2.5 变流器风扇强制动作测试步骤 三、网侧控制原理 四、电机侧控制原理
通过本课程，您将有以下收获
• • •
了解Switch变流器的工作原理 了解变流器的结构及内部元器件 掌握使用变流器进行预充电及空开闭合的测试
2.2
变流器强制预充电测试
00风电 Vensys变桨控制系统
DC 0V
电机 刹车
变桨逆变器AC2
UVW 变桨电机
叶 片 桨 距 角
旋转编码器
91
87
度 5度 度
限 接接
位 近近
开 开开
关 关关
四、Vensys 变桨控制系统的主要元件及工作原理
Vensys变桨控制系统主要元件
Vensys控制柜内部电源及控制检测部分:
1、变桨充电电源NG5 2、变桨变频器AC--2 3、超级电容 4、电容电压转换模块A10 5、温度传感器Pt100 6、倍福BC3150及其他模块
2.3 Vensys变桨控制系统的特点
（1）电气结构简单﹑维修工作量小; （2）采用异步电机调速，相比采用直流电机调速，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问题; （3）超级电容为后备电源（UPS）。当机组遇到电网突然断电或其它紧急情况停机时，变桨 伺服系统可以通过自备的超级电容（UPS） 短暂供电，使变桨系统完成顺桨及其它安全保护措 施，提高了变桨系统的可靠性； （4）PLC 组成变桨的控制系统，没有使用专用的控制器进行系统控制，提高了系统控制部件 的通用性，降低了变桨控制系统的维护难度和部件的采购难度。
Profibus DP
自动/手动切换
状态
Beckhoff I/O system
向0度变桨
向90度变桨 手动控制 状态
电压信 号
控制 A10电压/电
DC 24V DC/DC 变换
DC 24V
DC/DC 变换
温
状
控变
电
度
态
制桨
机
信
信
命速
温
号
号
令度
度
信息
1.5WM机组主控系统介绍
数字量输出模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机启动器等负载。数 字量输出模块将CPU内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平，同时有隔离和功率放 大的作用。输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交 流负载的双向晶闸管或固态继电器。（如图所示）
模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成是A/D 转换器。（如图所示）
模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换成为比例的电流信号或电压信号，对执 行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器。（如图所示）
3.4、倍福PLC模块
KL9010是K_BUS终端端子(模块)
KL9010总线末端端子可用于总线 耦合器和总线端子之间的数据交换。 每一个站都可在右侧使用KL9010 作为总线末端端子。总线末端端子 不具有任何其它功能或连接能力。
PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上 提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
3.3、PLC输入和输出模块的基本原理
数字输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开 关等。数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。输入电 路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点的抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输 入电流一般为数毫安。（如图所示）
பைடு நூலகம்
维护模式激活 No
OR
Yes No
停机正常
Yes
维护
OR
Yes 维护模式激活 No
维护模式下电 No
机转速故障
Yes
OR
5.2 启动和并网控制
风力发电机的起动和并网过程如下：由风向传感器测出风向主控制 器使偏航驱动机构动作，从而使风力发电机组对准风向。同时检测风速 （只要有风发电机转子就有转动，随着风速的增加发电机的感应电压也 逐步增加，即电机端电压逐步升高），当风速超过切入风速时，机组开 始启动，当机组达到一定条件时，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）。
金风变桨系统1
四、主要元件的功能原理
变桨超级电容
• 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
Harting连接端子
• 上面的插头：5+屏蔽，24VDC，机 舱到变桨的安全链；
x9 x8 x6 x7
3×400V AC 供电
4×2.5mm2
DP总线 （3）
x5b x5a x5c Pitchbox3
x9 x8 x6 x7
3×35mm2 Motor 10×1mm2
2×1mm2
限位开关
8×1mm2
3×35mm2 Motor 10×1mm2
2×1mm2
限位开关
8×1mm2
3×35mm2 Motor 10×1mm2
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。
90 0 度度 限接 位近 开开 关关
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。
【金风风机】4.Vensys变桨系统
DP总线 (3)
3×400V AC供 电
4×2.5mm2
x5b x5a x10ax10b x5c Pitchbox1 x10c
x9 x8 x6 x7
3×400V AC供 电
4×2.5mm2
安
DP总线
全
(3)
链
DP总线 (3)
x5b x5a x10a x10b x5c Pitchbox2 x10c
x9 x8 x6 x7
压信号。 • 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。
5.1、倍福BC3150模块
总线控制器BC3150，通过K-BUS总线扩展技术， 可连接多达255 个总线端子。
2、变桨变频器AC2
• 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
相比密封铅酸蓄电池作备用电源的变桨系统，超级电容的变桨控制系统具有下列优点： a、充电时间短；
bc、、交超流 级变 电直 容流 随的 使整 用流 年模 限块 的同 增时加作，为容充量电减器小，的无非须常再小单；独配置充放电管理电3路、；超级电容
Profibus DP
自动/手动切换
状态
Beckhoff I/O system
向0度变桨
向90度变桨 手动控制 状态
电压信 号
控制 A10电压/电
DC 24V DC/DC 变换
DC 24V
DC/DC 变换
温
金风1.5MW 风力发电机组简介就地监控
变流器/冷却系 统页面
此页面包括：变 流器数据、冷却 系统数据、变流 器运行状况鸡冷 却系统信号。 这些数据中包括 变流器各个部分 的温度，水冷系 统的温度、压力 和流量，水冷系 统各元器件的运 行状态，变流系 统的运行状态。
偏航/液压系统页 面
此页面包括：偏航系 统信息、液压偏航状 态信号、动作等级。 这些数据中包括偏航 位置、偏航速度、解 缆日期、加脂日期， 偏航电机和液压泵的 工作时间，偏航和液 压系统工作的数字量 等。
金风1.5MW风力发电机组简介
吕进岗
1 2 3 4
人机交换界面简介及简单操作 1.5MW风力发电机组电气控制系统简介
一、人机交换界面简介及简单操作
通过此软件我们 可以登录到通讯 局域网中任何一 台就地的面板机 中（处联网状态 并装有VNC软件） 进行任意的操作。 运行run vnc viewer跳出对话框， 输入要登录电脑 的IP地址如： 192.168.150.**， 点击OK，跳出第 二个对话框输入 密码：2010，点 击OK进入到相应 的电脑中。
f文件b文件数据时序图100102030405060708090100114428743057371685910021145128814311574171718602003214622892432257527182861300431473290343335763719386240054148429144344577472048635006514952925435557857215864pitchpositionblade1pitchpositionblade1二15mw风力发电机组电气控制系统的组成及简介变桨系统变流系统主控系统整流单元逆变单元控制单元传感器单元执行单元变桨传感器变桨执行器件变桨控制单元变桨备电控制单元滤波单元监控系统工业以太网监控软件总线系统直驱15mw电控系统组成保护单元人机交互风机控制参数设置查阅信息网络远程监控统计报表风机控制参数设置查阅信息主控制器风机系统逻辑控制风机正常工作逻辑控制故障诊断及保护数据采集统计变浆系统桨距调节桨距角采集异常保护变流系统电力变换功率控制转矩控制功率因数调节传感器数字量采集模拟量采集15mw风力发电机组电气控制系统的拓扑结构1主控系统金风15mw风力发电机组的主控系统以德国beckhoff公司生产的嵌入式plc控制器为核心
1.5MW直流变桨系统介绍
1.5MW直流变桨系统介绍摘要：1.5MW直流变桨系统介绍关键词：直流;变桨控制；构成；原理。
一、简介整个风机控制系统可以分为三大系统分别为：机舱控制系统、变桨控制系统及变频控制系统。
其中整个风机系统的主控器安装风机控制系统中，因此机舱控制系统就好比风机系统的大脑，变桨控制系统与变频控制系统都是风机系统的执行机构。
变桨控制系统作为整个风机系统的重要执行机构之一，在风机系统运行与安全保护起到的十分重要的作用。
二、变桨控制系统的作用变桨控制系统是整个风机系统实现转速控制，获得最大风能利用率的重要保证之一。
变桨控制器通过接收风机主控器的控制指令，使风机系统可以稳定的吸收对应风况下的最大风能，这样风机系统就可以将最大的风能转换为动能并最终转换为电能。
另一方面变桨系统也是风机系统安全运行的重要保障之一，在超过风机系统正常运行范围的大风况下，变桨系统控制器可以接收风机主控器指令进行收桨，这样可以有效的保证风机的安全性。
三、变桨控制系统介绍（一）、系统的特点：1、系统为直流变桨系统。
2、整个变桨控制系统采用不锈钢全封闭结构及重载接插件连接结构，使得该变桨控制系统具有很高的防护等级，能适用于风机应用的各种恶劣场所。
3、系统采用三支叶片独立驱动结构，使每个叶片具有独立的变桨功能。
因此在任意一支叶片由于故障不能正常变桨的情况下，其它两支叶片也能按系统控制要求进行变桨，具有冗余保护的效果。
4、变桨控制系统具有冗余电源保护功能，机组在正常运行条件下采用风机系统提供的外部交流电源进行供电控制。
当电网故障或系统电源断电时，系统将自动切换到后备蓄电池供电模式，直接由蓄电池提供动力和控制电流，保证风机能及时安全回桨。
（二）、系统的构成：整个变桨系统的包括：7个柜体（1个中控柜、3个轴控柜、3个电池柜）、3台直流变桨电机及其它相关的附件。
1、中控柜(BVL)变桨控制系统的指挥机构,放置变桨控制器。
外部电源进入后通过一系列开关和变压器分配给轴控柜和电池柜。
金风1.5MW风机Switch变流系统
一、Switch变流系统主拓扑结构该变流器采用可控整流的方式把发电机发出的交流电整流为直流电，通过网侧逆变单元把直流电逆变为工频交流电馈入电网。
其控制方式为分布式控制，即每个功率单元都能够独立的执行控制、保护、监测等功能，功率单元之间则通过现场总线连接。
这种方式和它的主电路拓扑结构相对应。
Switch变流器系统原理图：如图所示：1U1为网侧逆变功率模块，2U1和3U1为发电机侧整流功率模块，4U1为制动功率模块，3H1为预充电模块。
网侧逆变功率模块1U1的作用是将直流母线上的电能转换成为电网能够接受的形式并传送到电网上。
而发电机侧整流功率模块2U1和3U1则是将发电机发出的电能转换成为直流电能传送到直流母线上。
制动功率模块4U1则是在某种原因使得直流母线上的电能无法正常向电网传递或直流母线电压过高时，将多余的电能在电阻4R1和5R1上通过发热消耗掉，以避免直流母线电压过高造成器件的损坏。
3H1模块的作用是在变流器工作之前，给直流母排进行预充电，因为直流母排上带有容量很大的电容器，若不预充电，则在闭合主断路器时会对系统造成很大的电流冲击。
二、Switch变流系统控制框图变流控制柜机柜：1U12U13U14U12U13U14U11U11#变流控制柜机柜：网侧断路器1Q1机械锁定钥匙的钥匙把的位置处于水平方向时断路器处于机械锁定状态，在需要进行机械锁定时最好将钥匙拨到水平位置后将钥匙拔离以确保安全。
钥匙位于与2#变流控制柜机柜：3#变流控制柜：接线端子排控制用中间继电器网侧变流器1U1功率单元水冷管路预充电变压器3T1预充电整流模块3H1直流24V 电源2G1温度调节器3S1直流母排网侧滤波电抗器1L1网侧功率单元1U1控制器1F10湿度调节器3S2和温度调节器3S2,在此设置温度和湿度值变流器主水冷管路变流器维护开关变流器维护插座断路器1F11---1F17断路器2F1---2F3变流控制柜机柜4、5：电机侧功率单元2U1控制器电机侧变流器2U1的控制盒电机侧功率单元2U1电机侧功率单元2U1功率单元2U1接线铜排电机侧直流母线排电机侧防雷保护2F11水冷管路变流控制盒：变流柜中采用的功率模块都是V ACON公司生产的通用变频器。
Vensys变桨系统简介
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度/s的速率， 从0度顺桨到90度位置。当来自滑环的电源掉电时，备用电源直接为变桨系统供电 ，仍可保证整套边疆电控系统正常工作。当超级电容电压低于软件设定值，主控 制器会控制机组停机。
a. 直流开关电源NG5
进口NG5参数 • 型号：Zivan Battery Charger NG5 • 输入电压：400VAC(+/-15%) • 输出电压：60VDC • 输出电流：80ADC • 充电方式：间歇性充电，当电压低于55V时
开始充电，超级电容电压达到60V时停止充 电。
国产NG5参数： 型号：JF-CHARGER-60V-80A-K, JF-CHARGE-60V-80A-J 输入电压：400VAC（+/-15%） 输出电压：60VDC 输出电流：80ADC 充电方式：持续工作，电压维持 60V。
四、主要元件实物认知及功能原理
4.1 变桨柜在轮毂中的安装
4.2 变桨柜内部布局
4.3 变桨柜主要元器件 控制柜内部电源及控制检测部分: a. 开关电源(NG5) b. 变桨变频器(AC2) c. 超级电容 d. A10自制模块 e. BC3150及beckoff模块 f. 温度检测（PT100） 控制柜外部驱动及检测部分: a. g. 变桨电机 b. h. 旋转编码器 c. i. 温度检测（PT100） d. j. 0°和87 °接近开关及90°限位开关 e. k. 滑环
金风1.5WM风力发电机组冲限位分析
金风 1.5WM风力发电机组冲限位分析摘要：经过了一段时间的现场的实习，我对MW机组有了一定的了解，对于一些故障，有了一些自己的看法，下面结合在北票现场处理故障的一点收获，对经常发生的冲限位问题进行一定的分析。
关键字：冲限位，旋转编码器，接近开关，齿形带一、变桨系统的基本组成（一）、变桨系统目的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。
（二）、它可以分为以下几个阶段：1、启动阶段：叶片从顺桨位置开始，直到叶轮转速增加到9RPM或10RPM，风机开始发电。
这个过程为变速、变桨过程；风机开始发电时叶片角度大小由风的状况决定，目前主控软件规定，在切入风速下，开始发电时叶片角度在1.5°.2、变速阶段：这个阶段在额定风速以下，叶轮瞬间转速低于变桨转速设定值，风机输出功率瞬时值也低于风机额定输出功率；要实现的主要目标就是让叶轮尽可能多的吸收风能。
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。
3、恒速阶段：该阶段同样不会变桨。
虽然叶轮瞬间转速达到变桨转速设定值，但由于风机输出功率瞬时值低于风机额定输出功率，所以由GH控制策略计算出的变桨速率依然为负值。
而此时叶片当前角度同样是风机运行过程中，主控软件所规定的最小值，因此无法再继续减小叶片桨距角。
4、恒功率阶段：该阶段在额定风速以上，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。
二、影响冲限位的元件金风1.5MW机组变桨系统主要由：超级电容，A10模块，AC2变频器，NG5开关电源，变桨电机，接近开关，限位开关，旋转编码器，T1，变桨子站等组成元件。
下面对主要易造成冲限位的几个元件进行说明：（一）、接近开关工作原理：接近开关可以无损不接触地检测金属物体。
变桨系统
变桨开关电源NG5
• 型号：Zivan Battery Charger NG5 • 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。
• • • • •
电 机 温 度
DC 60V 开关电源 U 电源开关 DC 0V
变桨逆变器 叶 片 桨 距 角
V
W
电 机 刹 车
电机 转速 反馈
变桨电机
旋转编码器 90 度 限 位 开 关 0 度 接 近 开 关
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。
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 -10 V 和 +10 V 或 0 V 和 10 V 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。
金风1.5MW风力发电机组Vensys变桨系统介绍
名称
开关电源
型号
ZIVAN
功能及端口定义
功能：将50HZ线电压400V(三相)交流电输入转换为60V直流电输出。 AUX1 C\AUX1 NO=开关电源正常输出信号
额定60V/80A
ON/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：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
A10自制模块
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；
功能：将60VDC转换成三相频率可变的29VAC BATT/-BATT为直流输入,U V W为交流电输出；
额定48V/450A
F3/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；
0° 接近开关
电机控制 及信号线
电机控制 及信号线
电机控制 及信号线
3.1 变桨系统驱动原理
Profibus DP 状态 自动/手动切换 Beckhoff I/O system 向0度变桨 向90度变桨 手动 控制 状 态 信 息 控 制 命 令 A10电压/ 电流转换 电压 电流 信号 DC 24V DC/DC 变换 风扇 温 度 信 号 Pt100 状 态 信 号 控 制 命 令 变 桨 速 度
20
发电机转速 （Ω—rpm）
风力发电机组变桨系统分析
目录摘要： (1)一、变桨系统论述 (1)（一）变桨距机构 (1)（二）电动变桨距系统 (2)1. 机械部分 (3)2. 气动制动 (4)二、变桨系统 (4)（一）变桨系统的作用 (4)1. 功率调节作用 (4)2. 气动刹车作用 (4)（二）变桨系统在轮毂内的拓扑结构与接线图 (6)三、变桨传感部分 (8)（一）旋转编码器 (8)（二）接近开关 (9)四、变桨距角的调节 (10)（一）变桨距部分 (10)（二）伺服驱动部分 (11)总结 (13)参考文献： (13)致谢 (14)风力发电机组変桨系统分析摘要：风能是一种清洁而安全的能源,在自然界中可以不断生成并有规律得到补充,所以风能资源的特点十分明显,其开发利用的潜力巨大。
本文对大型的兆瓦级风力发电机变桨系统做简单的介绍。
变速恒频技术于20世纪90年代开始兴起，其中较为成功的有丹麦VESTAS的V39/V42-600KW机组和美国的Zand的Z-40-600KW机组。
变速恒频风力发电机组风轮转速随着风速的变化而变化，可以更有效地利用风能，并且通过变速恒频技术可得到恒定频率的电能。
变速恒频机组的显著优点已得到风力机生产厂和研究机构的普遍承认，将成为未来的主流机型。
但变速恒频风力机组仅通过电机自身调节要达到减小风速波动冲击的目的是很困难的，因为自然界中风速瞬息万变，特别是在额定风速以上工况，风力机有可能受到很大的静态或动态冲击。
但是变桨风机不会产生此类情况，变桨距是指大型风力发电机安装在轮毂上的叶片借助控制技术和动力系统改变桨距角的大小从而改变叶片气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善。
近年来，电动变桨距系统越来越多的应用到风力发电机组当中，直驱型风力发电机组为变桨距调节型风机，叶片在运行期间，它会在风速变化的时候绕其径向轴转动。
因此，在整个风速范围内可能具有几乎最佳的桨距角和较低的切入风速，在高风速下，改变桨距角以减少功角，从而减小了在叶片上的气动力。
金风兆瓦风力发电机组国产Vensys变桨控制系统
图2
一、风力发电机组叶片变桨控制原理
不同叶片角度及不同风速下叶片攻角的变化示意图
图3图4图1图2一、风力发电机组叶片变桨控制原理
+90° -2°
一、风力发电机组叶片变桨控制原理
1.3 变桨距控制的优缺点
优点： 1）启动性好，机组并入电网发电时对电网及机组本身冲击小； 2）刹车机构简单，叶片顺桨的同时叶轮转速可以逐渐下降，机组的切除对电网没有冲击； 3）额定点以前的功率输出追求最大化，时风时 间间 ：能： 叶利电 轮流 转用变 速率化 变化高； 4）8额00 定点以后通过桨距调节输出功率，功率波动小，曲线平滑； 5）1叶8 轮叶根承受的静、动载荷小，提高机组的运行寿命。
国产Vensys变桨控制系统柜
控制及配电 柜
变桨驱动器外部 散热器及风扇
充电电源及 电容柜
三、国产Vensys变桨控制系统控制柜内硬件分布
国产Vensys变桨控制系统柜内分布
控制柜
电容柜
配电柜
三、国产Vensys变桨控制系统控制柜内硬件分布
控制柜内元器件分布
加热器
防雷
控制PLC
模块
三、国产Vensys变桨控制系统控制柜内硬件分布
2255000000
3300000000
图2 3355000000
4400000000
二、金风1.5MW机组叶片变桨的机械结构及电气分布
变桨系统的机械结构（第一代变桨结构）
变桨驱动装置由变桨电机和变桨减器两部分组成。变桨电机是含有位置反馈和绕组温度检测 传感器的伺服电动机。
二、金风1.5MW机组叶片变桨的机械结构及电气分布
三、国产Vensys变桨控制系统控制柜内硬件分布
国产Vensys变桨控制柜主电路采用交流--直流--交流回路，由逆变器（AC-2）为变桨电机供电。 变桨电机采用交流异步电机。 PLC 组成变桨的控制系统，它通过现场总线(profibus-DP总线)和 主控制系统交互通信，接受主控制系统的指令(主要是桨叶转动的速度指令)，并控制交流调速 装置驱动交流电动机，带动桨叶朝要求的方向和角度转动，同时监测变桨系统的内部信号，把 它直接传递给主控制系统。
Vensys变桨系统简介复习过程
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； 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。
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。
Vensys变桨控制系统
金风科技培训中心 编订
12年2月 姬晓峰
Vensys变桨控制系统
主要内容：
一、变桨系统的机械结构 二、变桨系统的功能 三、变桨系统的电气结构及控制原理 四、主要元件实物认知及功能原理 五、 变桨系统故障判断 六、变桨回路讲解
通过本章你将了解到以下内容：
1、了解系统的机械结构,及变桨系统的机械驱动方式 2、了解变桨系统的功能，变桨系统的控制策略 3、了解变桨系统的电气结构，及各元件之间的连接与配合。 4、对主要元器件的实物认知，了解元件的原理及在变桨系统中的作用 5、对变桨系统故障进行判断，并对常见故障进行分析
a. 直流开关电源NG5
进口NG5参数 • 型号：Zivan Battery Charger NG5 • 输入电压：400VAC(+/-15%) • 输出电压：60VDC • 输出电流：80ADC • 充电方式：间歇性充电，当电压低于55V时
开始充电，超级电容电压达到60V时停止充 电。
国产NG5参数： 型号：JF-CHARGER-60V-80A-K, JF-CHARGE-60V-80A-J 输入电压：400VAC（+/-15%） 输出电压：60VDC 输出电流：80ADC 充电方式：持续工作，电压维持 60V。
1.0--金风1.5兆瓦风力发电机组整机介绍
冷却风道
定子
转子
四、永磁发电机部分及其轴承
发电机各项参数
额定功率: 1580 kW 定子电压: 690 V 额定转速: 17.3 rpm; 极对数: p=44 冷却方式: 被动风冷 防护等级: IP 23 绝缘等级: F级按B级温升考核 预弯、绝缘浸漆绕组
-30 ℃ 至40 ℃ -40 ℃ 至50℃ 20年
GW77/1500kW
1500kW 690 V/620V
GW82/1500kW
1500kW 690V/620V
LM37.3或类似叶片 Sinoma40.25或 类似叶片
76.84m 4637.3m2
82.34m 5324.9m2
65m
70m
17.3rpm 11.5 m/s
主要机型： • GW66/1500kW、GW70/1500kW、GW77/1500kW、GW82/1500kW、GW87/1500kW、 GW93/1500kW
适用范围： • GW66/1500kW机组适用于GLIA • GW70/1500kW机组适用于GLIA及GLⅡA • GW77/1500kW机组适用于GLⅡA及GLⅢA • GW82/1500kW机组适用于GLⅢA及GLⅣA • GW87/1500kW机组适用于GLⅢB及GLⅣA • GW93/1500kW机组适用于GLⅣA及GLⅣB
五、机舱底座偏航及其维护常识
偏航制动器在使用后，需定期检查偏航制动器的摩擦片厚度，当摩擦片厚度为2mm 左右 时，需要更换新的摩擦片。
底座
五、机舱底座及偏航系统
偏航系统的自动润滑部分 自动加脂器Leabharlann 齿面润滑器递进式分配器
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下图为不同最小桨矩角对应的Cp及λ曲线图
扭矩Nm （Torque）
120,0000 110,0000 100,0000 90,0000 80,0000 70,0000 60,0000 50,0000 发电机最小转速点 （w_min=10rpm) 40,0000 （扭矩=148862Nm） （功率=156KW） 30,0000 设定扭矩 （Set_torque)
2
3× 35mm2
2× 1mm2 Motor 10× 1mm2
限位开关
2× 1mm2 Motor 10× 1mm2
限位开关
Motor
限位开关
10× 1mm
2
8× 1mm2
8× 1mm2
8× 1mm2
Encoder旋编 3× 1mm2
0° 接近开关
Encoder旋编 3× 1mm2
0° 接近开关
Encoder旋编 3× 1mm2
四、主要元件的功能原理
变桨超级电容
• • • • • • • 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
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：Profibus DP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 • Profibus DP数据传输速率：3Mbit/s
90度限位开关 0度接近开关 变桨电机3 旋转编码器 电磁刹车 动力电源线 变桨柜1
线路连接
滑环
3× 2.5mm2
DP总线 (3)
安 全 链
DP总线 (3)
DP总线 (3)
安 全 链
DP总线 (3)
DP总线 （3）
3× 400V AC 供电 4× 2.5mm
2
x5b x5a x5c
x10a x10b Pitchbox1 x10c x9 x8 x6 x7
3× 400V AC 供电 4× 2.5mm2
x5b x5a x5c
x10a x10b Pitchbox2 x10c x8 x6 x7
3× 400V AC 供电 4× 2.5mm2
x5b x5a x5c Pitchbox3 x9 3× 35mm2 x8 x6 x7
x9 3× 35mm2 2× 1mm
DC/DC变换部分
控制部分的电源
反馈回路
AC-2——异步电机用高频MOSFET逆变器
• IMS功率模块，Flash内存，微处理 器控制，Can Bus • • • • • 型号：Zapi AC-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：450A
变桨开关电源NG5
• 型号：Zivan Battery Charger NG5 • 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。
基本原理图
400VAC 5A 100/min 106 -30~+80oC C UL，CSA 0.16kg
BC3150及beckoff模块
B C 3 1 5 0
KL 1 1 0 4
KL 1 1 0 4
KL 1 1 0 4
KL 2 4 0 8
KL 3 4 0 4
KL 5 0 0 1
KL 3 2 0 4
KL 4 0 0 1
max_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）
20,0000 10,0000 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5
发电机中间转速点 （w=13.65rpm;功率 =396KW；扭矩 =277364Nm)
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 -10 V 和 +10 V 或 0 V 和 10 V 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。
KL 9 0 1 0
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。
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。
名称ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
开关电源
型号
ZIVAN
功能及端口定义
功能：将50HZ线电压400V(三相)交流电输入转换为60V直流电输出。 AUX1 C\AUX1 NO=开关电源正常输出信号
额定60V/80A
ON/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
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；
限位开关
最大电压 持续电流 最大开关频率 机械寿命-开关动作次数 工作温度 标准执行机构形态 认证 重量
电 机 温 度
DC 60V 开关电源 U 电源开关 DC 0V
变桨逆变器 叶 片 桨 距 角
V
W
电 机 刹 车
电机 转速 反馈
变桨电机
旋转编码器 90 度 限 位 开 关 0 度 接 近 开 关
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。
Harting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
20
发电机转速 （Ω—rpm）
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
90度限位开关 0度接近开关 变桨电机1 旋转编码器 电磁刹车 动力电源线 连接器 变桨柜1 滑环
90度限位开关 0度接近开关 变桨电机2 旋转编码器 电磁刹车 动力电源线 变桨柜1
基本原理图
A10自制模块
基本原理图
绝对式旋转编码器GM 400
• 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；
旋转编码器
内部基本结构图
光电转换电路
轴承
安装法兰
光栅码盘
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。
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