變槳軸承安裝及導流罩套裝

1、畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計（論計（論 文）文） 10 級 風能與動力技術 專業(yè)題 目：變槳軸承安裝及導流罩套裝畢業(yè)時間： 二 o 一二年六月 學生姓名： 指導教師： 班 級： 2011 年 2 月 20 日1.5mw 二代風機二代風機變槳軸承安裝及導流罩套裝變槳軸承安裝及導流罩套裝2摘要：作為綠色能源的風能,風力發(fā)電技術也成為各國學者競相研究的熱點。與發(fā)達國家相比,我國在風力機的大型化、變槳距控制、變速恒頻等先進風電技術的研究方面還存在較大的差距。隨著風力發(fā)電機組單機容量的大型化,變槳距控制風力發(fā)電技術因其高效性和實用性正受到越來越多的重視。因此,開展對風力機變槳距控制系統(tǒng)及其驅動系統(tǒng)的研究具有重要

2、的意義。直驅式風力發(fā)電機組在我國是一種新型的產品，但在國外已經發(fā)展了很長時間。目前我國在直驅式風機中系統(tǒng)的研究相對傳統(tǒng)機型較少，但開發(fā)直驅式風力發(fā)電機組也是我國日后風機制造的趨勢之一。這里我們對直驅風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)控制的模型進行探討。 關鍵詞關鍵詞: :風力發(fā)電；變槳軸承；變槳鎖；直驅式；預緊裝置；上、下支撐。目目 錄錄3一、一、1.5mw 二代二代直驅式風力發(fā)電機組葉輪簡介直驅式風力發(fā)電機組葉輪簡介4（一）直驅式風力發(fā)電機組結構4（二）變槳軸承安裝工藝5（三）導流罩套裝工藝6二、直驅風力發(fā)電機組變槳特性敘述二、直驅風力發(fā)電機組變槳特性敘述7（一） 不同變槳角度下的特性 7（二）變槳的調

3、節(jié)方式10三三 直驅型風力發(fā)電機組的變槳控制模型直驅型風力發(fā)電機組的變槳控制模型11（一）變槳控制12（二）轉速控制 a(發(fā)電機脫網) 12（三）轉速控制 b（發(fā)電機并網） 13參考文獻參考文獻15致謝致謝164一、一、1.5mw 二代二代直驅式風力發(fā)電機組葉輪簡介直驅式風力發(fā)電機組葉輪簡介（一）（一）直驅式風力發(fā)電機組葉輪結構直驅式風力發(fā)電機組葉輪結構直驅永磁風力發(fā)電機取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到葉輪軸上，轉子的轉速隨風速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網同頻率的交流電輸出。國際先進的無齒輪箱直驅

4、風力發(fā)電機，多沿用低速多極永磁發(fā)電機，并使用一臺全功率變頻器將頻率變化的風電送入電網。直接驅動式風力發(fā)電機組由于沒有齒輪箱，零部件數量相對傳統(tǒng)風電機組要少得多。其主要部件包括：葉輪葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)、發(fā)電機轉子、發(fā)電機定子、偏航系統(tǒng)、測風系統(tǒng)、底板、塔架等（如圖 1.1 所示） 。1葉輪葉片 2. 輪轂 3. 變槳系統(tǒng)。4. 發(fā)電機轉子 5. 發(fā)電機定子 6. 偏航系統(tǒng)7. 測風系統(tǒng) 8. 底板 9. 塔架5（二）直驅型風力發(fā)電機總體設計方案（二）直驅型風力發(fā)電機總體設計方案直驅型風力發(fā)電機組采用水平軸、三葉片、上風向、變槳距調節(jié)、直接驅動、永磁同步發(fā)電機并網的總體設計方案， 水平軸風力發(fā)電

5、機的風輪旋轉方向是水平方向的。三葉片是指風機的葉片有三個，上風向是指風先吹過葉輪，后吹到塔架。變槳距也就是調節(jié)槳距角。在風力機中，通過對槳距角的主動控制可以克服定槳距/被動失速調節(jié)的許多缺點。槳距角最重要的應用是功率調節(jié)，槳距角的控制還有其他優(yōu)點。當風輪開始旋轉時，采用較大的正槳距角可以產生一個較大的啟動力矩。 停機的時候，經常使用 90的槳距角，因為在風力機剎車制動時，這樣做使得風輪的空轉速度最小。在 90正槳距角時，葉片稱為“順漿”。在額定風速以下時，風力發(fā)電機組應該盡可能地捕捉較多的風能，所以這時沒有必要改變槳距角，此時的空氣動力載荷通常比在額定風速之上時小，因此也沒有必要通過變槳距來調

6、節(jié)載荷。然而，恒速風力發(fā)電機組的最佳槳距角隨桌風速的變化而變化，因此對于一些風力發(fā)電機組，在額定風速以下時，槳距角隨風速儀或功率輸出信號的變化而緩慢地改變季度。在額定風速以上時，變槳距控制可以有效調節(jié)風力發(fā)電機組吸收功率及葉輪產生載荷，使其不超過設計的限定值。然而，為了達到良好的調節(jié)效果，變槳距控制應該對變化的情況作出迅速的響應。永磁是指型發(fā)電機采用永磁體勵磁,消除了勵磁損耗,提高了效率,實現(xiàn)了發(fā)電機無刷化;并且運行時,不需要從電網吸收無功功率來建立磁場,可以改善電網的功率因數;采用風力機對發(fā)電機直接驅動的方式,取消了齒輪箱,提高了風力發(fā)電機組的效率和可靠性,降低了設備的維護量,減少了噪聲污染

7、。（三）直驅型風力發(fā)電機相對于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機組的優(yōu)點（三）直驅型風力發(fā)電機相對于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機組的優(yōu)點 (1) 由于傳動系統(tǒng)部件的減少，提高了風力發(fā)電機組的可靠性和可利用率； (2) 永磁發(fā)電技術及變速恒頻技術的采用提高了風電機組的效率； (3) 機械傳動部件的減少降低了風力發(fā)電機組的噪音；6 (4) 可靠性的提高降低了風力發(fā)電機組的運行維護成本； (5) 機械傳動部件的減少降低了機械損失，提高了整機效率； (6) 利用變速恒頻技術，可以進行無功補償，能較好地調節(jié)系統(tǒng)的有功功率，無功功率；(7) 由于減少了部件數量，使整機的生產周期大大縮短。二、直驅風力發(fā)電機組變槳特性敘述二、直驅風力發(fā)電

8、機組變槳特性敘述直驅型風力發(fā)電機組為變槳距調節(jié)型風機，變槳是距調節(jié)型風力發(fā)電機組是指安裝在輪轂上的葉片，通過調節(jié)可以改變其槳距角的大小。在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在 0 位置不變，不做任何調節(jié)；當輸出功率達到額定功率以后，調節(jié)系統(tǒng)根據輸出功率變化調整槳距角的大小，時發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。隨著風力發(fā)電控制技術的發(fā)展，當輸出功率小于額定功率狀態(tài)時，可以根據風速的大小，調整發(fā)電機的轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比，優(yōu)化輸出功率。按照變槳距風力發(fā)電機的最大功率捕獲原理，風力發(fā)電機從切入風速到額定風速這一過程中，通過變槳距技術可以實現(xiàn)風力發(fā)電機組工作在最優(yōu)化的工況下。

9、從實際風速分布統(tǒng)計情況來看，風力發(fā)電機組運行最多的時段也基本上是集中在這一工況下，且這一工況下的出力最多，這是變槳距機組的優(yōu)勢。變槳距調節(jié)的優(yōu)點是槳葉及機組各個承力部件受力較小，槳葉及機組各個承力部件制作較為輕巧，即可節(jié)省材料又可降低成本。槳距角可以隨風速的大小而進行自動調節(jié)，因而能夠盡可能多的吸收風能轉化為電能，同時在高于額定風速段能保持滿功率平穩(wěn)輸出。其缺點是結構及控制比較復雜，故障率相對較高。（一）（一） 不同變槳角度下的特性不同變槳角度下的特性葉片在運行期間，它會在風速變化的時候繞其徑向軸轉動。因此，在整個風速范圍內可能具有幾乎最佳的槳距角和較低的切入風速。在高風速下，改變槳距角以減少

10、功角，從而減小了在葉片上的氣動力。這樣就保證了葉輪輸出功7率不超過發(fā)電機的額定功率。1.1.不同變槳角度下的特性不同變槳角度下的特性根據葉素理論，當一個葉素在流暢中運動時，葉素的上表面是負壓力（吸力）；下表面是正壓力。由于壓力分布在葉素上而產生的載荷，可以用兩個力（升力 l 垂直于風向 v；阻力 d 平行于風向并與升力垂直）和一個力矩（俯仰力矩 m）來表示。 對于變槳距風力機來說，調節(jié)變槳也同時意味著調節(jié)功角的大小。變槳距風力機的實際工作中，往往也通過軸承機構轉動葉片來減小功角 ，以此來減小 cl，減小升力，扭矩和功率。這里我們分析變槳距風機在不同變槳角度下的特性(1) 首先我們先舉例一個風機

11、的電機的功率曲線圖。如圖 2.1 所示： 由圖 2 .1 變槳距風力發(fā)電機組功率曲線圖可以看出發(fā)電機轉速在一定范圍內能夠快速響應風速的變化，以吸收瞬變的風能使，使輸出的功率曲線更加平穩(wěn)。 (2) 我們根據此風力發(fā)電機的葉片特性，描繪出該風機變槳角度是 0時，在不同的風速下，葉輪對電機的驅動功率的大小。如圖 2.2 所示：82.3在上述的圖表中只列出了變槳角度為 0時的風機的特性曲線，我們再繼續(xù)描繪變槳角度在 10和 20的情況下，變槳距風機的特性曲線。如圖 2.3 所示： 圖 2.3 變槳距風機變槳角為 0,10,20時的特性曲線在圖中我們很9清楚的看到在變槳角分別為 10和 20時，葉輪在不

12、同的風速下對電機的驅動功率。為了使葉輪對電機的驅動功率能夠滿足電機的所能承受的狀態(tài)。根據圖2.3 我們便需要在不同的風速條件下設定其合適的變槳角度。以滿足發(fā)電機所處的工作狀態(tài)再最優(yōu)狀態(tài)。例如：在風速為 10m/s 的狀態(tài)下，通過變槳角度分別為 0和 10兩個特性曲線的對比。當變槳為 10時，此時曲線與電機功率曲線交點在：葉輪轉速為 17rmp ，電機功率約為 350kw 處。此時的變槳角度如果為 0時，曲線與電機功率曲線的交點為：葉輪轉速為 8rmp ，電機功率約為100kw 處。由此可見，通過變槳距的調節(jié)，能夠有效的改善風力發(fā)電機組的氣動性能。表 2.4 變槳距風機在不同風速下的變槳角度注：

13、此表沒有考慮到該風機的最大切出風速 實際的風機設計中，要將變槳角在不同角度下的特性曲線細化，選出其在不同風速下最優(yōu)化的變槳角度值。利用對風機在不同變槳角度的特性。在設計風力發(fā)電機組的時候，可以結合到以下 3 點： (1) 保護風力發(fā)電機組，防止過載。 (2) 最小化風機的結構載荷。 (3) 優(yōu)化控制模擬的變槳區(qū)域。（二）變槳的調節(jié)方式（二）變槳的調節(jié)方式( (功率調節(jié)功率調節(jié)) )為了有效的控制高速變化的風速引起的功率波動，變槳距風力發(fā)電機組采10用了 rcc (rotor current control)技術，即發(fā)電機轉子電流控制技術。通過對發(fā)電機轉子電流的控制來迅速改變發(fā)電機轉差率，從而改

14、變風輪轉速，吸收瞬變風速引起的功率波動。rcc 控制單元有效地減少了變槳距機構的動作頻率及動作幅度使得發(fā)電機的輸出功率保持平衡，實現(xiàn)了變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以上的額定功率輸出有效地減少了風力發(fā)電機因風速變化而造成的對電網的不良影響。 三三 直驅型風力發(fā)電機組的變槳控制模型直驅型風力發(fā)電機組的變槳控制模型針對直驅型風力發(fā)電機組所設計的變槳距控制系統(tǒng)圖如圖 31 所示。 圖 31 控制系統(tǒng)分布圖 在發(fā)電機并入電網前，發(fā)電機轉速由速度控制器 a 根據發(fā)電機轉速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網后，轉速控制器 b 與控制器起作用。功率控制器的任務主要是根據發(fā)電機轉速給出相應的功率曲線，調

15、整發(fā)電機轉差率，并確定速度控制器 b 的速度給定。11 節(jié)距的給定參考值由控制器根據風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。如圖 32 所示，當風力發(fā)電機組并入電網前，由速度控制器 a 給出；當風力發(fā)電機組并網后由速度控制器 b 給出。(二二)變槳控制變槳控制變槳控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，其控制過程如圖 32 所示。圖 32 變槳距控制系統(tǒng)變槳距控制器是一個非線性比例的控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變槳距系統(tǒng)的執(zhí)行機構是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經 d/a（數字量模擬量）轉換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥） ，驅動液壓缸活動，推動變槳距機構，使槳葉節(jié)距角變化。活塞的位移反饋信號由位

16、移傳感器測量，經轉換后輸入比較器。反饋信號和節(jié)距給定值進行比較，比較結果有三種，大于零，等于零，小于零。然后把比較信號輸給執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)變槳過程。12 （二）轉速控制（二）轉速控制 a(發(fā)電機脫網發(fā)電機脫網)轉速控制系統(tǒng) a 在風力發(fā)電機組進入待機狀態(tài)或從待機狀態(tài)重新起動時投入工作，如圖 33 所示在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉速以一定的變化率上升?？刂破饕灿糜谠谕睫D速（50hz 時 1500r/min）時的控制。當發(fā)電機的轉速在同步轉速10 r/min(*)內持續(xù) 1s(*)發(fā)電機將切入電網。圖 33 速度控制 a控制器包涵著常規(guī)的 pd(微分控制)和 pi（積分控制，傾向于控制速度迅速

17、變化的信號）控制器，接著是節(jié)距角的非線性變化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增大而減小，以此補償由于轉子空氣動力學產生的非線性，因為當功率不變時，轉矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。當風力發(fā)電機組從待機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速的轉到 45，風輪在空轉狀態(tài)進入同步轉速。當轉速從 0 增加到 500 r/min(*)時，節(jié)距角給定值從 45 線性地減小到 5。這一過程不僅使轉子具有高起動力矩，而且在風速快速地增大時能夠快速起動。13發(fā)電機轉速通過主軸上的感應傳感器測量，每個周期信號被送到微處理器作進一步處理，以產生新的控制信號。濾波器的主要作用是濾掉噪聲信號。（

18、三）轉速控制（三）轉速控制 b（發(fā)電機并網）（發(fā)電機并網）發(fā)電機切入電網以后，轉速控制系統(tǒng) b 作用。如圖 34 所示，轉速控制系統(tǒng) b 受發(fā)電機轉速和風速的雙重控制。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加，額定的速度給定值是 1560 r/min，相應的發(fā)電機轉差率是4%(*)。如果風速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉差率將降到 2%(*)，節(jié)距控制將根據風速調整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。如果風速高于額定值，發(fā)電機轉速通過改變節(jié)距來跟蹤相應的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖 34 中可以看到，在風速信號輸入端設有低通濾波器，節(jié)距控制對瞬變風速并不響應。圖 34

19、速度控制系統(tǒng) b與速度控制器 a 的結構相比，速度控制器 b 增加了速度非線性化環(huán)節(jié)。這一14特性增加了小轉差率時的增益，以便控制節(jié)距角加速趨于 0。參考文獻參考文獻1 能源領域組.能源領域.科技發(fā)展“十五規(guī)劃”和 2015 年遠景研究.19992 張正敏等.風力電價分析與政策建議.中國電機工程學會風力與潮汐發(fā)電專委會換屆暨發(fā)展研討會.杭州，20013 （法）d.勒古里雷斯著.風力機的理論與設計.施鵬飛譯.北京：機械工業(yè)出版社，19854 黃俊.半導體變流技術. .北京：機械工業(yè)出版社，19865 葉杭冶，賀益康，劉其輝.風力發(fā)電機組的運行控制.21 世紀太陽能新技術.上海：上海交通大學出版社，20036 武鑫，等譯.風能技術m .北京：科學出版社，20077 金風 62/1200 風