目录••••••••一、概述 (2)二、主要功能 (2)三、系统组成 (2)四、工作原理 (4)五、系统接口 (13)六、主要零部件 (13)七、系统功能性能指标 (17)八、人机界面操作说明 (20)九、用户车间调试 (30)十、风场调试维护 (35)一、概述HYP2.0-LT型变桨控制系统是重庆华渝电气仪表总厂专门针对中船重工（重庆）海装风电设备有限公司2MW风力发电机组，从国外引进的变桨控制技术，并通过自主国产化研制生产而成。

该变桨系统采用超级电容储能（作为后备电源），使用寿命长，充电时间短，且具有良好的耐低温性能；系统采用75V低压供电，全面提高操作人员和系统元器件的使用安全；系统采用三柜结构，组成简单，占用空间小，安装维护方便；系统采用冷板散热技术，实现柜体全密封设计，防护性能得到全面提升，能在恶劣环境中工作；系统采用模块化设计，线路简单；本系统元器件批量生产，可靠性高；同时保护功能完备，尤其是防雷性能优良。

二、主要功能变桨系统作为风力发电控制系统中重要组成部分，主要完成两项功能：一是根据风力发电机组运行要求控制桨叶变换到设定的角度以达到发电机设定的功率输出；二是根据风力发电机组运行或安全要求驱动桨叶变换到顺桨位置，即桨叶面到达顺风位置，使机组停机。

由于其对于风力发电系统安全性、可靠性起着至关重要的作用，因此理解本系统组成，工作原理等内容，对于正确操作与使用本系统显得尤为重要。

三、系统组成HYP2.0-LT型变桨控制系统见图1。

该系统由三个相对独立的控制单元组成，每个控制单元由控制柜、变桨电机、接近开关、限位开关组成。

每一个控制柜内由超级电容器模组、充电电源、变频驱动器、PLC 控制器及其外围模块以及控制保护线路及其电气元器件组成，详见图2。

图1：HYP2.0-LT型变桨系统图图2：HYP2.0-LT型变桨系统控制柜内部图三个控制单元分别控制三个桨叶，并通过Profibus总线与风力发电机组主控制器相连，成为主控制器的三个独立的Profibus从站，即主控制器可分别对三个控制单元进行控制。

三个控制单元之间相关联的部分是轮毂安全链，即三个控制单元分别给出一个干结点，三个结点串联形成轮毂安全链，详见图3。

我们可以从电气原理上简单理解为本变桨系统是有三个独立的控制单元和一条安全链组成。

其中图3中K1，K2，K3分别对应三个控制柜中的8k3继电器，当变桨系统无断安全链故障时，其8K3将闭合，使得安全链通路接通。

图3：系统组成原理框图四、工作原理本系统工作原理较复杂，但是整个控制方式都是围绕五种工作模式展开，简述这五种工作模式，对于理解工作原理大有裨益。

（一）工作模式1．自动运行模式当风速在12～25m/s时，即大于额定风速小于切出风速时，风力发电机组为了达到相对恒定的额定输出功率，需变换桨叶角度以获取相对恒定的风能，使发电机转速保持相对恒定。

变桨系统将根据风力发电机组主控制器指令，完成控制桨叶变换到设定角度的任务。

2．正常停机模式风电机组自动运行时，其处于自身运行需要或风场电力调度需要的停机为正常停机，变桨系统将根据主控制器指令控制桨叶回到89°顺桨位置，即桨叶面到达顺风位置。

3．紧急停机模式风电机组因紧急故障，比如主控、变流器或变桨系统本身故障，变桨系统将紧急顺桨。

如果是变桨系统以外的故障将顺桨到89°位置，如果是变桨系统本身故障则要根据是否能够判断桨叶位置来决定顺桨位置，如能判断位置则顺桨到89°，若不能则会直接撞击96°限位开关后停止。

其是否能够判断桨叶位置，主要是以编码器信号为主要依据，如果编码器信号正常，则称为能够判断桨叶位置，否则为不能判断。

4．维护模式即手动模式，在面向控制柜的左侧或下部有一个维护操作盒，内有电源开关、手动/自动转换开关、向前/向后开关、强制手动转换开关、电源和运行指示灯以及调试串口接口，详见图4。

手动自动的转换由机舱控制柜上的手动使能开关或变桨控制柜操作盒中的手动/自动转换开关控制，维护人员进入轮毂前须将机舱控制柜上的手动使能开关转动到手动位置，然后锁定主轴进入轮毂，进入轮毂后必须首先将控制柜操作盒中的手动/自动转换开关转换到手动位置。

变桨系统在维护模式下，轮毂外将无法操作变桨系统，从而保证轮毂内操作人员的安全。

在维护模式下，可以开启手动向前/向后开关，控制桨叶前进或后退。

手动控制一个桨叶的前提条件是：其他两个桨叶必须都在大于85°位置。

电源开关调试串口手动/自动开关向前/向后开关运行指示灯电源指示灯图4：操作盒5．强制手动模式当正常的手动模式受到限制无法转动桨叶，比如在对桨叶的零位时，可以利用本套系统特有的强制手动功能，将操作盒内的强制手动开关打开，开启向前/向后开关，桨叶将无条件转动。

（二）系统供电原理本系统有多种供电电压模式，对于其如何转化，如何供配电等，下图5给出了详尽描述。

图5：系统供电原理图在图中，三相400V电源经过主开关1Q1进入智能充电电源1G1、1G2，电源对系统后备电源超级电容2C1端电压进行实时检测，输出一略高于超级电容端电压的电源电压，在电容即将充满前，输出电流为一恒定电流，大约25～28A，两个电源并联输出50～56A，即将充满时，充电电流逐渐减小，直到充满75V后关闭输出。

当超级电容端电压放电到低于70V时，充电电源则重新启动充电，直到75V，如此反复充放电，形成智能充电电源正常的工作过程。

当系统载荷超过正常载荷，将导致超级电容加速放电，端电压下降到70V以下，则充电电源将与后备电源一起同时向外供电，尽力维持直流母线电压稳定在70～75V区间，以满足系统在各种工况下的能量需求。

连接在直流母线上的两个DC/DC模块为系统提供两路稳定的24V直流电源，一路专供PLC控制器使用，另一路为其余所有电路包括外围电路供电。

所以，直流母线的稳定是整个变桨系统正常工作的基础。

（三）系统控制原理，见图6。

图6：系统控制原理框图风力发电机组主控制器通过profibus通讯将速度、位置值发送给变桨系统PLC控制器，PLC控制器将速度信号解算为驱动器所需要的频率信号，通过CAN通讯发送给驱动器，驱动器驱动电机以给定的速度转动。

电机上安装的增量+绝对值编码器将速度信号反馈给驱动器以形成速度闭环控制、同时将位置信号反馈给PLC，PLC根据位置信号确定电机是否转动到指定位置，然后向驱动器发出相应的速度信号。

（四）安全保护原理1．本系统在轮毂内外都设置了手动/自动转换开关，任意一处转为手动系统都将进入手动状态，在手动状态下桨叶将根据操作人员的需求动作而不受主控制器控制，并且系统设定同一时间只允许一个桨叶离开顺桨位置，从而保证了风电机组在手动维护时的安全。

2．自动运行时，只要桨叶处于顺桨位置，对风电机组而言就是安全的。

本系统从以下三个方面保证了桨叶回到安全位置，即顺桨位置：a.当风电机组发生变桨系统以外的紧急故障，变桨系统将首先收到来自主控的安全保护信号，执行主控指令紧急顺桨。

b.当变桨系统本身发生故障时，将首先切断轮毂安全链，告知主控系统整个风电机组需紧急停机，同时自身紧急顺桨，并通过profibus通讯将故障信息发送给主控。

c.当变桨系统本身发生故障且无法控制驱动器或驱动器外围故障时，驱动器自身将驱动桨叶向顺桨方向转动直至撞击96°限位开关而停止。

3．本系统中，驱动器的可靠性对整个风电机组的安全保证作用是至关重要的。

本系统选用原装进口低压交流伺服驱动器，该驱动器原用于电动汽车上，后被引用到风电变桨系统中，获得了极大的成功。

该驱动器经过了风场长时间大批量的实际运行考核，故障率极低。

该驱动器在设计上考虑了充足的裕量，能够适应风电机组实际运行中的各种复杂工况。

对于直流70-80V的电压输入，都能工作良好，而且自身保护功能完善，对外围以及自身故障的处理及时合理，可靠性很高，从根本上保证了风电机组的运行安全。

4．低电压穿越功能是国家电网对风力发电机组也是对变桨系统的基本要求，这是电网安全的需要。

本系统从设计原理上决定了其低电压穿越性能是原蓄电池系统所无法比拟的，因为它的直流母线上挂载有大容量的储能设备超级电容。

如果电机不带负载，电网即使断电1小时，本系统同样可以在超级电容放电的情况下正常工作；即使电机带有负载，在额定负载条件下也可以运行近20S，完全能够支撑三次顺桨，大大超过了低电压穿越标准所要求的时间。

（五）位置校对原理本变桨系统没有冗余编码器，桨叶角度的校对是依靠安装在3°和88°位置的两个接近开关实现的。

在3°和88°接近开关机械安装牢固后，调试人员需要对这两个位置进行检测标定，并将这两个位置的最终检测位置值和编码器的实际值保存到PLC的掉电保持单元中。

在实际运行时，桨叶每次经过这两个位置，控制器都会将这个位置的角度值和编码器值与原保存的值进行比较，如果误差超过设定值，系统将报故障停机。

（六）系统电气原理图如下：1023456789图7：系统外部接线图五、系统接口（一）变桨系统与主控系统接口关系，见表1。

表1：变桨系统与主控系统接口关系表（二）变桨系统与集中润滑的接口关系变桨系统为集中润滑提供一路24V直流电源，集中润滑将自身故障信号反馈给变桨系统，变桨系统通过通讯发送给主控。

六、主要零部件（一）主电源，见图8。

主电源模块是系统的能量来源，采用两个单相AC/DC模块并联的方式使用，每个模块的输出功率为75V×25A，其主要作用是为超级电容充电和维持直流母线电压的相对稳定，以及为辅助电源提供输入和在系统超负荷运行时与超级电容一起为伺服机构提供能量，并通过CAN接口向控制器传送自身状态、故障信息。

图8：主电源模块（二）超级电容器组，见图9。

超级电容器组是系统的后备电源，电容容量为75V94F,最长充电时间为150S,在系统断电以后，可以提供至少三次顺桨的能量。

图9：超级电容器组（三）变频驱动器，见图10。

变频驱动器是系统的核心关键部件，额定输出功率6.5kW，最大输出电流超过400A。

通过CAN总线与PLC控制器进行数据交换，接收执行PLC控制器的电源、刹车、主接触器使能和速度等指令，同时接收编码器信号并解算为实际运行速度后送给PLC控制器。

变频驱动器最重要的作用是在各种情况下（手动维护、自动运行、系统故障）都能可靠地驱动电机带动桨叶运转到指定位置。

图10：变频驱动器（四）变桨电机，见图11。

变桨电机是系统的执行部件，额定功率为6.0KW，额定转矩为40Nm，最大转矩达120Nm，工作电压是交流三相33V，工作电流165A。

附带电磁制动器、温度传感器、编码器。

图11：变桨电机（五）辅助电源，见图12。