变桨轴承安装及导流罩套装.doc

毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 10 级 风能与动力技术 专业 题 目 变桨轴承安装及导流罩套装 毕业时间 二 o 一二年六月 学生姓名 指导教师 班 级 2011 年 2 月 20 日 1 5mw 二代风机二代风机变桨轴承安装及导流罩套装变桨轴承安装及导流罩套装 2 摘要 作为绿色能源的风能 风力发电技术也成为各国学者竞相研究的 热点 与发达国家相比 我国在风力机的大型化 变桨距控制 变速恒频等先进 风电技术的研究方面还存在较大的差距 随着风力发电机组单机容量的大型化 变桨距控制风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视 因此 开 展对风力机变桨距控制系统及其驱动系统的研究具有重要的意义 直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品 但在国外已经发展了很长时 间 目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少 但开发直驱式风 力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一 这里我们对直驱风力发电机组 的变桨系统控制的模型进行探讨 关键词关键词 风力发电 变桨轴承 变桨锁 直驱式 预紧装置 上 下支撑 目目 录录 3 一 一 1 5mw 二代二代直驱式风力发电机组叶轮简介直驱式风力发电机组叶轮简介 4 一 直驱式风力发电机组结构 4 二 变桨轴承安装工艺 5 三 导流罩套装工艺 6 二 直驱风力发电机组变桨特性叙述二 直驱风力发电机组变桨特性叙述 7 一 不同变桨角度下的特性 7 二 变桨的调节方式 10 三三 直驱型风力发电机组的变桨控制模型直驱型风力发电机组的变桨控制模型 11 一 变桨控制 12 二 转速控制 a 发电机脱网 12 三 转速控制 b 发电机并网 13 参考文献参考文献 15 致谢致谢 16 4 一 一 1 5mw 二代二代直驱式风力发电机组叶轮简介直驱式风力发电机组叶轮简介 一 一 直驱式风力发电机组叶轮结构直驱式风力发电机组叶轮结构 直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱 发电机轴直接连接到叶轮 轴上 转子的转速随风速而改变 其交流电的频率也随之变化 经过置于地面 的大功率电力电子变换器 将频率不定的交流电整流成直流电 再逆变成与电 网同频率的交流电输出 国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机 多沿用低速多 极永磁发电机 并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网 直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱 零部件数量相对传统风电机组要 少得多 其主要部件包括 叶轮叶片 轮毂 变桨系统 发电机转子 发电机 定子 偏航系统 测风系统 底板 塔架等 如图 1 1 所示 1 叶轮叶片 2 轮毂 3 变桨系统 4 发电机转子 5 发电机定子 6 偏航系统 7 测风系统 8 底板 9 塔架 5 二 直驱型风力发电机总体设计方案 二 直驱型风力发电机总体设计方案 直驱型风力发电机组采用水平轴 三叶片 上风向 变桨距调节 直接驱 动 永磁同步发电机并网的总体设计方案 水平轴风力发电机的风轮旋转方向是水平方向的 三叶片是指风机的叶片 有三个 上风向是指风先吹过叶轮 后吹到塔架 变桨距也就是调节桨距角 在风力机中 通过对桨距角的主动控制可以克服定桨距 被动失速调节的许多缺 点 桨距角最重要的应用是功率调节 桨距角的控制还有其他优点 当风轮 开始旋转时 采用较大的正桨距角可以产生一个较大的启动力矩 停机的时候 经常使用 90 的桨距角 因为在风力机刹车制动时 这样做使得风轮的空转 速度最小 在 90 正桨距角时 叶片称为 顺浆 在额定风速以下时 风 力发电机组应该尽可能地捕捉较多的风能 所以这时没有必要改变桨距角 此 时的空气动力载荷通常比在额定风速之上时小 因此也没有必要通过变桨距来 调节载荷 然而 恒速风力发电机组的最佳桨距角随桌风速的变化而变化 因 此对于一些风力发电机组 在额定风速以下时 桨距角随风速仪或功率输出信 号的变化而缓慢地改变季度 在额定风速以上时 变桨距控制可以有效调节风 力发电机组吸收功率及叶轮产生载荷 使其不超过设计的限定值 然而 为了 达到良好的调节效果 变桨距控制应该对变化的情况作出迅速的响应 永磁是 指型发电机采用永磁体励磁 消除了励磁损耗 提高了效率 实现了发电机无刷化 并且运行时 不需要从电网吸收无功功率来建立磁场 可以改善电网的功率因数 采用风力机对发电机直接驱动的方式 取消了齿轮箱 提高了风力发电机组的效率 和可靠性 降低了设备的维护量 减少了噪声污染 三 直驱型风力发电机相对于传统的异步发电机组的优点 三 直驱型风力发电机相对于传统的异步发电机组的优点 1 由于传动系统部件的减少 提高了风力发电机组的可靠性和可利用 率 2 永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率 3 机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音 6 4 可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本 5 机械传动部件的减少降低了机械损失 提高了整机效率 6 利用变速恒频技术 可以进行无功补偿 能较好地调节系统的有功功 率 无功功率 7 由于减少了部件数量 使整机的生产周期大大缩短 二 直驱风力发电机组变桨特性叙述二 直驱风力发电机组变桨特性叙述 直驱型风力发电机组为变桨距调节型风机 变桨是距调节型风力发电机组是 指安装在轮毂上的叶片 通过调节可以改变其桨距角的大小 在运行过程中 当输出功率小于额定功率时 桨距角保持在 0 位置不变 不做任何调节 当输 出功率达到额定功率以后 调节系统根据输出功率变化调整桨距角的大小 时 发电机的输出功率保持在额定功率 随着风力发电控制技术的发展 当输出功 率小于额定功率状态时 可以根据风速的大小 调整发电机的转差率 使其尽 量运行在最佳叶尖速比 优化输出功率 按照变桨距风力发电机的最大功率捕获原理 风力发电机从切入风速到额定 风速这一过程中 通过变桨距技术可以实现风力发电机组工作在最优化的工况 下 从实际风速分布统计情况来看 风力发电机组运行最多的时段也基本上是 集中在这一工况下 且这一工况下的出力最多 这是变桨距机组的优势 变桨距调节的优点是桨叶及机组各个承力部件受力较小 桨叶及机组各个承 力部件制作较为轻巧 即可节省材料又可降低成本 桨距角可以随风速的大小 而进行自动调节 因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能 同时在高于额定 风速段能保持满功率平稳输出 其缺点是结构及控制比较复杂 故障率相对较 高 一 一 不同变桨角度下的特性不同变桨角度下的特性 叶片在运行期间 它会在风速变化的时候绕其径向轴转动 因此 在整个 风速范围内可能具有几乎最佳的桨距角和较低的切入风速 在高风速下 改变 桨距角以减少功角 从而减小了在叶片上的气动力 这样就保证了叶轮输出功 7 率不超过发电机的额定功率 1 1 不同变桨角度下的特性不同变桨角度下的特性 根据叶素理论 当一个叶素在流畅中运动时 叶素的上表面是负压力 吸 力 下表面是正压力 由于压力分布在叶素上而产生的载荷 可以用两个力 升力 l 垂直于风向 v 阻力 d 平行于风向并与升力垂直 和一个力矩 俯 仰力矩 m 来表示 对于变桨距风力机来说 调节变桨也同时意味着调节功角的大小 变桨 距风力机的实际工作中 往往也通过轴承机构转动叶片来减小功角 以此来 减小 cl 减小升力 扭矩和功率 这里我们分析变桨距风机在不同变桨角度下的特性 1 首先我们先举例一个风机的电机的功率曲线图 如图 2 1 所示 由图 2 1 变桨距风力发电机组功率曲线图可以看出发电机转速在一定范 围内能够快速响应风速的变化 以吸收瞬变的风能使 使输出的功率曲线更加 平稳 2 我们根据此风力发电机的叶片特性 描绘出该风机变桨角度是 0 时 在不同的风速下 叶轮对电机的驱动功率的大小 如图 2 2 所示 8 2 3 在上述的图表中只列出了变桨角度为 0 时的风机的特性曲线 我们 再继续描绘变桨角度在 10 和 20 的情况下 变桨距风机的特性曲线 如图 2 3 所示 图 2 3 变桨距风机变桨角为 0 10 20 时的特性曲线在图中我们很 9 清楚的看到在变桨角分别为 10 和 20 时 叶轮在不同的风速下对电机的驱动 功率 为了使叶轮对电机的驱动功率能够满足电机的所能承受的状态 根据图 2 3 我们便需要在不同的风速条件下设定其合适的变桨角度 以满足发电机所 处的工作状态再最优状态 例如 在风速为 10m s 的状态下 通过变桨角度分 别为 0 和 10 两个特性曲线的对比 当变桨为 10 时 此时曲线与电机功率 曲线交点在 叶轮转速为 17rmp 电机功率约为 350kw 处 此时的变桨角度如 果为 0 时 曲线与电机功率曲线的交点为 叶轮转速为 8rmp 电机功率约为 100kw 处 由此可见 通过变桨距的调节 能够有效的改善风力发电机组的气 动性能 表 2 4 变桨距风机在不同风速下的变桨角度注 此表没有考虑到该风机的 最大切出风速 实际的风机设计中 要将变桨角在不同角度下的特性曲线细化 选出其 在不同风速下最优化的变桨角度值 利用对风机在不同变桨角度的特性 在设 计风力发电机组的时候 可以结合到以下 3 点 1 保护风力发电机组 防止过载 2 最小化风机的结构载荷 3 优化控制模拟的变桨区域 二 变桨的调节方式 二 变桨的调节方式 功率调节功率调节 为了有效的控制高速变化的风速引起的功率波动 变桨距风力发电机组采 10 用了 rcc rotor current control 技术 即发电机转子电流控制技术 通过对 发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率 从而改变风轮转速 吸收瞬 变风速引起的功率波动 rcc 控制单元有效地减少了变桨距机构的动作频率及 动作幅度使得发电机的输出功率保持平衡 实现了变桨距风力发电机组在额定 风速以上的额定功率输出有效地减少了风力发电机因风速变化而造成的对电网 的不良影响 三三 直驱型风力发电机组的变桨控制模型直驱型风力发电机组的变桨控制模型 针对直驱型风力发电机组所设计的变桨距控制系统图如图 3 1 所示 图 3 1 控制系统分布图 在发电机并入电网前 发电机转速由速度控制器 a 根据发电机转速反馈 信号与给定信号直接控制 发电机并入电网后 转速控制器 b 与控制器起作用 功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线 调整发电机转 差率 并确定速度控制器 b 的速度给定 11 节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出 如图 3 2 所示 当风力发电机组并入电网前 由速度控制器 a 给出 当风力发电机组 并网后由速度控制器 b 给出 二二 变桨控制变桨控制 变桨控制系统实际上是一个随动系统 其控制过程如图 3 2 所示 图 3 2 变桨距控制系统 变桨距控制器是一个非线性比例的控制器 它可以补偿比例阀的死带和极 限 变桨距系统的执行机构是液压系统 节距控制器的输出信号经 d a 数字 量 模拟量 转换后变成电压信号控制比例阀 或电液伺服阀 驱动液压缸活 动 推动变桨距机构 使桨叶节距角变化 活塞的位移反馈信号由位移传感器 测量 经转换后输入比较器 反馈信号和节距给定值进行比较 比较结果有三 种 大于零 等于零 小于零 然后把比较信号输给执行系统实现变桨过程 12 二 转速控制 二 转速控制 a 发电机脱网发电机脱网 转速控制系统 a 在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投 入工作 如图 3 3 所示在这些过程中通过对节距角的控制 转速以一定的变化 率上升 控制器也用于在同步转速 50hz 时 1500r min 时的控制 当发电机 的转速在同步转速 10 r min 内持续 1s 发电机将切入电网 图 3 3 速度控制 a 控制器包涵着常规的 pd 微分控制 和 pi 积分控制 倾向于控制速度迅速 变化的信号 控制器 接着是节距角的非线性变化环节 通过非线性化处理 增益随节距角的增大而减小 以此补偿由于转子空气动力学产生的非线性 因 为当功率不变时 转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的 当风力发电机组从待机状态进入运行状态时 变桨距系统先将桨叶节距角 快速的转到 45 风轮在空转状态进入同步转速 当转速从 0 增加到 500 r min 时 节距角给定值从 45 线性地减小到 5 这一过程不仅使转子具有高 起动力矩 而且在风速快速地增大时能够快速起动 13 发电机转速通过主轴上的感应传感器测量 每个周期信号被送到微处理器 作进一步处理 以产生新的控制信号 滤波器的主要作用是滤掉噪声信号 三 转速控制 三 转速控制 b 发电机并网 发电机并网 发电机切入电网以后 转速控制系统 b 作用 如图 3 4 所示 转速控制系 统 b 受发电机转速和风速的双重控制 在达到额定值前 速度给定值随功率给 定值按比例增加 额定的速度给定值是 1560 r min 相应的发电机转差率是 4 如果风速和功率输出一直低于额定值 发电机转差率将降到 2 节 距控制将根据风速调整到最佳状态 以优化叶尖速比 如果风速高于额定值 发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值 功率输出将稳定地保持在额定值上 从图 3 4 中可以看到 在风速信号输入端 设有低通滤波器 节距控制对瞬变风速并不响应 图 3 4 速度控制系统 b 与速度控制器 a 的结构相比 速度控制器 b 增加了速度非线性化环节 这一 14 特性增加了小转差率时的增益 以便控制节距角加速趋于 0 参考文献参考文献 1 能源领域组 能源领域 科技发展 十五规划 和 2015 年远景研究 1999 2 张正敏等 风力电价分析与政策建议 中国电机工程学会风力与潮汐发电 专委会换届暨发展研讨会 杭州 2001 3 法 d 勒古里雷斯著 风力机的理论与设计 施鹏飞译 北京 机械工业 出版社 1985 4 黄俊 半导体变流技术 北京 机械工业出版社 1986 5 叶杭冶 贺益康 刘其辉 风力发电机组的运行控制 21 世纪太阳能新技 术 上海 上海交通大学出版社 2003 6 武鑫 等译 风能技术 m 北京 科学出版社 2007 7 金风 62 1200 风力