风力发电机变桨系统DOC

风力发电机变桨系统

1、综述

变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。

变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。

风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。

风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。

变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。

由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。

每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。

风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。

2、变浆系统的作用

根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。

SSB变桨系统为寒冷环境设计。环境温度定义如下

工作温度为 -30 ～ +40 ℃

静态温度为 -40 ～ +50 ℃

在主电源失电后，单独的加热系统会开始工作来保持柜体温度，只有必要的设备被通电。在每个柜体的温度到达 5 ℃一段时间后，系统被启动，这个默认的时间是60分钟。

在这段可调整的时间过后，这个系统被释放和通电。

3、主要部件

4、变桨系统各部件连接框图

图1 变桨系统各部件连接框图

变桨中央控制柜执行轮毂内的轴控柜和位于机舱内的机舱控制柜之间的连接工作。

变桨中央控制柜与机舱控制柜的连接通过滑环实现。通过滑环机舱控制柜向变桨中央控制柜提供电能和控制信号。另外风机控制系统和变桨控制器之间用于数据交换的

Profibus-DP 的连接也通过这个滑环实现。

变桨控制器位于变桨中央控制柜内，用于控制叶片的位置。另外，三个电池柜内的电池组的充电过程由安装在变桨中央控制柜内的中央充电单元控制。

图2 主控柜

主控制柜是轴柜和塔顶控制器之间的结合界面。

主控制柜和塔顶控制器之间的连接是通过滑环构成的。通过滑环，变桨系统的主柜得到电源供应和控制信号。此外，一个串行的RS485连接的数据线连接了变桨系统的控制器和风轮机的CPU。定位控制器被安装在主控制柜内，并起到控制叶片位置的作用。另外主控制柜内的中央充电控制单元控制着给三个后备电池柜充电。

图3 轴控柜

变桨系统有三个轴柜。每个叶片一个。变流器以四象限方式运行来控制变桨电机的速度。

图4 轴柜主控板

轴柜主控板上有6个LED 灯（D18 ～ D23）来指示当前运行状态

D19：相位在L1，L2，L3相序错误或者有缺相的情况下灯亮。需要检查相序，外部主线路的熔断体和内部主板上的主电路熔断体S1，S2，S3。

D21：当相序、缺相、测速发电机故障，励磁电流和+/-15V电压检测未触发看门狗的情况下，灯亮。

D20：当控制器没有进行外部使能的时候灯亮，或者是控制器由于看门狗触发而禁止运行的时候灯亮（此时D21不亮）。

D18：最大电流当电流到达最大限制时灯亮，此时电枢电路打开或者当” pilot ”触发控制没有被正确调整。

D22，D23：当变流器输出电流为正向或反向时，对应的灯亮。

图5 电池柜

和轴控柜一样，每个叶片分配一个电池柜。在供电故障或 EFC 信号（紧急顺桨控制信号）复位的情况下，电池供电控制每个叶片转动到顺桨位置。

图6 变桨电机

变桨电机是直流电机，正常情况下电机受轴控柜变流器控制转动，紧急顺桨时电池供电电机动作。

图7 冗余编码器

图8 限位开关

每个叶片对应两个限位开关：91度限位开关和96度限位开关。96度限位开关作为冗余开关使用。

5 变桨系统的保护种类

位置反馈故障保护：为了验证冗余编码器的可利用性及测量精度，将每个叶片配置的两个编码器采集到的桨距角信号进行实时比较，冗余编码器完好的条件是两者之间角度偏差小于2°；所有叶片在91°与95°位置各安装一个限位开关，在0°方向均不安装限位开关，叶片当前桨距角是否小于0°，由两个传感器测量结果经过换算确定。除系统掉电外，当下列任何一种故障情况发生时，所有轴柜的硬件系统应保证三个叶片以10°/s 的速度向90°方向顺桨，与风向平行，风机停止转动：任意轴柜内的从站与PLC主站之间的通讯总线出现故障，由轮毂急停、塔基急停、机舱急停、震动检测、主轴超速、偏航限位开关串联组成的风机安全链以及与安全链串联的两个叶轮锁定信号断开（24V DC信号）；无论任何一个编码器出现故障，还是同一叶片的两个编码器测量结果偏差超过规定的门限值；任何叶片桨距角在变桨过程中两两偏差超过2°；构成安全链、释放回路中的硬件系统出现故障；任意系统急停指令。变桨调节模式时，预防桨距角超过限位开关的措施： 91°限位开关；到达限位开关时，变桨电机刹车抱闸；轴柜逆变器的释放信号及变桨速度命令无效，同样会使变桨电机静止。变桨电机刹车抱闸的条件：轴柜变桨调节方式处于自动模式下，桨距角超过91°限位开关位置；轴柜上控制开关断开；电网掉电且后备电电源输出电压低于其最低允许工作电压；控制电路器件损坏。

图9 变浆机构机械连接