Vensys变桨控制系统

1.5MW风力发电机组Vensys变桨控制系统编写：孙伟讲解：孙伟2011年11月,标题,内容,综述：,变桨距控制实际上是通过控制叶片沿其轴向的转动来改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机输出功率保持稳定的控制方式。变桨距控制系统实际上是一种伺服控制系统。变桨控制系统作为风力发电机组的控制系统的一部分，在风力发电机组的控制中起着十分重要的作用。,课程内容：,一、风力发电机组叶片变桨控制原理；二、金风1.5MW机组叶片变桨的机械结构及电气分布；三、Vensys变桨控制系统控制柜内硬件分布；四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理；五、Vensys变桨控制系统的电气控制原理；六、Vensys变桨控制系统的维护常识及故障简介。,1.1变桨控制的原理,一、风力发电机组叶片变桨控制原理,1.2变桨叶片气流变化和角度变化示意图：,从叶片变桨时气流变化过程、叶片角度变化示意图和阻力、升力曲线示意图可以明显的看出，变桨调节过程中，从090度之间随着叶片气动攻角的增大，叶片上的阻力在不断的增加，而叶片上的升力并没有一直上升，达到一个最大值后，开始出现下降。由上面的图示可以看出，叶片的气动攻角可相对于气流变化而连续的变化，因此，变桨调节可将机组的功率输出控制在希望的范围内。,叶片的升力、阻力曲线图：,一、风力发电机组叶片变桨控制原理,图1,图2,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，风能利用率高；4）额定点以后通过桨距调节输出功率，功率波动小，曲线平滑；5）叶轮叶根承受的静、动载荷小，提高机组的运行寿命。缺点：1）由于有叶片变距机构、轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高；2）功率调节系统复杂，费用高。,1.3变桨距控制的优缺点,一、风力发电机组叶片变桨控制原理,图1,图2,二、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,图1,图2,2.1Vensys变桨控制系统分布,二、金风1.5MW机组叶片变桨的机械结构及电气分布,2.2Vensys变桨控制系统的线路连接,二、金风1.5MW机组叶片变桨的机械结构及电气分布,三、Vensys变桨控制系统控制柜内硬件分布,超级电容,控制PLC,变频器,24V电源1#,24V电源2#,A10,防雷模块,Vensys变桨系统主要由PLC充电电源、交流变频调速装置交流电机绝对式旋转（位置）编码器等组成，并由超级电容作为后备电源。,三、Vensys变桨控制系统控制柜内硬件分布,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。每个叶片的变桨控制柜，都配备一套超级电容组，作为的备用的UPS电源。超级电容储备的电能，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足够使叶片以7/s的速率，从0顺桨到90。特殊情况下，当来自滑环的电网电压掉电时，超级电容直接给变桨控制系统供电，可保证整套变桨控制系统的正常工作，使叶片顺桨安全停机。相比使用密封铅酸蓄电池作为备用电源的变桨系统，Vensys变桨控制系统这样使用超级电容作为备用电源具有以下优点：a、充电时间短；b、超级电容随使用年限的增加，容量减小的非常小；c、寿命长；d、无须维护；e、体积小，重量轻；f、充电时产生的热量少；g、从使用方式上看，电容直接并联在交流变直流的整流电源的输出母线上，省去了专用的电源管理设备，降低了控制系统的复杂性，提高了系统的可靠性。,三、Vensys变桨控制系统控制柜内硬件分布,2.3Vensys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。,三、Vensys变桨控制系统控制柜内硬件分布,Vensys控制柜内部电源及控制检测部分:1、变桨充电电源NG52、变桨变频器AC-23、超级电容4、电容电压转换模块A105、温度传感器Pt1006、倍福BC3150及其他模块Vensys控制柜外部驱动及检测部分:7、滑环8、变桨电机9、旋转编码器10、5和87接近开关11、90限位开关,Vensys变桨控制系统主要元件,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,变桨充电电源NG5：输入电压：400VAC(+/-15%)输出电压：60VDC输出电流：80ADC内部电路设计为开关电源。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。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,4.1变桨充电电源NG5,充电电源的基本原理图,控制部分的电源,DC/DC变换部分,反馈回路,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,AC/DC变换部分,详细说明请参看说明书NG5,7,9D01274。,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：450A输出频率：0.656Hz输出电压：3相29伏,AC-2异步电机用高频MOSFET逆变器,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,4.2变桨变频器AC-2,基本原理图,图中的Encoder是增量式旋转编码器，用于逆变器输出频率和三相相序的校验，即通过电机旋转的方向和速度（编码器A、B增量通道脉冲的前后和单位时间的脉冲数量）来确定输出是否正确，它是逆变器的反馈。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,DC/AC频率逆变部分,AC-2内部的控制单元具有自诊断功能,AC-2逆变器内部的控制单元具有自诊断功能，它能自主的检测内部和其外部相关元器件的故障，并自动通过脉冲信号输出故障信息。通过脉冲或信号灯的闪烁频率，对照其说明书，我们可以迅速的锁定系统的故障原因。详细说明请参看AC-2INVERTERUserManual。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,型号:BMOD0500-E016额定电压：60VDC四组串联总容量：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,4.3超级电容,超级电容模块的包装是一个耐损耗的冲压铝外壳。这样一个外壳是永久封装的，不需要维护。超级电容能量存储模块是一个独立的能量存储设备，最多能够存储55kJ(15.3Whr)的能量。超级电容模块由6个独立的超级电容单元、激光焊接的母线连接器和一个被动的、完整的单元平衡电路组成。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,4.4电容电压转换模块A10,将电容电压（高电压60V、低电压30V）转换成倍福模块能够检测的电压。将AC2变频器的OK信号进行转换传送给PLC的相应模块。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,电容电压转换模块A10,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。,温度电阻Pt100的特性：0摄氏度时，温度电阻Pt100的电阻值正好是100欧姆，其阻值随温度的上升而上升，随温度的下降而下降，呈现正温度系数特性。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,4.5温度传感器Pt100,变桨控制柜中都有一个总线控制器BC3150，它是每个Vensys变桨控制柜中PLC的控制核心，其内部载有变桨控制程序。此程序一方面负责变桨控制系统与主控制系统之间的通信，另一方面负责变桨控制系统外围传感器信号的采集处理和对变桨执行部件的控制。紧急状况下（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，使机组安全可靠的停下来。,4.6倍福BC3150及其他模块,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,BC3150总线端子控制器,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,KL1104数字量输入端子,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,KL2408（正极变换）数字量输出模块,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,KL3404模拟量输入端子,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,KL5001SSI接口模块,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,KL3204模拟量输入端子,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,KL4001模拟量输出模块,KL4001模拟量输出端子可输出0V到10V范围的信号。该端子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。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,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。,KL9010总线末端端子,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,4.7滑环,滑环由弹性材料-电刷、滑动触点表面材料-导电环、绝缘材料、粘结材料、组合支架、精密轴承、防尘罩及其他辅助件等组成。滑环是静止不动的，而电刷是旋转的，因此强电流和信号都是通过滑环及刷握进行传输的。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,电刷,金属环,接线柱,目前大部分滑环都采用圆柱式滑环，环道是沿着圆柱的轴心排列的，就象螺栓上的螺纹一样。电刷采用贵金属合金材料，借助电刷的弹性压力与导电环环槽滑动接触来传递信号及电流。至于是电刷作转子还是导电环作转子，取决于滑环安装方式。在金风机组中采用电刷作转子，导电环作定子的装方式。,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/s,Harting连接端子,滑环的连接线,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,图1,图2,类型：IM3001(3相笼型转子异步电机)额定功率：4.5kW；额定转速：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防护等级：IP54；工作制式：S260min,4.8变桨电机,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,图1,图2,25位分辨率，8192脉冲/4096圈；格雷码或二进制码输出；具有自诊断功能；电子清零；可选组件：增量通道A，B；,光栅码盘,4.9旋转编码器,前期，在Vensys变桨控制系统使用的IVOGM400型绝对值旋转编码器是光电式编码器，由于抗干扰性能不佳曾经停止使用。目前，在Vensys变桨控制系统中部分旋转编码器备件使用的是德国库伯勒公司的产品。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,光电式旋转编码器内部基本原理,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。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,图1,图2,图3,机械式绝对值旋转编码器内部基本原理,运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器也称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。这种编码器具有较强的抗电磁干扰的能力。由于其内部为齿轮机械机构，所以不适用于震动剧烈的场合。目前，在Vensys变桨控制系统中使用的库伯勒旋转编码器就是机械绝对值多圈旋转编码器。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,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,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,联轴器,4.105和87接近开关,*用于无损不接触地检测金属物体的位置。*原理：通过高频的交流电磁场和目标体相互作用实现检测。*采用殊殊的铁氧体磁芯使得接近开关能够抗交流磁场和直流磁场的干扰。*测量范围：8mm10%。,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,*采用3线制，PNP型，带屏蔽。*输入电压：1224VDC,脉动（P-P）10%以下（1030VDC）。*运行温度范围：-4085,图1,图2,4.1190限位开关,四、Vensys变桨控制系统的主要元件及工作原理,五、Vensys变桨控制系统的电气控制原理,6.1Vensys变桨控制系统的操作常识,变桨系统的控制方式分为以下几种：自动变桨：正常工作，由主控制系统控制；手动变桨：调试、维护；（只有当另外两只叶片的位置在86度，第3只叶片才能朝0度变桨。）强制手动变桨：调试、维护；（3只叶片都可以朝0度变桨，不受叶片是否在86度限制。）注意：手动变桨时叶片的变桨速度为2.5度/秒。,注意：强制手动模式中，叶片能在桨距角范围内任意转动，而在手动模式中，若要维护某一叶片，如叶片朝0方向变桨，其桨距角不能小于5，如叶片朝90方向变桨，其桨距角不能大于87，若要继续变桨，可采取强制变桨模式变桨，而其余两个叶片则要求转到顺桨位置。强制手动模式时，叶片角度不被任何限定值控制或限制，这样叶片能转到任何可能的位置，操作不当对机械部件可能引起相当大的损害。,六、Vensys变桨控制系统的维护常识及故障简介,由自动变桨模式切换到手动变桨模式的条件：手动/自动旋钮旋转到M侧+另外两个叶片角度大于86。由自动变桨模式切换到强制手动变桨模式的条件：手动/自动旋钮旋转到M侧+在柜内用短接片短接X11端子排的5和6号端子。,维护时通过变桨柜转动叶片的操作步骤如下（从进入轮毂始）：a)进入轮毂；b)在变桨柜上旋转开关到“M”位置；c)用旋转开关转动叶片到想要的位置；d)然后在变桨柜上立即将主开关旋到“Off”位置；e)若要转到新的位置，将主开关旋到“On”位置，并按上述步骤转动叶片。维护完成后的操作步骤如下：a)将主开关旋到“On”位置；b)靠手动操作方式将叶片转到顺桨位置；c)在变桨柜上将开关旋到“A”位置。注意：如果叶片未能完全转到顺桨位置