金风1.5MW风力发电机组的变桨系统介绍

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作者：孙伟

金风1.5MW风力发电机组的变桨系统介绍

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

金风1.5MW风力发电机组的变桨系统介绍

一、变桨系统的机械结构

控制系统

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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。

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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。

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下图为不同最小桨矩角对应的Cp及λ曲线图

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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)

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)

20

发电机转速 （Ω—rpm）

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相同容量的定桨距和变桨距机组功率曲线的对比

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三、变桨系统的硬件组成

变桨控制柜内的布局

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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

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

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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 x5c 4× 2.5mm

2

x5b x5a

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

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

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

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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

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

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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。

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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