（电力电子与电力传动专业论文）兆瓦级风机变桨系统的电磁兼容研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c i 。： v a r i a b l e p i t c hw i n dt u r b i n eh a sb e e nb e c a m e o n eo ft h em o s tm a i n s t r e a mf o r m s0 1 1 m ww i n dm i n e ，i tc a nb ea c h i e v e di naw i d er a n g eo fw i n ds p e e d v a r i a b l e p i t c h s v s t e r nc a r la d j u s tt h ea n g l e so fb l a d e ，a n do p t i m i z et h e e f f o r t so fw i n dr o u n dt oi m p r o v e t h eo u t p u to fw i n d p o w e rc h a r a c t e r i s t i c s ，a n de l i m i n a t et h ec h a n g e si n a i rd e n s i t ya n d s u r f a c er o u g h n e s so nt h eb l a d e s h o w e v e r , i n t e r n a lc o m p o n e n t si nt h ev a r i a b l ep i t c h s v s t 锄h a v eb e e ni n t e r f e r e n c ee a c ho t h e r e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) p r o b l e m h a v eb e e no n eo ft h em o s ts e r i o u sp r o b l e m ，v a r i a b l e p i t c hw i n dt u r b i n ec a nn o tw o r k p r o p e r l y f i r s to fa l l ，t h ep a p e ra n a l y s i st h ef a i l u r e so fv a r i a b l e - p i t c hs y s t e mi nt h ew i n dm i l l ， a n df i n dm a i ns o u r c e so fi n t e r f e r e n c ea n di n t e r f e r e n c ec o u p l i n gp a t h sa n ds e n s i t i v e e q u i p m e n t s ，t h a tc o u l da f f e c tn o r m a lo p e r a t i o n s e c o n d l y , m e a s u r et h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo fv a r i o u ss u b s y s t e m si n t h ew i n d t u r b i n e a n dm e a s u r et h eg r o u n dr e s i s t a n c eo fd pb u ss h i e l di nt h ew i n dm i l l i nt h e l a b o r a t o r y , m e a s u r et h ei n t e r f e r e n c ew a v e so fd cb u sw h e ns e r v om o t o r w o r k s i n d i f f 盯e n ts t a t i cl o a d s a n dt h e nm e a s u r et h et i m eo fc h a r g ea n dd i s c h a r g ei nd i f f e r e n t v 撕a b l em o t o rs p e e d s ，i no r d e rt od e t e r m i n et h ec a p a c i t yo fu l t r a - c a p a c i t o ra n dt r yt o r e d u c et h er 2 l t e so fe m c m e a s u r et h ew a v e f o r mo fe n c o d e r i nt h em o d eo fm a n u a la n d a u t o m a t i c f i n a l l y , c o m p a r e t w ov a r i a b l ep i t c hs t r u c t u r e s t h a tc a u s et h ep r o b l e mo f e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , i no r d e rt of i n dt h e b e s td e s i g ns t r u c t u r e t h i sa r t i c l ea l s o d e s i 鲫t h ei m p r o v e m e n to fh a r d w a r e ，r e d e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n gp o w e rs u p p l ya n d e m if i l t e r s i g n a lf i l t e r , i no r d e rt os u p p r e s s t h ep o w e rg r i df r o mt h et r a n s i e n t i n t e r l f e r e n c e a n dd e s i g nm u l t i 1 e v e ls u r g ep r o t e c t i o no fa cp o w e r , t or e s o l v et h ew i n d t u 南i n es v s t e mo fv a r i a b l ep i t c hs y s t e mb ye l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea f t e rt h e t r a n s m i s s i o nl i n e s t h ep a p e ra l s oc h a n g e st h ep l cs o f t w a r et h a tc o n t r o l st h eb l a d e s p e e d s i no r d e rt or e d u c et h ef r e q u e n c yo fp i t c ha n dt h ep r o b l e m so fe l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y b u tt h ei m p r o v e m e n t o fv a r i a b l e - p i t c hs y s t e mc o u l dt e s ti nt h ew i n dm i l l k e y w o r d s ：v a r i a b l e p i t c h w i n dt u r b i n e ；e m if i l t e r ；e m c ；s u r g ep r o t e c t i o n c l a s s n 0 ：t p 2 0 6 ；t p 2 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字同期： 年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师汪至中教授、梁晖副教授的悉心指导下完成的， 汪至中教授、梁晖副教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和 影响。在此衷心感谢两年来汪至中老师和梁晖老师对我的关心和指导。 汪至中教授、梁晖副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上 和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向汪至中老师和梁晖老师表示衷心 的谢意。 汪至中教授、梁晖副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，谢萌、黄杰、张德宏等同学和金风科技有限 公司电控部门变桨室的各位同事对我论文中的 变桨距系统的电磁兼容研究i - v _ 作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。最后，向评阅论文的各位专家、学者表示最诚挚的谢意。 序 本论文主要是研究大型兆瓦级风机的变桨距系统的故障，探究变桨距系统的 设计不合理引发的电磁兼容问题，并着重地以变桨距系统为主要研究对象，具体 地分析变桨距系统内部的干扰源和耦合机理，并提出变桨距系统电磁抗干扰的措 施，进一步地减少干扰源对变桨距系统的影响。本文还提出从设计机构上改进变 桨距系统稳定性的方案。 本文的撰写过程中，本人得到了电气学院新能源研究所的汪至中教授、金新 民教授、刘京斗老师及北京金风科创有限公司各位专家们的大力支持，在此本人 深表感谢! 最后，感谢风电领域上的各位技术专家们为本研究提供大量详实的技 术资料和无私的技术帮助! 引言 1 引言 1 1课题背景和研究意义 近年来，能源问题已经成为关系到整个社会可持续发展的瓶颈，石油、煤炭、 天然气等传统能源的价格飚升，从而引发的供应问题影响到我们的正常的生活， 并使得全球经济的增速放缓。此外由传统能源燃烧引起的全球气候变暖问题也日 益引发了人们的关注，如何利用新型的可再生能源成为全球首脑峰会上的热门话 题。作为洁净能源的代表，风能已经成为目前可利用能源中较为经济的能源形式。 我国的风力发电行业发展极为迅速。据不完全统计，截止到2 0 0 7 年1 2 月末， 国内风电装机容量突破6 0 0 万千瓦，新增的装机容量达到3 4 5 万千瓦。与2 0 0 6 年 新增装机容量1 3 3 7 万千瓦相比，2 0 0 7 年当年的新增装机的增长率达到2 5 8 。我 国风电装机容量的世界排名由2 0 0 5 年第8 位上升到第6 位【l 】。根据国家发改委关 于风力发电的规划，到2 0 1 0 年全国风电装机容量达到5 0 0 0 m w ，到2 0 2 0 年达到 3 0 g w 。年均装机约1 9 0 万千瓦，投资约1 5 2 亿元，其中购买风电机组的投资约9 5 亿元。因此在部分适合发展并能有效利用风能的沿海和内陆地区，各级政府已经 积极地从各种渠道融集社会投资，以规模开发与分散开发相结合，以规模化带动 风电产业化，投资建设了几个百万千瓦级的超大型风电基地，使得风力发电的总 容量占国内总体发电量比重逐年增加。更为可喜的是风力发电的设计技术水平也 得到了快速地发展，单机容量不断地增大，单机容量由最初的2 0 0 k w 的小型风机 发展到现在的最大2 5 m w 的大型风力发电机组，发电效率逐步地提升，重要零部 件的国产化正在有步骤地进行，整个风电发展的链条呈良性有序的发展状态。我 国风电设备制造企业在扩大现有产品批量的同时，还继续引进国外先进技术，实 现产品更新换代，满足市场对兆瓦级风力发电机组的需求。 中国风力发电行业与国际风力发电行业的发展水平还有很大差距，风电的成 本要比火电成本高出一倍，在风电厂建设的投资中设备成本占到总成本的7 0 。 值得关注的是，目前国内风力发电设备制造企业大多还处于初级的消化吸收阶段， 有资金实力的企业直接地从国外引进先进的风机制造技术，主要包括购买风力发 电整机的生产制造图纸，进而在国内或组装、或仿制。一些较有实力的风电企业 对系统组件的选用采取了公开招标的策略，在产品设计中与零部件生产企业专业 协作，由于一些关键部件的核心技术还没有完全掌握，在设备运行中出现了问题 必须有供货商来解决。另外国内的风电设备的主流机型是大型的兆瓦级风力发电 北京交通大学硕十学位论文 机组，国内的风电企业只是刚刚生产出了样机，还没有形成一套完整的安装和设 备维护体系，所以在现场的安装技术人员对要安装设备的原理和需要注意的事项 并不十分了解，只是按照图纸来装配，并没有考虑某些设备安装的细节，使得后 续的调试工作困难重重。在已经投入运行的风力发电机上频繁地出现故障，令技 术维修人员应接不暇。 大型兆瓦级风机运行的可靠性和稳定性还有待于市场的充分验证。关于风力 发电设备的可靠性和稳定的试验认证，国外风能领域的著名的科研和认证机构已 经设计了一套较为完整的风电试验认证平台，开展了对风力发电机组整机、叶片、 齿轮箱和发电机的认证试验工作。例如，美国国家可再生能源实验室( u r e l ) 的风 力发电研究项目组已经完全可以在实验室里模拟兆瓦级风力发电机在风场的情 况，最大可能地测试风力发电设备的可靠性能，同时也排除一些风力发电设备设 计上的通病，降低了在实际运行中的维修费用。我国风力发电行业处于刚刚起步 的阶段，国内的风力设备制造企业所设计开发的风力发电机组大都是实验运行的 样机，加上风力发电的公共试验平台的建设处于规划筹建的阶段，目前还无法给 国内企业提供有效地测试认证和专家级的改进指导建议。因此风力发电公共试验 平台的建设，可以加速我国的风力发电设备的本土化进程，从而缩短与国外先进 风电企业的差距。最为重要的是通过有效的地面试验，可以避免了风力发电机在 风电场的常见故障，特别是能够找到风力发电机组的电气控制部分的设计缺陷， 并可以提供改进设计的解决方案。 1 2定桨距和变桨距系统发电机组的特点 1 、定桨距机组的特点1 2 1 定桨距风力发电机组的桨叶与轮毂的连接是固定的。当风速变化时，桨叶的 迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风机提出了两个必须解决的问题。在 风速高于额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限定在额定附近，桨叶主动失 速。另外风机在突然失去电网的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风机能 够在大风情况下安全停机。早期的定桨距发电机组风轮并不具备制动能力，脱网 时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车制动，叶尖扰流器的使用解决了 在突甩负载情况下的安全停机问题，起动力矩小与桨叶的安装角度有关。定桨距 风力发电机组的结构简单、性能可靠的优点，缺点是风能利用率低。功率控制完 全依靠桨叶失速性能，风力发电机组的功率曲线上只有一点具有最大功率系数， 这一点对应于某一个叶尖速比。图1 1 为c p o ，1 3 ) 函数曲线，在某一个特定的桨距 2 引言 角1 3 情况下，仅存在唯一的最佳叶尖速比入o p t ，使得c p 达到最大值c p m a x 。根 据贝茨理论，风能利用系数的最大极限值c p m a x 约为0 5 9 3 。 图卜l 叶尖速比与风能利用率的关系 f i g 1 - lt h er e l a t i o nb e t w e e nc pa n d 九 2 、变桨距机组的特点 世界上先进的大型兆瓦级并网型风力发电机组大多采用了变桨距的设计结 构。采用变桨距技术的风力发电机组通过变桨距系统可以调整叶片的桨距角，优 化风轮的出力，改善风力机的输出功率特性，并消除因空气密度变化和叶片表面 粗糙度对功率输出的影响。同时变桨距系统可以保证风力发电机组在额定功率点 以上输出功率平稳恒定的特性，还能在额定功率点以下调节桨叶节距角使风轮具 有最大的起动力矩，从而使得起动更加容易。另外，在机组出现故障等情况下， 可以通过变桨距系统使叶片处于顺桨状态，这样利用整个叶片气动刹车的功能， 极大地减小制动工况下作用在传动系统的载荷，同时在极端j x l 速工况下通过顺桨 减小风轮上承受的推力，从而降低塔架所承受的极限载荷，也避免了定桨距风机 每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。在风机并网发电过程中，变桨距控制策 略可实现快速无冲击并网。 1 3变桨距系统的类型 变桨距风力发电机的传统变距方式有离心式、机械式、电气式、液压传动式， 其中离心飞球式和调速电机式是在小型或中型变桨距风力发电机中使用最普遍的 调速方式。对于大型兆瓦级风力发电机，叶片改变节距角时所需的驱动力相对比 较大，并且对变桨距机构的强度和定位精度都有较高的要求。大型风力发电机组 变桨距驱动方式主要以液压和电动两种方式为主。目前在兆瓦级变桨距风力发电 j 匕京交通人学硕十学位论文 机编的设计叶1 ，风机厂家逐渐地开始采用了电动变浆距系统来执行变桨操作， 方向减少了轮教的空问，降低了轮教的重量；另一方面减少了定期地对变桨的液 压系统的维护费用，节约了发电成本。 1 3 1电液变桨距系统 电液伺服变桨距执行机构如图1 2 所示，主要由推盘、中b j 连杆、转杆和电液 倒服蜓动部分组成。变桨距控制过程中，通过控制电液比例换向阀，调节液压缸 位移，液压缸带动推盘、连杆机构推动桨叶节距角发生改变。该机构的工作过程 如r ：中央控制系统根据当前j ) 吨速和风机的状态，以一定的算法给出桨叶的桨距 角信号，液压系统根据控制指令驱动液压缸液压缸带动推动杆，同步盘运动， 同步盘通过短转轴、连杆、长转轴推动偏心盘转动，偏心盘带动桨叶进行变距口l 。 幽卜2 丛j p r 0 e 建直的液压变桨距系统机构i 生i f 1 2 t h es l r t l c l x l r c o f p i t c hc o n t m l w i t hh y d r a u l i cd m 舳b a s e o n p r o e l3 2电动变桨距系统 伺服电机驱动的变桨距控制系统由充电器及超级电容器、逆变器、交流伺服 电机及减速齿轮机构、位簧检测器及限位开关、桨距p l c 控制器等组成。变桨电 机为变桨系统提供扭矩，通过另外一端的变桨小齿轮，小齿轮上面带着一个齿轮 带，齿轮带与叶片上面的变桨轴承连接，把力传递到变桨齿轮带上面，使变桨齿 轮带旋转，改变叶片的迎风角度。 蹙桨过程中变桨p l c 控制器接收中央p l c 控制器发送来的桨距角给定值 伺服变频器带动伺服电机旋转。旋转编码器检测到倒服电机的位嚣信号和电机的 引言 转速信号，形成位置和转速的双闭环，最终实现桨距角的调节。基于电动变桨距 系统控制的风力发电机，结构简单、控制策略多样化。在变频器部分可以采用空 间矢量控制及先进的智能控制理论，以进一步提高伺服控制的精度。 阿。曼矬嚣慧施豫黑。 图l - 3 为电动变桨距系统的机构图。每个桨叶采用一个带位移反馈的伺服电动 机进行单独调节，由同步控制器实现三桨叶的同步变桨，位移传感器采用光电编 码器，安装在伺服电动机输出轴上，采集电动机转动角度。伺服电动机通过主动 齿轮与桨叶轮教齿轮带相连，带动桨叶进行转动，实现对桨叶的节距角的直接控 制。在轮毂齿轮带的边上又安了一个非接触式位移传感器，直接检测齿轮带转动 的角度，即桨叶节距角变化，当叶片转过一个角度，非接触式位移传感器输出一 个脉冲信号。变桨距控制是依据安装在发电机后面的输出轴上的光电编码器所测 的速度值和位置值进行控制，非接触传感器作为冗余控制的参考值，它直接反映 的是桨叶节距角的变化，当发电机输出轴、联轴器或光电编码器出现故障时，即 光电编码器与非接触位移传感器所测数字不一致时，则控制器便可知道系统出现 故障。如果系统出现故障，控制电源断电时，伺服电机由超级电容供电，6 0 s 内将 桨叶调节为顺桨位置。在到达顺桨状态时，继电器断路，原来由电磁力吸台的制 动齿轮弹出，制动桨叶，保持桨叶处于顺桨位置。在风力机j 下常工作时，继电器 得电电磁铁吸合制动齿轮，失去制动作用口】。表1 1 为电液变桨和电动变檠特点 的比较。 北京交通大学硕士学位论文 表卜1 电液变桨与电动变桨的比较 优点缺点 传动结构相对复杂，存在 非线性。液压缸存在漏油和渗 对大惯性负载的控制性 油的情况，液压油在高温和低 能好( 频响快、扭矩大等) ，便 温时需要加热和冷却，影响液 电液伺服变桨 于集中布置，结构紧凑，并且 压刚度、液压阻尼比、液压固 不存在电磁干扰的现象。 有频率等。液压系统不易施加 控制策略，定位精度不是很 高。 结构简单，控制策略多样 动态特性相对较差( 特别 化，控制精度高，可充分利用 电动伺服变桨 对人功率风力机) ，供电问题 有限空间，实现分散布置，并 和系统电磁兼容问题严重。 可以独立变桨。 1 4 电动变桨距系统的结构和电磁兼容问题 本文所研究的风力发电机变桨距系统为电动变桨控制系统。整体设计为 f r e q c o n 公司专门为兆瓦级风机的电动变桨伺服控制系统设计的提供解决方案。如 下图1 4 所示，电动变桨距控制装置包括电容充电器及超级电容器、逆变器、交流 伺服电机及减速齿轮机构、位置检测器及限位丌关、桨距p l c 控制器等组成。首 先，三相交流电经过轮毂滑环和接触器送给电容充电器给超级电容器充电，每组 电容器最多的储能大约是5 5 k j ( 大约1 5 3 w h r ) 的能量，其能量保证了在外部电源掉 电时完成三次变桨操作。在给超级电容器充电的时候，采用软启动的方式来避免 对超级电容器的浪涌冲击。交流电机变频器的设计采用了基于转差频率矢量控制 技术解决了交流电机在伺服驱动中的动态控制问题，具有动态性能好、适合于变 桨伺服系统的设计。 在正常变桨的情况下，桨距控制器根据主控p l c 送来的待调节桨距角，判断 电机正反转并启动伺服电机向0 。( 或向9 0 。) 方向旋转，电机通过减速齿轮和皮带 轮的啮合调节桨叶的节距角。桨距控制器实时地检测电机的位置变化，调节结束 后，逆变器停止工作。限位开关和接近开关保证了变桨操作在安全的范围内工作。 当停电检测单元检测三相电源供电故障后，变桨系统紧急停车，由电容器提供给 逆变器可以使伺服电机顺桨操作的电能。变桨系统也可以实现手动模式下的顺桨 6 引言 操作，使得变桨系统的维护更加简单、便捷。 伺服电机供电的电能由超级电容器提供，其中储能装置短时间不受外界供电 电压波动的影响，保证了变桨距系统工作的独立性和可靠性。为了保障变桨控制 系统的可靠性，在设计上保障了当风力发电机组由于外界的供电故障时，依然可 以通过超级电容器的能量来逆变出三相交流的电能，将桨叶的节距角调节到顺桨 的位置，风力发电机实现可靠地顺桨停车。采用此种变桨控制系统的供电系统还 有一个重要的作用为消除由于机舱的进线上的三相交流电的电涌、瞬间高电压、 瞬间低电压，同时也减少了电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量， 为变桨距伺服控制系统提供了高质量的电能。图1 - 4 为电动变桨距系统的硬件结构 图。 图1 - 4 电动变桨距系统的硬件结构图 f i g 1 - 4h a r d w a r eo ft h ev a r i a b l e - p i t c hs y s t e m 在实际的运行过程中，工程人员发现电动变桨距系统的电磁兼容问题已经严 重地影响了风力发电设备的正常运行。目前变桨系统发生的故障有电源线上由于 轮毂滑环里的电刷和接触器动作引发的传导干扰；由于电容充电器、超级电容器 的充电管理和电磁兼容问题，引发的变桨系统内部的供电故障；三个伺服电机工 作不协调引发的桨叶不平衡的问题：同时也发生变桨系统和塔下的通讯系统的通 讯故障，传输信号丢失的情况。这些故障都会使中央控制器p l c 会认为变桨距控 7 北京交通人学硕士学位论文 制系统不能正常工作，所以系统立即进行安全链保护，风力发电机组顺桨停车。 更为严重的是在较大的风速条件下，如果风机的变桨距调节出现故障，风力发电 机组可能无法实现失速停车，对风机叶片等其他部件带来致命地破坏。 针对变桨系统的故障，从电磁兼容的角度来分析主要是由于传导耦合引发的 电磁兼容问题。在变桨距控制系统的电磁抗干扰设计中，首先要考虑变桨距系统 内部的各个单元是否按照电磁兼容的原理分成多套路接地的方案来执行，以保证 变桨系统已经良好地接地。例如，我们发现先前在风电场安装的风力发电设备中， 变桨距控制系统并没有很好的接地，使得地线随意地搭接在一起，强电系统和控 制系统、信号采集系统相互影响，更为严重的是由变桨距系统的主电路和辅助设 备产生的过大的电磁干扰信号，可能覆盖了机舱和塔上的中央控制器p l c 的通信 信号，造成塔下人员无法掌握设备的运行情况。不仅在功能上没有达到当初的设 计要求，还严重地影响了风力发电的供电品质，甚至缩短了风力发电机的使用寿 命。为此本文根据变桨距系统的运行特点，设计了一套较为完整的电磁抗干扰措 施以保证变桨系统的安全和稳定运行。 1 5课题研究的主要工作和内容 首先，在第一章介绍了关于风力发电的发展现状和变桨系统的特点，介绍了 电液变桨和电动变桨两种常用变桨距系统的结构，并提出了电动变桨系统的电磁 兼容问题，以此说明了本课题研究的意义，并且简要地介绍了本课题从事的主要 研究工作。 第二章中分析了风力发电机组的电动变桨距控制由于电磁兼容问题引发的系 统故障，找到影响风力发电机组的变桨距系统正常工作的主要干扰源和电磁耦合 途径； 第三章有针对性地进行了变桨距系统的电磁兼容问题测试，包括机舱和变桨 距系统的地线阻抗的测量，以验证风机发电机组及变桨距系统能否在雷电过电压 下，将雷击产生的能量泄放到风机的接地网络中，使得控制系统安全可靠工作； 由于变桨距系统的电容充电器的损毁较为严重，要求专业电磁兼容试验室为变桨 距控制系统的n g 5 型电容充电器的抗传导干扰的敏感度试验，包括传导干扰发射 试验、雷击浪涌试验、快速群脉冲试验和电压跌落试验，证明变桨距系统中的电 容充电器能够满足相关的电磁兼容标准。接下来通过模拟叶片不同负载转矩下， 测量了在伺服电机工作时由于电容充电器、超级电容器和伺服电机不匹配对直流 母线上电源电压和电流的波动影响，以确定各个部件的功率选取是否得当，并进 一步降低变桨距系统的电磁干扰问题。 8 引言 第四章提出了针对风力发电机组的电动变桨距控制系统具体的电磁抗干扰解 决方法，包括在主控软件中修改变桨距系统的动态响应特性，以减轻变桨距设备 的暂用率；另外针对某些部件提出了具体的硬件抗干扰措施。 第五章总结了通过对变桨距系统的电磁兼容研究得出的结论，还提出了下一 步变桨距系统稳定性的改进方向。 9 变桨系统的故障和电磁兼容分析 2 变桨系统的故障和电磁兼容分析 在风电场实时记录的兆瓦级j x l 机运行故障数据中，风机变桨距系统的故障占 到了整机故障的3 0 左右。变桨距系统的故障主要是由于变桨系统结构设计的不 合理和系统的电磁兼容问题引发的。变桨p l c 控制器一旦诊断出变桨距系统故障， 就将变桨距系统的运行状态汇报给中央p l c 控制器，主p l c 控制器立即发送安全 链保护使系统停机，以防止由于变桨距系统的故障引发的整机的运行故障。变桨 距系统的电磁兼容问题严重地影响了发电设备的正常运行，各个部件之间相互的 电磁兼容问题越来越受到研发设计人员的关注。在风力发电机的安装和运行调试 过程中，工程技术人员在首先确保实现风机整体设计功能的同时，渐渐地开始注 意以往在设计阶段忽略的电磁抗干扰的细节部分。本文以金风科技生产的v 7 7 变 桨变速风力发电机组的电动变桨距系统为研究对象，在本章中着重地分析了其内 部主要部件的故障成因和电磁兼容问题。 2 变桨系统的电磁兼容故障类型 电动变桨距机构的稳定性对风力发电机组的可靠运行至关重要。变桨距系统 能否正常工作，直接地关系到整个风力发电机组的发电效率和安全运行，也避免 灾难性的飞车事故。变桨距伺服系统固定在风机轮毂里面，只要风力发电机正常 工作，变桨距系统就随着轮毂一起转动。由于工作环境恶劣，各种中小功率机电 设备、通讯设备充实于比较狭小的空间，各自工作频段不同，所产生的有害谐波 混杂，极易受到其他设备的干扰，也同时会对其他设备造成干扰。大型兆瓦级风 机在运行过程中，变桨距系统频频出现三相交流电的不平衡、电容充电器的开关 器件损坏、直流母线上的电容电压不均衡、变频器工作指示信号丢失、伺服电机 冲限位开关、d p 总线通讯中断等故障。变桨系统的故障在很多情况下对系统进行 重新复位后，变桨系统便可以正常运行，可见变桨系统的问题主要是内部的电磁 兼容问题。因此研究和抑制变桨距系统中的电磁干扰问题就显得十分必要。 2 1 1 变桨距系统的常见干扰源 在风力发电机组的运行过程中，变桨控制系统中的各个部件既作为电磁干扰 源，影响其他的设备的正常工作；又是被干扰敏感设备，受到其他设备的电磁干 扰。在风力发电的变桨距系统中，常见的干扰源有以下几种： 北京交通大学硕七学位论文 1 电源线传导干扰 风机的变桨距系统的三相交流电源来自风电场接入的变电所。由于接触器和 断路器的开关动作造成大的浪涌电流、大型电力设备起停、交直流传动装置引起 的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输入线路传到机舱的辅助电源。另外还有 风机轮毂滑环的电刷上的火花和弧光放电传入变桨系统的电源中，所以在风电的 变桨距系统的电源输入侧加装超级隔离变压器或无源滤波器，并且辅以屏蔽接地 的方法以防电源进线的电磁干扰。 风机的变桨距系统在设计上采用了由超级电容器供电的方案，保障了当风力 发电机组的外界供电故障时，依然可以通过超级电容器的能量来逆变出三相交流 的电能，将桨叶的节距角调节到顺桨的位置，风力发电机实现可靠地顺桨停车。 此结构设计对风机变桨距系统的正常运行至关重要。应用了此种设计的变桨控制 系统还有一个重要的作用为消除机舱进线上的三相交流电的电涌、瞬间高电压、 瞬间低电压，同时也减少了电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量。 但是由于超级电容器上储存的电能较少，再加上如果对超级电容器的使用不合理， 电容器的电压波动较大，直流母线上的电压波动可能影响了伺服变频器的正常工 作，因此电容充电器的充电设计和电磁兼容设计就显得尤为重要。 2 接地干扰 风机变桨距系统的接地不正确可能会引起极为严重干扰信号，使整个系统无 法正常工作。变桨距系统的接地混乱对控制系统的干扰主要是各个接地点电位分 布不均，不同接地点问存在地电位差，引起地环路电流，影响系统的正常工作。 此外，变桨距系统的屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路。在变化磁场的 作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间耦合，干扰信号回路。 若系统地与其他接地处理混乱，所产生的地环流就有可能在地线上产生不等电位 分布，影响控制系统内逻辑电路和模拟电路的正常工作。控制系统工作的逻辑电 压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响控制系统的逻辑运算和数据存 储，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降， 引起对信号测控的严重失真和误动作。 3 带有控制开关的电感性电气设备干扰 风电设备的电控系统内部有很多带有控制开关的电感性电气设备，变桨距系 统也不例外。如桨叶的液压抱闸电磁阀、系统内部的继电器、接触器和冷却电扇 等含有铁心线圈的感性负载，当采用继电器来控制在通断过程中，就会在电路中 产生瞬时过电压和冲击电流，前沿很陡的瞬变电压干扰，一般上升时间在微秒级 至纳秒级之间，电压峰值可以达到6 0 0 v ，持续时间长达l m s ，振荡频率在 i m h z 1 0 m h z 范围。它不但影响驱动电路，还会通过电源进入电子线路形成干扰。 1 2 变桨系统的故障和电磁兼彝分析 感性负载的接触设备是个阻尼振荡瞬变电压干扰源。 4 雷电干扰 雷电是对风力发电设备影响强烈的电磁干扰源，特别是对风机变桨距系统的 干扰尤为强烈。因为随着风力发电设备的单机容量也越来越大，为了吸收更多的 能量，轮毂高度和叶片长度随着增高。如兆瓦级风电机组轮毂的高度已经超过七 十米，所以也相对地增加了被雷击的危险。雷电流大都能达到上1 0 0 k a ，这样大 的电流在附近导线上感应出能量很强的浪涌，形成强烈的电磁干扰。雷电释放的 巨大能量会造成娈桨距系统的控制元器件烧毁，并且由于电机的底座与参考地没 有很好地相连，电机定子绕组对电机外壳有较大的寄生电容，同时定子绕组与转 子、转子与电机壳、转子轴承与电机外壳之间都存在分布电容，产生很大的共模 干扰电流流过转子轴承，在电机的轴上形成轴电流，从而缩短屯机的寿命。雷电 过电压已经成为对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。 2 2电源线上的传导干扰分析 2 2 1 轮毂滑环引发的电源传导干扰 在m 力发电系统中，轮毂导电滑环安装在叶轮的主传动轴上，随着叶轮的旋 转而旋转，转速等于叶片的角速度。轮毂导电滑环采用了绕铸铜精加工，硬度高， 电阻小，耐磨损。但是放电叫隙在高电压、大电流的作用卜还会容易产生弧光短 路，通过电源进线来影响变桨控制系统的电源进线上供电质量。 幽2 - 1 轮毂滑环的结构示意图 f i 9 2 - 1 t h es n u c n e o f s l i pr i n g 北京交通大学硕士学位论文 图2 1 为轮毂滑环的结构示意图。导电滑环上除了有三相3 8 0 v 交流电源线( 额 定电流为2 0 a ) 夕b ，还有如p r o f i b u s d p 总线、安全链保护线等通讯线路。虽然导电 滑环在设计上为了保证信号线和电源线之间的隔离，应用了环氧树脂和无碱玻纤 布浸渍浇注层压成型的绝缘材料，但也不能完全有效地解决电源线对信号线的电 磁辐射干扰发生，以及通信信号在传输过程中发生信号丢失的问题。 2 211 轮毂上传导干扰产生的原因 风机导电滑坏的电刷弹性压力不合适、各电刷压力不均匀、电刷材料不符合 要求时，均能使电刷与导电滑环接触不良，在跟随轮毂转动过程中将产生有害的 电火花及触点烧灼。电刷与导电滑环间压力及接触面积的大小与传输的电流密度、 工作转速和周围介质有关。如压力过大，则磨损严重、发热；压力太小，则接触 不良引起烧灼、火花；接触面积过大，磨损严重、转动力矩大；接触面积太小， 通流能力差，易引起触点发热、烧灼。导电滑环的每个通道均采用多触点并联的 方式，各触点的压力要大小适宜且均匀保证电刷与导电滑环接触可靠，同一通道 各电刷压力相差不能超过1 0 ，避免各电刷通过的电流相差太大，造成个别电刷 磨损过快、过热、烧灼及电火花产生。电刷与导电滑环间接触面积的大小主要由 通过的电流大小决定。当转动速度较高时，在电刷与导电滑环间易出现空气薄层， 并导致接触电压降急速增加，摩擦系数急剧降低，致使电刷不稳定，从而产生电 流的不均匀分布。 2 2 1 2 导电滑环的电磁兼容性问题及预防措施 导电滑环通常传递不同类型的信号和电能，但在传输过程中需保证信号相互 l 、日j 的有效电磁隔离，避免产生集电环的弧光放电引起的电磁干扰，造成工作不可 靠或无法正常工作。因此为提高其电磁兼容性能，旋转连接器各个传输通道间应 用电磁屏蔽材料制成隔离屏蔽环进行屏蔽处理。除采取屏蔽措施外，为了减少高 电压的电源线对信号线的交变电场耦合，三相电源线与p r o f i b u s d p 通讯信号传输 环布置时应隔开并保持适当的间距。p r o f i b u s d p 通讯信号线及安全链控制信号线 根据需要应选用带屏蔽的导线，与变桨控制柜的接头选用屏蔽效果好的h a t t i n g 接 头。旋转连接中电源地线与信号地线分开，还可在旋转连接器的的进出线上加装 磁环，在阻带内吸收噪声的能量转化为热损耗，从而起到滤波效果。旋转连接器 的外壳表面用电磁屏蔽材料进行隔离屏蔽处理，减少旋转连接器对外的电磁辐射， 提高电磁屏蔽性能和抗干能力，保证系统工作j 下常。采用了h a r t i n g 接头可以使得 通讯信号线受到较少的电磁干扰，因为接头在设计上充分地考虑到了抗干扰问题， 为了减小电源线路对通讯线路的电容性、电感性耦合的发生，通讯线布局时和电 源线间有隔离措施，并辅以屏蔽层降低对信号线的干扰。 1 4 变桨系统的故障审l 电磁兼容分析 图2 - 2 h a r t i n g 接头布局图 f i g2 - 2 t h e i n t a d a c eo f h a r t l n g 图2 - 2 为h a t t i n g 接口的布局接线图，图中上面的接头为继电器和变桨系统的 安全链信号接口、屏蔽线的接口，中问为p m f i b l l s 总线信号接口及屏蔽线，下部为 三相四线制的电源线接头。另外h a t t i n g 接头的外壳壁有专门的接地螺栓，和变桨 系统的接地线相连，避免了信号在传输过程中的干扰发生。 2 2 2超级电容器上的传导干扰 超级电容器因为具有功率高、充电速度快及循环使用寿命长等特点，而成为 近年来备受关注的风机变桨系统储能设备之一。在实际应用中，超级电容器单体 工作电压不高卜傲低于3 v ) ，因而需要将数个甚至数十个单体串联构成所需工作 电压的电容器组，这些单体具有相同的充放电电流，这样，因串联电容组中各单 体性能( 容量、内阻、漏电流等) 的不一致，会造成超级电容器组的储能下降或得不 到充分利用。因为即使在配组时经过严格的一致性筛选，其偏差也不可避免。如 果以单体电压达到允许的最高电压和最低电压分别作为充电结束和放电结束的依 据，则充电时容量低的单体首先达到上限电压，这时停止充电，容量高的电容器 就没有充满，而放电时容量低的单体叉会首先达到下限电压，容量高的电容器仍 有剩余电量未被利用。 在变桨系统的超级电容嚣组中，m a x w e l l 公司的每组电容模块内部由6 个 2 6 0 0 f 的超级电容单体串联而成。但是根据m a x w e l l 提供的资料来看，超级电容模 块中主要采用的是限幅式的主动平衡电路，因此不能保证6 个电容单体的电压相 等。j 下常工作时主动均衡电路保证各单体电压在2 3 至27 v 之自j ，那么单个模块 的电i k 在1 38 v 至1 62 v 之间，从而在理| 仑上相同模块的蛀大电压差为2 a v 。电 容电压不平衡信号采自c i 、c 2 与c 3 、c 4 的电压差。是恶劣的情况下，电容电压 北京交通人学硕士学位论文 不平衡的差值可达到4 8 v ，所以如果变桨系统p l c 控制器将故障值设置的比较低 时( 如2 v 、2 5 v 、3 v ) 会频频报电容电压不平衡故障。有鉴于此，m a x w e l l 公司提 出的将故障值提高为4 v 的方案在理论上是可行的，但实际运行过程中是否会引入 其他故障还有待于进一步验证。图3 1 3 为电容器的电压检测接线图，c a p ：u i 为 四个电容器的总电压检测接线端，c a p ：u 1 为两个电容器c 3 和c 4 的电压检测接 线端。 一o b 一制燃l 一删哦l 盼m 一d b j ，l z ，耵- m 】 巳 一 t 1 期k 2 v f 3 ，d 睢。 i 一 2t 二 翻i - ? v l a t 鲁e 2 v l 伪乞 翱k 2 v 一一 一d b 一渊一 ，：m - a r l m 蕾o 几1 f 吼 图2 3 超级电容电压检测的示意图 f i g 2 - 3t h es k e t c ho fv o l t a g es a m p l i n gc i r c u i to nu l t r a - c a p a c i t o r 另外在实际应用中，工程人员发现超级电容器采样信号设计存在不合理的地 方。电压量在送给变桨p l c 的模拟量通道时，仅仅进行了电阻分压，信号没有进 行有效地隔离，电容器上的传导干扰会直接耦合进模拟量输入模块，造成电压采 样不准确。在变桨电机带3 0 n m 负载的情况下，变桨p l c 通过软件读取电容器 c a p ：u i ( 正常值为5 8 6 0 v ) 转换后的电压值计数为1 0 8 3 v ，c a p ：u 2 的转换后的电 压值计数为6 9 5 v ，其值远远大于电容器实际值，但是下一个采样周期恢复正常， 其原因可能为线路上的传导干扰所致。 2 2 3断路器和继电器引发的电源传导干扰 变桨距控制系统的正常供电电源均来自风电场接入的变电所。最主要的是接 触器和断路器的开关操作浪涌电流、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的 谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输入线路传到机舱的电源，进而影响变桨系 统。 电磁继电器和接触器在风机变桨系统中有着重要应用，可以起到控制、保护 1 6 变桨系统的故障和电磁兼容分析 和调节作用。但是作为控制大功率电路的开关电器，接触器通过的电流较大，变 桨系统电源为低压大电流的设备，额定电流值为8 0 a 。由于继电器自身存在干扰 问题，我们需要对它进行电磁兼容分析。首先分析其产生的电机兼容问题的原因， 主要有：一方面，作为感性负载的线圈，它的通断过程会产生很大的尖峰电压， 必须予以抑制。另一方面，在开关过程中，继电器和接触器的触头会产生火花和 电弧现象，造成干扰。同时，大电流接触器和微型继电器以及其他敏感元件都放 置在主控制柜内，所以在布局布线时要格外注意。 表2 1 为几种继电器的比较。在变桨距系统执行机构中，有许多的电磁接触器 来控制系统内的设备。如控制变桨距系统内部温度的电加热器和辅助风扇的电磁 接触器属于下表中5 a 的控制继电器；控制n g 5 电容充电器的输出状态的信号继 电器属于小型信号继电器，同时变桨距系统中的安全链保护的继电器也属于信