基于VACONNXP系列变频器的变桨控制系统李锋

基于VACONNXP系列变频器的变桨控制系统李锋

李锋

（新疆金风科技股份有限公司830011）

摘要：本文利用VACONNXP系列变频器的特点并结合风力发电机组变桨系统运行过程中对变频器的特殊要求如快速响应，具有很强的短时过载能力的实际情况设计了一套基于VACONNXP系列变频器的交流变桨控制系统。文中主要从变桨控制系统在风力发电机组中所起到的作用、该变桨系统的结构设计等方面详细的介绍该变桨控制系统的设计原理。

关键词：风力发电机组；变频器；变桨控制系统；变频控制

1变桨控制系统的作用

变桨距系统是风力发电机组一个独立的子控制系统，是一个具备高可靠性的部件；该系统中任何元器件出现意外故障，系统也能保证风力发电机组安全。它的功能是根据主控制器发出的指令调节桨叶的角度，实现风力发电机功率、启动、停机以及紧急停机的控制。

总上所述，变桨距系统有以下几点作用

1）当风力发电机组出现故障的时候，能通过气动刹车的方式将可靠的桨叶迅速收回，确保风力发电机组始终处在安全状态。

2）当风力发电机组处于正常运行时，能够快速而又准确的响应来自主控的位置和速度指令，确保风力发电机组在启动和输出恒定功率输出并能防止风力发电机组出现超速现象。

2基于VACONNXP系列变频器的变桨控制系统结构设计

2.1主电回路设计

基于VACONNXP系列变频器的变桨控制系统采用三柜式变桨系统，即每一个桨叶都有一个专门的变桨控制柜对其进行控制。在每一个变桨控制柜内都有一个VACONNXP系列变频器来驱动电机工作，同时结合变桨控制系统实际运行的工况在主电回路的设计做了以下几点考虑并采取了相应措施：

1）考虑到三个控制柜的相互独立性，在主电回路的设计采用并联设计，即将主电看做母线，母线下接入三个变桨控制柜。这样三个变桨控制柜完全独立。

2）考虑到当变频器一旦出现故障时能够及时将桨叶收回，因此在电机控制方面除了变频控制外还加入了主电控制，即电机的变频控制切换至工频控制。

3）考虑到器件保护以及人员安全方面，在每个控制柜的进线处安装有断路器以及负荷开关。

4）考虑到当机组断电后变桨系统能够及时将桨叶收回，在变频器的直流母线侧接入备用电源。

具体的主电回路设计如图1所示。

图1主电回路设计图

2.2变桨系统安全链回路设计

安全链是指当风力发电机的内部或者外部发生故障，或者监控的参数超过极限值而出现危险情况，或控制系统失效，风力发电机组不能保持在它的正常运行范围内，则应启动安全保护系统，使风力发电机组维持在安全状态。在安全链的设计中应采用失效-安全的原则，当安全保护系统内部发生任何部件单一失效或动力源故障时，安全保护系统应能对风力发电机组实施保护。因此，变桨系统安全链回路采用串联方式，将主要安全点采用常开触点进行监控，并将这些常开触点串联在一起形成安全链回路。基于VACONNXP系列变频器的变桨控制系统考虑的安全点如下：

1）控制器控制的安全链触点。主要负责判断三个轴之间的通信以及主控与变桨的通信，以及三个轴之间的桨叶变差。

2）变频器控制的安全链触点。主要负责判断每个变桨柜内的变频器外围线路以及器件是否正常以及变频器是否处于正常工作的状态。

3）处于安全考虑，将主电源也作为安全链的检测点。

4）当安全链闭合后，即需要有反馈触点，以告知变频器安全链闭合。

5）为了防止雷电流或是浪涌损坏安全链的触点，所以在变桨安全链的进线处安装有防浪涌模块。

为了使安全链回路简单可靠，所以变桨6）安全链回路采用由主控供电的方式。

具体的变桨安全链回路设计如下图2所示：

图2变桨安全链回路设计图

2.3变桨系统通信框架的设计

变桨系统的通信采用CANOPEN通信方式，其主要的作用主要为两个方面：

第一，将来自于主控的控制命令包括状态命令以及角度和速度命令迅速而准确的通过变桨控制器传递给三个变频器。同时将三个变频器所采集到的信息以及变频器本身的状态同样通过变桨控制器反馈给主控。

第二，变桨系统中控制器通过通信的方式协调三个轴的变频器状态保持一致并采集冗余编码器的角度值。

根据变桨系统通信的作用可以把变桨系统的通信分为外部通信和内部通信两部分。外部通信是指变桨控制器和主控之间的通信，这一部分从风力发电机组的整机控制的角度来看，主控作为所有控制部件以及所有的风机运行指令的发出者在变桨和主控之间的CANOPEN通信中，主控作为主站出现，而变桨控制器作为执行机构是作为从站出现。内部通信是指变桨系统内部控制器和三个变频器之间的通信，此时控制器需要作为主站，协调三个变频器的工作状态保持一致。

此外，从系统安全的角度考虑，变桨系统的通信还需要考虑以下几个方面。

第一，波特率的设置。波特率设置的太高抗干扰性就不好，但是设置的太低又影响了通信的实时性，因此选择合适的波特率至关重要。

第二，由于主控和变桨之间的通信需要通过滑环穿过主轴的，为了防止雷电流以及浪涌电流对通信回路上的器件造成损害，因此在变桨的通信进线口和主控的通信出线口各加入浪涌抑制器。

第三，为了防止主控和变桨之间的通信故障影响到变桨系统内部的通信，需要将主控和变桨之间的通信以及变桨内部通信做电气上的隔离。

具体的变桨系统通信框架如图3所示：

图3变桨系统通信框架图

3结论

本文从变桨控制系统的作用出发，通过对基于VACONNXP系列变频器的变桨系统的结构设计进行详细描述来说明该变桨控制系统具备变桨系统所需的高可靠性、快速响应性的特点。

参考文献：

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].2版.北京：机械工业出版社，2000.6.

[2]VACONNX变频器.“ALLINONE”应用手册[M].

[3]TonyBurton等著.武鑫等译.风能技术[M].北京：科学出版社，2007.

[4]李志梅，赵本建，魏东标，风力发电机组电动变桨距机构设计与仿真[J].机械设计与制造，2008.04（4）.

作者介绍：

李锋（1984.3.9-），性别：男；籍贯：新疆；民族：汉；学历：硕士；职称：中级工程师；职务：电气工程师；研究方向：风力发电