企业培训_变桨距系统培训课件

变桨系统介绍 变桨系统 1 概述 2 变桨原理 3 系统功能 4 与其它产品比较 5 变桨系统故障判断 PitchSystem 1 概述 1 1风力发电系统总体结构 把风的动能转变成机械动能 再把机械能转化为电力动能 这就是风力发电 风力发电的原理 是利用风力带动风机叶片旋转 再透过增速机将旋转的速度提升 来促使发电机发电 依据目前的风车技术 大约是3m s的速度 便可以开始发电 1 1风力发电系统总体结构 双馈异步风力发电机 直驱式风力发电机 1 1风力发电系统总体结构 Vensys直驱风机 1 1风力发电系统总体结构 双馈风机 1 2变桨系统结构 变桨系统的工作模式 A 正常工作模式B 正常停机模式C 紧急模式 1 2变桨系统结构 变桨是指让风机的桨叶自动旋转到主控制器设定的角度 以控制叶片的迎风角始终保持在最佳位置 从而更好地利用风能 变桨距系统接收主控发来的控制指令 通过控制算法输出一个电压形式的速度值 这个值通过伺服驱动器驱动电机运转以带动桨叶 同时 变桨控制器对备用电源进行管理 以保证紧急情况下能快速收桨 1 2变桨系统结构 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 每个叶片的变桨控制柜 都配备一套备用电源 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 仍可保证短期内整套变桨电控系统正常工作 实现低电压穿越 LVRT 功能 1 3变桨系统分类 1 3 1按柜体数量分类 变桨系统结构有很多种 有7柜式 6柜式 4柜式 3柜式 但都包括 1 驱动柜 7柜式多一个中控柜 2 电池柜3 变桨电机4 编码器5 限位开关6 减速机7 润滑泵 1 3 1按柜体数量分类 1 3 1按柜体数量分类 1 3 2按执行机构动力形式分类 1 3 2 1电动变桨 电动变桨距系统 ElectricPitchControlSystem 一般包括变桨距伺服电机 控制器 电机驱动器 UPS 减速箱 传感器等 图中只画出了一个桨叶的变桨距执行机构 其它两个桨叶与此完全相同 每个桨叶分别采用一个带位移反馈的伺服电机进行单独调节 位移传感器采用光电编码器 安装在电动机输出轴上 采集电机转动角度 电动变桨距系统电机执行机构原理图 1 3 2 2液压变桨 液压变桨距系统 HydraulicPitchControlSystem 主要由推动杆 支撑杆 导套 防转装置 同步盘 短转轴 连杆 长转轴 偏心盘 桨叶法兰等部件组成 各部分作用如下 推动杆 传递动力 把机舱内液压缸的推力传递到同步盘上 支撑杆 是推动杆轮毅端径向支撑部件 导套 与支撑杆形成轴向运动副 限制支撑杆的径向运动 同步盘 把推动杆的轴向力进行分解 形成推动三片桨叶转动的动力 防转装置 防止同步盘在周向分力作用下转动 使其与轮毅同步转动 其中同步盘 短转轴 连杆 长转轴 偏心盘组成了曲柄滑块机构 将推动杆的直线运动转变成偏心盘的圆周运动 该机构的工作过程如下 控制系统根据当前风速 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 1 3 2 2液压变桨 国内传统的风力发电机组液压变桨距执行机构均采用曲柄连杆机构的方式 液压站和液压油缸放在机舱内 通过一套曲柄连杆机构同步推动三片桨叶旋转 这种方案的变距力有限 而且不能对桨叶独立控制 已不能满足兆瓦级风力发电机组的要求 在对国内进口风电机组液压变桨距机构进行调研的基础上 设计了独立液压变桨距机构 国外先进风力发电机组一般都采用独立液压变桨执行机构的方式 如图所示 桨叶由油缸驱动 油缸安装于轮毂内 液压油通过液压滑环进入轮毂 图中 1为轮毂壳 2为偏心块 3为活塞杆 4为桨叶 5为回转支撑 6为油缸 7为油缸座 8为阀块 9为内压板 该机构的工作过程如下 主控系统根据检测到的功率 以一定的算法给出桨距角参考信号 通过电滑环送给轮毂控制器 轮毂控制器根据主控指令驱动伺服比例阀使油缸活塞杆达到指定位置 偏心块将液压缸活塞杆的直线运动转变成使桨叶旋转的圆周运动 从而实现对桨距角的控制 由于风电机组的每个桨叶都由一套独立的液压伺服系统驱动 一个桨叶出现故障时 其他两个桨叶仍能正常工作 增加了系统的安全性 这种执行机构尤其适用于大型风力发电机组 1 3 2 2液压变桨 1 3 3按驱动器输出电流类型分 2变桨原理 2 1原理简介 2 2智能变桨 目前全球仅有美国的Moog和西班牙MLS两家系统集成商提供智能变桨距控制系统的解决方案 智能变桨距技术对大功率 海上型风机实施控制是未来风机的发展趋势 国际国内市场需求十分迫切 1 大型风机疲劳载荷是传统旋转机械的几十倍 特别是海上型大型风力发电机组需要通过控制系统补偿才能获得较长的有效生命周期 2 大型风力机组只能通过智能控制补偿达到机组设计目标 并通过有效保护来弥补由此带来的安全隐患 2 2智能变桨 1 叶片上的载荷 主要是叶根处的载荷情况 2 轮毂上的载荷 3 塔架上的载荷 主要是塔顶和塔基的载荷情况等 作用在风力发电机上的载荷按照载荷的来源可以大致分为 1 空气动力载荷 这是与风轮转速 平均风速 湍流强度 叶片轮廓和空气密度等有关的载荷 2 重力载荷 这是由于风力发电机组相关的重力引起的载荷 3 惯性载荷 包括离心力和科氏力等 4 工作载荷 这是来源于风力发电机组的操作和控制的载荷 5 其他载荷 安装位置的特殊条件等带来的载荷 如波浪载荷和结冰载荷 按照风力发电机的部位来分 一般关注以下载荷 以上三部位的载荷是设计阶段和风机运行过程中所要关注的基本载荷 其他部位的载荷可以由这些基本载荷推算出来 3 系统功能 3 1通信 3 2桨叶定位 3 3备用电源管理 3 4保护 3 5变桨调试 3 6部分关键器件介绍 3 1通信 根据客户需求 可为客户提供多种通讯方式和现场总线解决方案 RS485 TCP IP PROFI BUS CANopen DivceNet Modbus等 公司变桨产品中已使用2种通信方式 3 2桨叶定位 本部分用于实现主控的控制指令 即桨叶位置 有2种控制方式 速度环控制 位置环控制 L B控制器定位精度可达0 03 Bachmann控制器定位精度可达0 005 3 3备用电源管理 在风力发电机组的运行过程中 备用电源起着至关重要的作用 当安全链断开 通信异常 风速过大或电网掉电等紧急情况下 备用电源用于将桨叶收回92 直至撞限位开关 以避免风机倒塌 保证风机安全 备用电源管理主要有2大功能 1 充电测试 当调试变桨时 可手动按下充电测试按钮 变桨控制器将对3支桨叶的备用电源进行一次充电 从第一个备用电源开始到第三个备用电源结束 时间间隔1s 当第三个电源充电完成后回到第一个电源进行正常充电 2 正常充电 对变桨备用电源进行循环充电 时间间隔15m 3 4保护 安全链上包含如下信号 1 轴控柜1230VAC供电 1F4 2 轴控柜2230VAC供电 1F5 3 轴控柜3230VAC供电 1F6 4 油泵230VAC供电 1F7 5 200VDC刹车电源1 3F4 6 200VDC刹车电源2 3F5 7 200VDC刹车电源3 3F6 8 充电器230VAC供电 5F1 5F2 9 驱动器1故障信号 驱动器1X2 23 24 轴控柜1 1F2 2F5 10 驱动器2故障信号 驱动器2X2 23 24 轴控柜2 1F2 2F5 11 驱动器3故障信号 驱动器3X2 23 24 轴控柜3 1F2 2F5 3 4保护 3 5变桨调试 3 5 1参数管理 3 5 2编码器管理 3 5 3手动变桨 3 5 4桨叶校准 3 5 5低电压穿越 LVRT 3 5 1参数管理 通过上位机调试软件 客户可以对变桨系统的系统参数和桨叶参数进行读写操作 比如修改电机正反转最大速度 编码器参数 齿轮箱变比 大小齿轮齿数 桨叶最大误差范围 最大加速度 通信波特率及其校准方式 数据位 停止位等信息 3 5 2编码器管理 在调试情况下 完成A B编码器切换功能 在变桨系统自主运行情况下 系统默认激活A编码器 当A编码器出现故障时 将自动切换成B编码器进行控制 以完成桨叶顺桨 保证风机安全 同时 A B编码器所测得的风机桨叶角度应保持一致 若二者相差一定角度 主控上将报 桨角不一致错误 3 5 3手动变桨 正向慢转 循环变桨 正向快转 反向慢转 单向变桨 反向快转 3 5 4桨叶校准 当风机吊装完成后 要对桨叶角度进行校准 校准后风机方能运行发电 校准有0 或92 校准2种 可通过上位机调试软件或控制器自带的屏来完成校准功能 若通过程序进行校准 则可将桨叶校准为任意角度值 3 5 5低电压穿越 LVRT 低电压穿越 LVRT 当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时 在电压跌落的范围内 风电机组能够不间断并网运行 基本要求 对于风电装机容量占其他电源总容量比例大于5 的省 区域 级电网 该电网区域内运行的风电场应具有低电压穿越能力 a 风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20 额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力 b 风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90 时 风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行 3 5 5低电压穿越 LVRT 实验室中EON测试 将400V电源开关断开时间低于3秒钟 此时变桨系统继续变桨不受影响 如果400V电源断开时间超过3秒钟 系统会停止变桨 3 6部分关键器件介绍 充电器电压监测器电池收桨部分串讲温度传感器加热器风扇变压器驱动器编码器浪涌保护器变桨电机控制器备用电源其他部分 3 6 1充电器 风场经常使用的充电器有雷奥 北京亚安及LUST的充电器AC500 3个品牌的充电器功能大同小异 充电器内部有2个继电器 充电器用于给备用电源充电 以保证备用电源在任何情况下皆有足够的电压来完成快速收桨 同时 充电器还可监视电池柜内的温度 充电功能 1 充电测试 2 循环充电 亚安充电器部分参数 输入额定电压 230VAC 输入电压范围 184 276VAC 输入电流 4 5A 横流充电电流 1 08A 2 3 6 2电压监测器 1 1A2 用于监视电池电压 216VDC 是否正常 2 4U1 用于监测电网电压 400VAC 是否正常 3 6 3电池收桨部分 1 3K3 3K4互锁 正常情况下3K4线包有电 电池收桨时3K3线包有电 撞限位开关后3K3 3K4均不带电 2 G3是主控控制电池收桨 3 G5是主控给出的旁路极限开关 4 3K2由变桨控制器程序控制电机刹车 5 4K2 断电延时继电器 用于低电压穿越 E ON 功能 3 6 4温度传感器 1 轮毂温度传感器 2 电池柜温度传感器 3 电机自带温度传感器 3 6 5加热器 1 电池柜中的加热器 2 电机自带加热器 3 中控柜中的加热器 3 6 6风扇 主要是电机自带风扇 一般情况下电机温度超过75 时风扇启动 温度低于55 时风扇停止 3 6 7变压器 1 中控柜中的变压器 3G2 主要将400VAC转换为200VDC作为刹车电源 2 轴控柜中的变压器 1T1 主要是将400VAC转换为275VAC供给驱动器完成正常的控制功能 3 6 8驱动器 输入电源 3 400VAC 15 50 60Hz额定电流 40A额定温升 20K最大电流 90A超载时间 10s连续工作时间 5000hour控制电源 24VDC 10 输入差分信号 10V 10V反馈方式 旋转变压器和测速发电机故障保护 过压 过流 过载保护 电源缓冲保护 电机超温报警通信方式 RS485 CanOpen 3 6 8驱动器 1 X2 3 4脚 10V信号 用于接受变桨PLC速度指令 2 X2 10脚 是驱动器使能信号 由变桨PLC控制 3 2R1 泄放电阻 当驱动器进行刹车制动时 电机处于发电状态 会向驱动器直流功率母线上并接的电容回馈电能 如果回馈的电能导致电容上的电压超过设计的门槛值时 驱动器内部的泄放保护电路将动作 通过泄放电阻将电容上的能量放掉 注 当泄放功能动作时 必须断开驱动器所有电源 直到15min后才能进行接线操作 3 6 9编码器 1 A编码器 安装在变桨电机尾部 用于反馈桨叶角度给控制器 2 B编码器 安装与轮毂大齿轮胖 用于反馈桨叶角度给控制器 若A B编码器反馈的角度相差过大 一般大于1 主控会报错 A B编码器均可控制桨叶 一般默认用A编码器 当A编码器故障时 程序会自动切换为B编码器 继续完成桨叶控制 也可人为选择编码器 3 6 10浪涌保护器 1 1R1 并接于400VAC 2 2R1 并接于230VAC 3 6 11变桨电机 额定功率 6 3kW额定转矩 30Nm额定转速 2000rpm最大转矩 90Nm额定电压 250V额定电流 31A制动转矩 100Nm绝缘等级 F防护等级 IP54散热方式 风冷 变桨电机采用直流电机或永磁电机 变桨速率由变桨电机转速调节 采用直流电机调速的变桨控制系统 有启动力矩大 调速平滑 过载力矩大 控制简单等特点 3 6 12控制器 目前东汽1 5MW变桨中控制器上输入输出信号有 DI 充电状态 电池电压OK 限位开关 电机风扇 驱动器OK 充电器状态 电机超温过流 充电回路故障等信号 DO 电机松闸 驱动器使能 充电信号 AI 电机电流 电机温度 轮毂温度 AO 变桨速度 3 6 13备用电源 风力发电变桨系统专用电池浮充期待寿命 25 时6年 20 时10年 3 6 13备用电源 额定容量9 6F6个16V标准模组串联成额定电压90V浮冲电压97 2V2 7V 单体过压保护范围15 6V 16 2V之间16V标准模组等效串联内阻 DC 120 Max m 额定电流30A静态电流 55 97 2VmA充电电流3 5A环境温度 40 65 存储于 40 70 环境湿度0 95 存储于0 100 重量8kg长290mm宽105mm高270mm 3 6 14其他部分 1 开关电源 230VAC转换为24VDC 2 轮毂照明 滑环给的230VAC直接供电 3 1F2 熔断器 防止电池电流过大烧毁电机 4 1P1 检测电机电流 5 1F1 热继电器 电流大于22A断开 保护电机 6 1G1 整流桥 运用桥式逆变电路 将交流转化为直流 7 3V2 二极管 防止反向电压 8 压敏电阻 暂定为泄能功能 9 电解电容 沈鼓变桨中与整流桥一起替代原东汽变桨轴控柜中的变压器 4 与其它产品比较 4 1定位精度 经实验测试 本项目能达到0 005 的角度定位和控制精度 而现有技术只能达到0 02 的定位和控制精度 本项目在该项指标方面大大优于国内外同类技术 4 2变桨振动情况 国内外现有技术的变桨距控制系统 其电机设定速度在 3 s 7 s的情况下 电机空载时振动比较大 控制曲线不够平滑 经实验测试 采用本项目的变桨距控制系统的电机振动较小 控制曲线比较平滑 在设定速度正转大于8 s 反转大于3 s情况下两者控制相差不大 电机都无明显振动且控制曲线非常平滑 4 3响应速度 本项目设计了更科学的算法 其算法决定了不需在软件上进行延迟处理 有效减小了系统的延迟时间 提高了响应速度 同时 结合模糊PID控制技术 对系统算法进行优化 经测算 本项目比国内外同类技术在响应速度方面提高了2 3倍 4 4系统兼容性 本项目 1 支持多种通讯协议和现场总线 RS485 TCP IP PROFI BUS CANopen DeviceNet Modbus等 2 支持多种语言及混合语言编程 IEC61131 3 C C JAVA 3 支持全面的互联网应用 HTTP SMTP POP3 FTP等 而国内外同类技术仅能支持少量的通讯协议和一 两种语言编程 本项目在系统兼容性方面明显优于国内外同类技术 国外 国内外同类技术需要定制 货期长 服务不便 5变桨系统故障判断 变桨系统故障可分为以下几种 1变桨电机故障2变桨电池故障3驱动器故障4变桨通信故障5叶片位置比较故障6主电源故障7变桨位置传感器故障8收桨超时故障 注意 一旦发现变桨故障 请注意收集保存故障现象 保护现场 比如主控上报警信息 变桨部件烧毁后的现场保护 最好先拍照 再查原因 5变桨系统故障判断 前提 1 机舱人员断开变桨系统400VAC 变桨UPS 230VA