金风风电Vensys变桨系统
Vensys变桨系统简介
b. 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
AC2基本原理图
该设备的端子布局如图所示：
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。
3.2变桨线路连接图
3.3变桨系统驱动原理
变桨控制柜通过安装在电机尾部的旋转编码器来检测叶片所在的角度。 分别安装在桨叶对应的87度、5度接近开关，提供了附加的位置检测功能。安装在桨叶对 应92度的限位开关提供了当位置检测失效的情况下的安全保护功能。 通过变桨逆变器AC2驱动变桨电机进行桨叶角度调整。 直流开关电源NG5将400VAC转换为60VDC，为超级电容充电同时为24VDC电源供电。 3.4变桨控制流程图 Vensys变桨系统动作方式分为：自动模式、手动模式、强制手动模式，现根据流程图对动 作模式进行说明。控制流程图如下：
认证 重量
400VAC
5A 100/min
106 -30~+80oC
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。
金风风电Vensys变桨系统
•下面的插头 5芯线，400VAC，机舱到变桨系统的电源
精品课件
四、变桨系统主要部件
控制柜内部电源及控制检测部分: • 1、直流充电器NG5 • 2、变桨变频器AC2 • 3、超级电容 • 4、电容电压转换模块A10和倍福KL3404模块 • 5、倍福BC3150及其他模块 • 6、温度传感器Pt100和倍福KL3204模块 • 控制柜外部驱动及检测部分: • 7、变桨电机 • 8、旋转编码器和倍福KL5001模块 • 9、5°和87°接近开关 • 10、91°限位开关
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。
该模块含8 个通道，每个通道都有一个LED 指 示其信号状态。
精品课件
5.3、倍福模块KL4001
• KL4001 模拟量输出模块可输出0 V 到10 V 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。
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。
该模块含4 个通道，每个通道都有一个LED 指 示其信号状态。
• Output 4 •
Output 6
•
Output 8
•
KL2408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。
• 变桨控制柜主电路采用交流--直流--交流回路。 • 由变桨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可以独立控制。 • 每个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，能保证当来自滑环的电网电压掉电时，备用电源直接给变桨控
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
金风1500kW系列风力发电机组国产Vensys变桨系统电气图A0版
400V 动力输入柜体到下一个柜体防雷总开关分流器开关
变桨充电器 60V 80A 柜体支撑架变桨盘
加热器变桨电机风扇
直流充电电源插座
变桨电机
开关安全电源变桨变频器 A C -20度变桨90度变桨
主开关使能
电磁刹车柜体风扇
温度检测1#直流电源模块2#直流电源模块直流过滤器
92度限位开关叶片
K L 3204模拟输入模块B C 3150转换器K L 3404模拟输入模块K L 4001模拟输出模块柜体温度A C -2温度超级电容温度变桨电机温度A 10模块报警模拟接地接地零
K L 1104数字输入模块K L 1104数字输入模块K L 1104数字输入模块
A C 2-O K 报警92度限位开关安全链O K 手动、自动转换强制手动向0度变桨向90度变桨-2——5度位置信号87度位置信号5度和87度接近开关诊断手动向0度变桨手动向90度变桨
N G 5正常
K L 2408数字输出模块
旋转编码器S S I 编码器模块0度变桨启动信号A C 2单元重启向0度变桨向90度变桨安全链O K 加热柜体风扇接地零A 脉冲
B 脉冲。
【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1500kW风机故障解释说(Switch变流、VENSYS变桨、贺得克水冷、硬件安全链)B0版
ICSQ/JF 新疆金风科技股份有限公司企业标准新疆金风科技股份有限公司发布Q / JF 2FW1500.90GX.3-2009目 次前 言 (II)金风1500kW风力发电机组风机故障解释说明手册故障 (1)1范围 (1)2注意事项 (1)error_acceleration_nacelle_global--------------机舱加速度故障 (2)error_ambient_temperature_global-----------------环境温度故障 (2)error_water_cooling_global-----------------------冷却系统故障 (3)error_ converter_global----------------------------变流器故障 (11)error_hydraulic_global---------------------------液压系统故障 (16)error_yaw_mechanism_global---------------------------偏航故障 (17)error_generator_global-----------------------------发电机故障 (20)error_grid_global------------------------------------电网故障 (20)error_fuse_global----------------------------------熔断器故障 (24)error_ups_global-------------------------------------ups故障 (26)error_profibus_global-----------------------profibus总线故障 (27)error_pitch_global-----------------------------------变桨故障 (33)error_generator_speed_global-------------------发电机转速故障 (52)error_wind_measurement_global--------------风速仪和风向标故障 (58)error_init_file_global-------------------------初始化文件故障 (59)error_stop_global------------------------------------停机故障 (60)error_system_cpu_global----------------------------- cpu故障 (60)error_navigation_light_global ---------------------航空灯故障 (61)Q / JF 2FW1500.90GX.3-2009前 言本解释说明只是对各个故障进行了简单的讲解，使人明白故障是在什么条件下发生的，发生后会执行什么样动作，对现场机组故障处理起到一定的指导作用。
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
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速调节。 • 每个叶片的变桨控制柜可以独立控制。 • 每个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，能保证当来自滑环的电网电压掉电时，备用电源直接给变桨控
3×35mm2 Motor 10×1mm2
2×1mm2 91°限位开关 8×1mm2
3×35mm2 Motor 10×1mm2
2×1mm2 91°限位开关 8×1mm2
Encoder旋编
2-3×1mm2 87°、5° 接近开关
电机控制 及信号线
Encoder旋编
2-3×1mm2
87°、5° 接近开关
链
DP总线 (3)
x5b x5a x10a x10b x5c Pitchbox2 x10c
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 91°限位开关 8×1mm2
三、变桨系统的介绍
1、变桨柜之间连接线示意图
滑环
3×2.5mm2
DP总线 (3)
安 全 链
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.ห้องสมุดไป่ตู้mm2
安
DP总线
全
(3)
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
Pt100
风扇
电源开关
开关电源
DC 60V
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
3、变桨系统特点
• 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。
•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
四、变桨系统主要部件
控制柜内部电源及控制检测部分: • 1、直流充电器NG5 • 2、变桨变频器AC2 • 3、超级电容 • 4、电容电压转换模块A10和倍福KL3404模块 • 5、倍福BC3150及其他模块 • 6、温度传感器Pt100和倍福KL3204模块 • 控制柜外部驱动及检测部分: • 7、变桨电机 • 8、旋转编码器和倍福KL5001模块 • 9、5°和87°接近开关 • 10、91°限位开关
课程大纲
• 一、变桨系统的机械结构 • 二、变桨距控制的目的 • 三、变桨系统的介绍 • 四、变桨系统主要部件 • 五、变桨系统的维护和故障诊断
一、变桨系统的机械结构
控制系统
二、变桨距控制的目的
在风力发电领域中应用的几种控制方式：
• 定速定桨控制(FSFP) 成本低、功率曲线较差
• 定速变桨控制(FSVP) 叶轮转速基本保持不变、额定风速以上可以实现恒功率
• 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
3、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
制系统供电，足以使叶片以7°/s的速率，从0°顺桨到90°。 • 变桨柜内部和主控通讯都采用DP总线，其传输速率为3Mbit/秒 • 各个变桨柜都有独立的手自动变桨装置和电源开关装置。
4、变桨控制方式
• 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，第3只叶片才能朝0度变桨；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，当 碰到限位开关后，不能再变桨，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 要求转到桨距角不能小于86°的位置。
• 变速失速控制(VSFP) 额定风速以下可以实现最优Cp、但额定风速以上功率曲线较差
• 变速变桨控制(VSVP) 定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，这样可跟踪最优Cp；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。
相同容量的定桨距和变桨距机组功率曲线的对比
1、直流充电器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。
2、变桨变频器AC2
电机控制 及信号线
Encoder旋编
2-3×1mm2
87°、5° 接近开关
电机控制 及信号线
2、变桨系统电气回路图
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 信息
电压信 号
控制 命令
A10电压/电 流转换
DC 24V DC/DC 变换
• 强制手动变桨：调试、维护；3只叶片都可以朝 0度变桨，不受86度限制；叶片能在任意桨距角 范围内任意转动。
• Forward：朝0度变桨；
• Backward：朝90度变桨
注意：强制手动模式时，操作不当对机械部件 和人员可能引起相当大的危害。
5、变桨系统与机舱的连接
•上面的插头 5芯线+屏蔽，24VDC，机舱到变桨的安全链；
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； 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。