风力发电机组电动变桨距系统的研究

1、风力发电机组电动变桨距系统的研究 HYPERLINK /channelsearch.do?number=2&page=1&channel=0&keyword= 0、引言 由于风能是一种清洁而安全的能源,在自然界中可以不断生成并有规律得到补充,所以风能资源的特点十分明显,其开发利用的潜力巨大。大型的兆瓦级风力发电机近几年在国内外得到了不断的发展。 变速恒频技术于20世纪90年代开始兴起。变速恒频风力发电机组风轮转速随着风速的变化而变化,可以更有效地利用风能,并且通过变速恒频技术可得到恒定频率的电能。变速恒频机组的显著优点已得到风力机生产厂和研究机构的普遍承认,将成为未来的主流机型1。但变速恒频风

2、力机组仅通过电机自身调节要达到减小风速波动冲击的目的是很困难的,因为自然界中风速瞬息万变,特别是在额定风速以上工况,风力机有可能受到很大的静态或动态冲击2。变桨距是指大型风力发电机安装在轮毂上的叶片借助 HYPERLINK /prodiverse.do?middleType=5 t _blank 控制技术和动力系统改变桨距角的大小从而改变叶片气动特性,使桨叶和整机的受力状况大为改善3。最近，电动变桨距系统越来越多的应用到风力发电机组当中。 根据最新的资料显示，全球风电机组几个大的供应商均采用了电动变桨距结构作为变桨距系统的组成。例如：GE WindPower公司的3.6MW风机机组，Enerc

3、on公司的E-112型风机机组，Suzlon公司的2MW风机机组，REpower公司的5MW风机机组，Nordex公司的N90/2500KW风机机组，Siemens公司的3.6MW风机机组等都是应用了电动变桨距结构。我国浙江大学等单位也对大型风力发电机组独立桨叶控制系统作了研究。 本篇文章主要分析风力发电机组电动变桨距系统的结构和特点，并且分两个部分研究了风力发电机组电动变桨距系统，其中重点分析了电动变桨距的伺服驱动部分，设计出三相永磁同步电动机伺服驱动系统作为电动变桨距系统的驱动控制部分。1电动变桨距系统概述 变桨距机构就是在额定风速附近(以上),依据风速的变化随时调节桨距角,控制吸收的机械

4、能,一方面保证获取最大的能量(与额定功率对应),同时减少风力对风力机的冲击。在并网过程中,变桨距控制还可实现快速无冲击并网。变桨距控制系统与变速恒频技术相配合,最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。 电动变桨距系统就是可以允许三个桨叶独立实现变桨，它提供给风力发电机组功率输出和足够的刹车制动能力。这样可以避免过载对风机的破坏。 图1和图2分别是电动变桨距系统的布局图和电动变桨距系统的概念设计图。三套蓄电池和轴控制盒以及伺服电机和减速机放置于轮毂处，每支桨叶一套，一个总电气 HYPERLINK /prodiverse.do?middleType=3 t _blank 开关盒放置在轮毂和

5、机舱连接处，整个系统的通讯总线和 HYPERLINK /prodiverse.do?middleType=27 t _blank 电缆靠滑环与机舱的主控制器连接。 图3为电动变桨距系统的构成框图，主控制器与轮毂内的轴控制盒通过 HYPERLINK /prodiverse.do?middleType=26 t _blank 现场总线通讯，达到控制三个独立的变桨距装置的目的。主控制器根据风速，发电机功率和转速等，把命令值发送到电动变桨距控制系统，并且电动变桨距系统把实际值和运行状况反馈到主控制器。 电动变桨距系统必须满足能够快速响应主控制的命令，有独立工作的变桨距系统，高性能的同步机制，安全可靠等

6、的要求。下面就分别从机械和伺服驱动两个部分介绍一下电动变桨距系统。2机械部分 不同于液压驱动变桨距系统，电动变桨距系统采用三个桨叶分别带有独立的电驱动变桨距系统，机械部分包括回转支承，减速机和传动等。减速机固定在轮毂上，回转支承的内环安装在叶片上，叶片轴承的外环固定在轮毂上。当电驱动变桨距系统上电后，电动机带动减速机的输出轴小齿轮旋转，而且小齿轮与回转支承的内环啮合，从而带动回转支承的内环与叶片一起旋转，实现了改变桨距角的目的。图4就是机械传动示意图。 电动变桨距一般包括变桨距伺服电动机，伺服驱动器，独立的控制系统，蓄电池，减速箱，齿盘， HYPERLINK /prodiverse.do?mi

7、ddleType=17 t _blank 传感器部分等组成。其中传感器部分包括位置传感器和两个限位开关(0度和90度)，如图5所示。 制动装置的特点是空气动力学制动刹车单独由变桨距控制，桨叶获得充分的刹车作用。即使一个桨叶刹车制动失败, 其它二个叶片也可以安全结束刹车的过程，提高了整个系统的安全性。制动系统还装备了备用 HYPERLINK /prodiverse.do?middleType=1 t _blank 电源，提供给故障或者维修时候可以快速准确地收回桨叶。3伺服驱动部分 矢量控制技术解决了交流电动机在伺服驱动中的动态控制问题，使交流伺服驱动系统的性能可与直流系统相媲美，在某些情况下，甚

8、至超过了直流系统的性能。特别在20KW以下的功率范围内，精度有特殊要求的情况下，交流越来越要取代直流4。在这种情况下，感应电动机，无刷直流电动机和三相永磁同步电动机各有特色。3.1 三种伺服电动机的比较 我们都知道，交流伺服驱动系统由以下三个部分组成：伺服电动机，驱动装置，控制系统。下面就从成本，功率密度，转矩/惯量，速度范围，转矩/电流，损耗，制动，转子位置传感器这几个方面进行比较5。表1:三种伺服电动机的比较 以上就是对三种伺服电动机的比较，基于风力发电机组电动变桨距系统的特点和安全要求，综合三种伺服电动机的特点考虑，拟采用三相永磁同步电动机作为电动变桨距系统的伺服电动机。3.2 电动变桨

9、距伺服系统 虽然三相永磁同步电动机在一些方面不尽如人意，但是它的电机结构简单，维护方便，只有定子线圈发热，容易实现高速，较容易实现快速制动。特别对于风机而言，周围环境恶劣复杂，这样特别适用于三相永磁同步电动机。 三相永磁同步电动机交流伺服系统大致有四部分组成：三相永磁同步电动机，速度和位置传感器， HYPERLINK /prodiverse.do?middleType=25 t _blank 变频器，控制器6。 三相永磁同步电动机主要由转子和定子组成，在转子上装有特殊材料形状的永磁体，用以产生恒定磁场，没有励磁绕组。定子上有三相电枢绕组，接可控的变频电源。 对于三相永磁同步电动机来说，实际上，

10、 HYPERLINK /prodiverse.do?middleType=8 t _blank 检测电动机的转子旋转速度，磁极位置和系统的定位控制三个功能要采用绝对式光电编码器。 逆变器输出频率可调的交流电，输入到电枢绕组中。PWM回路以一定的频率产生出触发功率器件的控制信号，使功率逆变器的输出频率和电压保持协调关系，并使流入电枢绕组中的交流电流保持严格正弦性。另外，电动变桨距的三个伺服驱动器必须在其内部实现精确的同步功能，要求之间的通讯必然要达到系统的整体精度要求。 在控制回路中一共有三个控制环：位置环，速度环，转矩环。一般情况下，位置环采用比例控制规律，速度环采用比例积分控制规律，转矩环采

11、用空间矢量控制。 当然，位置控制主要是达到精确的位置控制，速度环要实现快速的跟踪，电流环实现快速的动态响应。在电动变桨距伺服控制中，主控制器给出位置命令值，与位置反馈进行比较，位置调节器的输出就是速度调节器的输入，进行比例积分，速度调节器输出转矩命令值，与反馈值比较后，差值送到转矩调节器中，输出就是转矩电流给定值，并且把电流指令矢量控制在与磁极所产生的磁通相正交的空间位置上，达到转矩控制。在图中，定子电流检测值iA，iB，iC，经过ABC轴系到dq旋转轴系得适量变换后，得到检测值iq和id。由三相静止坐标系ABC到任意转速旋转两相坐标系dq的变换阵。是永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链，对于

12、三相永磁同步电动机是恒定值，通过面装式PWSM的电磁转矩公式 可以得到转矩反馈值。Pn是极对数。当电动机速度超过基值时，要进行弱磁控制，需要加入id，所以id*要根据弱磁运行的具体情况而确定。由iq*和id*和转子位置，通过dq旋转轴到ABC轴系的变换，得到三相定子电流命令值。由任意转速旋转两相坐标系d、q到相静止坐标系ABC的变换阵。4结论 本文对电动变桨距的结构和特点进行了介绍，着重对伺服驱动控制部分进行了设计和分析，可以作为工程设计的初步参考，在具体的伺服控制部分的研究工作需要进一步深入。参考文献1 E. A. Bossanyi. Adaptive pitch control for a

13、 250kW Wind Turbine, Proc. British Wind Energy Conference.1986,pp.85-922 Iqbal, M. T. Coonick, A. and Ereris, L. L. Dynamic control options for variable speed wind turbines. Wind Engineering. 1994, 18 (1), pp.1-123 Xin Ma. Adaptive extremum control and wind turbine control. PhD thesis. Technical Uni

14、versity of Denmark19974 吴安顺最新实用交流调速系统机械工业出版社19985 陈伯时交流调速系统机械工业出版社19976 冯国楠现代伺服系统的分析与设计北京：机械工业出版社，1990附录资料：不需要的可以自行删除设备大修规程1、目的消除设备存在的缺陷，保证生产设备恢复原有性能，有效延长设备的寿命、减小设备故障率、提高生产效益，减轻设备维修量。2、适用范围厂区主要生产设备3、职责 3.1设备经理（主管）根据生产情况，以及通过设备维修数据分析设备情况，制定设备大修计划，并且购置设备大修配件。3.2事务助理根据要大修的设备，编制设备大修记录单、设备大修验收记录单。3.3大修班班

15、长根据要大修的设备，拟定大修计划，列出大修配件名单交设备主管，准备大修所有器具，做好大修安全防护措施。3.4操作人员极力配合大修人员的工作，顺利开展大修。4、工作规程4.1大修准备工作4.1.1设备主管根据生产情况、设备情况提前一周制定大修计划，并落实到大修班和生产部门。4.1.2设备事物助理根据大修设备，编制设备大修记录单给大修班、大修验收记录单给设备主管。4.1.3大修班班长根据要大修的设备查阅资料，拟定大修安排计划，列大修配件清单交设备主管，落实大修人员，准备设备大修所需器具，做好大修安全防护措施。4.1.4设备主管购置设备大修所需配件，在大修前配齐。4.1.5操作人员在设备大修前，做好

16、设备清洁卫生，清理设备场地，挪开生产加工物品，提前停止设备，进入待修状态。4.2设备大修实施 4.2.1大修班班长组织指导大修工作，大修班根据大修要求严格对设备进行大修。 4.2.2填写设备大修单，记录在大修中更换的配件。 4.2.3设备主管在大修结束后，对大修设备进行验收，记录设备运行是否正常，运行参数是否合格，验收合格后投入运行。4.2.4设备事务助理在设备验收合格后，对大修记录、验收记录进行存档，并完善ERP平台数据记录。4.3设备大修规范4.2.1设备大修的周期为2年进行一次。4.2.2设备大修是以大修班为主、操作人员为辅，对设备有效的大修。 4.2.3根据设备秩序要求，结构要求，对设

17、备全部或部分解体，把拆卸配件归类标记、存放。 4.2.4严格检查设备机械结构部分和配件，清理结构污垢，清洗机械配件，更换润滑油，更换老化配件。 4.2.5检查设备气动、油压系统，清理气管、油管，清洗油箱、阀芯等，更换沉淀老化液压油。 4.2.6检查电气部分，更换老化线路、电器元件，更新设备配置，紧固各接线端子；检验电气设备绝缘、阻值等参数，更换检修参数不合格的电气设备；对配电箱、配电柜等进行清洁吹灰。 4.2.7没有允许，严禁改动设备原有结构，根据设备结构还原装配设备。4.2.8完成大修后，要清洁大修场所，保持设备环境的清洁卫生，对更换的配件统一规范放置。相关文件和记录 5.1设备大修单 5.

18、2设备大修验收单附件: 设备维修及故障处理流程图1设备维修流程设备操作人员发现故障填设备保修单注明设备型号（序号）设备操作人员发现故障填设备保修单注明设备型号（序号）、简述故障情况，生产班（组）长签字报机修班特殊情况可直接电话报修事后及时补写报修单机修班（组）长及时（15分钟内）安排检修或机修工接报修单直接检修维修机修人员主导，严格按照设备检修规程、安全操作、准确判断故障、按时保质完成，设备操作人员配合辅助设备配件在机修班库房或公司配件库领取（中夜班联系库房管理员）检修技术难点（问题）及时询问班（组）长和老员工，特殊辅助机具及时联系车间主任及班组长支援重大问题及时联系设备部经理（主管）直至向公

19、司分管领导汇报一般情况当班必须检修完毕，如特殊情况必须与下班交接（故障情况、检修进度等）做好记录检修完毕操作人员进行试车验收，填写维修情况、维修时间（报修单）设备部主管（专项助理）每周收集统计报修单，考评机修工检修时间及设备维修时间，周会通报设备部经理（主管）每月根据设备维修时间统计，分析（改进）设备维修状况、设备运行状况及操作与维修人员综合素质，形成月度总结上报公司2设备事故处理流程设备操作人员、车间主任、班组长或相关发现人员上报设备操作人员、车间主任、班组长或相关发现人员上报设备部、机修班维修人员或安全巡检人员提出设备部经理（主管）主导召集设备事故分析会，设备操作人员、所属车间主任班组长、

20、机修班（组）长、相关维修人员参加，生产部、安环部有关人员列席（如发生人生伤害事故由安环部主导）由设备操作人员、车间主任、班组长或相关发现人员阐述事故经过，维修人员叙述维修经过、损坏情况及原因分析，设备部经理（主管）作出事故结论，编制事故报告（含处理意见）事故按照三不放过原则处理落实（事故原因分析不清、责任不落实、无改进整改不放过）事故发生班组（车间）对相关责任人责任进行分解落实，并在班组召开分析会总结经验教训，进行预防整改，杜绝事故人力资源部及财务部根据事故报告对相关责任人进行扣款及绩效处罚设备大修单设备名称: 大修序号:规格型号制造厂家制造编号制造时间本厂编号大修时间使用部门安装地点主要附属

21、设备序号名称规格型号单位数量制造厂制造号备注12345易 损 配 件12345大 修 记 录序号大修项目大修概述效果备注12345678910 制表人： 大修人： 审核人：设备维修记录单 位： 年 月 日设备编号设备名称规格型号开工时间竣工时间修理工时修理内容更换部件及消耗材料部件及材料名称数量单价（元）总价（元）合计验收情况遗留问题修理单位：检验员：使用单位验收人：设备部门： （公章）经办人：设备到货验收及移交记录设备名称型 号规 格 外形尺寸生产厂合 同 号出厂日期出厂编号重量公斤资产编号主 要 附 机 、随 机 附 件 及 工 具张技 术 资 料张序号名 称规格及型号应供量实收量名 称份份备 注说 明 书合 格精度检验单另件图册工具清单备件清单验收及移交记事：设备原值装备管理部门验收日期使用单位设备管理部门领用日期设备台账设备名称型号制造厂家供应厂家出厂编号出厂日期购买日期本厂编号维保人备注设备闲置（报废）设备台账序号设备名称本厂编号规格型号生产厂家数量单位闲置（报废）原因存放地点备注设备维修联络（派工）单报修单位编号： 维修单位编号：报修单位报修人报修时间上联 白色 报修单位存档上联 白色 报修单位存档维修单位维修人维修时间报修设备信息（规格型号及位号、编号）：报修设备故障描述：设备维修描述：