1.5MW風力發(fā)電機組變漿系統培訓教材

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1.5MW風力發(fā)電機組變漿系統培訓教材國電聯合動力技術有限公司（內部資料嚴禁外泄）概述風輪：風輪一般由葉片、輪轂、蓋板、連接螺栓組件和導流罩組成。風輪是風力機最關鍵的部件，是它把空氣動力能轉變成機械能。大多數風力機的風輪由三個葉片組成。葉片材料有木質、鋁合金、玻璃鋼等。風輪在出廠前經過試裝和靜平衡試驗，風輪的葉片不能互換，有的廠家葉片與輪轂之間有安裝標記，組裝時按標記固定葉片。組裝風輪時要注意葉片的旋轉方向，一般都是順時針。固定扭矩要符合說明書的要求。風輪的工作原理：風輪產生的功率與空氣的密度成正比。風輪產生的功率與風輪直徑的平方成正比；風輪產生的功率與風速的立方成正比；風輪產生的功率與風輪的效率成正比。風力發(fā)電機風輪的效率一般在0.35—0.45之間(理論上最大值為0.593)。貝茲（Betz）極限風機四種不同的控制方式:定速定漿距控制(Fixedspeedstallregulated)發(fā)電機直接連到恒定頻率的電網,在發(fā)電時不進行空氣動力學控制定速變漿距控制(Fixedspeedpitchregulated)發(fā)電機直接連到恒定頻率的電網,在大風時漿距控制用于調節(jié)功率變速定漿距控制(Variablespeedstallregulated)變頻器將發(fā)電機和電網去耦(decouples),允許轉子速度通過控制發(fā)電機的反力矩改變.在大風時,減慢轉子直到空氣動力學失速限制功率到期望的水平.變速變漿距控制(Variablespeedpitchregulated)變頻器將發(fā)電機和電網去耦(decouples),允許通過控制發(fā)電機的反力矩改變轉子速度.在大風時,保持力矩,漿距控制用于調節(jié)功率.雙饋風機二．基本知識三．變槳系統工程實例1．控制箱主控柜是風機變漿系統的核心，主控柜控制著風機的三個電池的充放電，接受從主控發(fā)過來的命令，通過自帶的PLC計算得出要調節(jié)的角度，將命令下發(fā)給三個軸柜，整個風機的安全鏈和通訊都集中在主控柜里面2．軸箱風力發(fā)電機的三個軸柜分別控制三個交直流電機，調節(jié)葉片的角度等。3．蓄電池箱輪轂中變槳控制柜實際照片，周邊三個蘭色的是變槳伺服電機將電池柜、配電柜用支架固定在圖中所示的位置編碼器變槳角度限位開關帶加熱裝置的超聲波矢量風速風向儀，側面為航空警示燈。風電設備項目澆鑄式滑環(huán)系統具有高轉速、結構精巧，尤其是可行的執(zhí)行件和外直徑的比例優(yōu)化以及耐振性強等特性。澆鑄式滑環(huán)系統有碳彈簧絲和金彈簧絲兩種型號可供選用。結構精巧基礎上的高度集成是帶有金彈簧絲刷的滑環(huán)系統的顯著特點。通常應用于機床設備、絞線機和風電系統中。

澆鑄式滑環(huán)系統，30路-金彈簧絲型號信號傳輸滑軌的其中三個是設計用來與接口RS485進行串行連接。電纜鋪設至滑環(huán)系統的插頭上。在滑環(huán)系統的定子上特意安有相應的接線端。滑環(huán)系統設計用于-20°C至+50°C環(huán)境溫度下，以及0至30轉/分鐘轉速下。功率部件和信號部件都具有澆鑄式滑環(huán)系統。功率部件的傳輸通過碳滑環(huán)系統實現。而信號部件則通過金彈簧絲型號實現。碳和金彈簧絲型號的滑環(huán)系統組件金彈簧絲型號的澆鑄式滑環(huán)系統設計用于-20°C至+50°C環(huán)境溫度下?；h(huán)系統接觸元件的使用壽命可達五千萬轉。技術規(guī)格澆鑄式滑環(huán)系統，30路-金彈簧絲型號2路400V直流電，50A3路230V，10A2路24V直流電，7.5A24路24V直流電，1A碳和金彈簧絲型號的滑環(huán)系統組件5路400V交流電，80A4路230V交流電，16A6路24V交流電，16A15路24V交流電，1A“1.5MW變槳伺服控制系統”的開發(fā)設計近年來，由于油價一路攀升,發(fā)展風能等清潔再生能源越來越受到國家的重視和大力扶持.按照國家規(guī)劃，未來１５年我國風電設備市場份額將高達１４００億元至２１００億元.另一方面,由于我國風電設備制造尚處于起步階段,國內風電設備的產能偏小,無奈只能化高價購買進口風機和部件,嚴重影響了我國風電行業(yè)的快速發(fā)展.就電變漿伺服控制系統而言,目前尚未有國產電變槳控制系統的報道,國內大型風機幾乎均采用國外進口產品.由于進口產品價格高(每套變槳系統約需35～40萬人民幣),訂貨周期長,同時國家發(fā)改委《關于風電建設管理有關要求的通知》中明確規(guī)定：風電設備國產化率要達到７０％以上，不滿足設備國產化率要求的風電場不允許建設.因此風電設備的國產化已是大勢所趨﹑當務之急,也是風電設備制造廠商責無旁貸的責任.技術分析變槳距風力發(fā)電機組的風輪漿葉可以有以下幾種工作狀態(tài):靜止狀態(tài):變距風輪的漿葉在靜止時,節(jié)距角為90°,這時氣流對漿葉不產生轉矩.起動狀態(tài):當風速達到起動風速時,控制系統控制漿葉向0°方向轉動,直到氣流對漿葉產生一定的攻角,風輪開始起動(一般先調節(jié)槳距角到45°，當轉速達到一定時，再調節(jié)到0°，直到風力機達到額定轉速并網發(fā)電).并網發(fā)電:為確保并網平穩(wěn),對電網產生盡可能小的沖擊,變漿距系統可以在一定時間內,保持發(fā)電機轉速在同步轉速附近,以便尋找最佳時機并網(例如在同步轉速±10r/min內持續(xù)1S,發(fā)電機切入電網).額定功率以下運行:傳統的控制方法是在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在0°位置不變，不作任何調節(jié)；另一種方法是采用以Vestas為代表的所謂OptitiP技術，即根據風速的大小，按照最佳葉尖速比曲線確定葉片的節(jié)距角，優(yōu)化輸出功率。額定功率運行時:當風速達到或超過額定風速后,發(fā)電機機組進入額定功率狀態(tài)，變漿控制系統根據發(fā)電機輸出功率的變化調整槳距角的大小，漿葉節(jié)距朝迎風面積減小或增大的方向轉動一個角度,使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。脫網:當風力發(fā)電機需要脫離電網時,變漿系統可以先轉動葉片,使發(fā)電機減小輸出功率,當功率減小到0時,發(fā)電機從電網脫開,以避免發(fā)電機突甩負載的過程.緊急停機:如遇到電網突然斷電或其它緊急情況停機,變漿伺服系統可以通過自備的UPS短暫供電,以便變漿系統完成收漿及采取予定的其它安全措施.開發(fā)內容:根據以上分析,變漿伺服系統應包括如下內容:伺服電機(帶碼盤)---------------(外購)伺服驅動系統--------------------(采用通用伺服系統改造)伺服控制系統--------------------(采用PLC控制,自行設計和制作)現場總線接口和通訊協議----(與主控制器通訊,接收主控制器給出的目標位置﹑定位速度和轉動方向等給定值,同時將變漿伺服系統的運行參數和運行狀態(tài)發(fā)送給主控制器)UPS電源--------------------------(UPS電源及電池充電控制﹑電池狀態(tài)監(jiān)視,緊急情況下電池供電運行相關的管理.-------------選購或自行設計制作)幾種的變槳系統比較變槳系統是現代大型風機的重要組成部分.變槳伺服控制系統作為風力發(fā)電控制系統的外環(huán),在風力發(fā)電機組的控制中起著十分重要的作用.它控制風力發(fā)電機組的葉片節(jié)距角可以隨風速的大小進行自動調節(jié).在低風速起動時,槳葉節(jié)距可以轉到合適的角度,使風輪具有最大的起動力矩;當風速過高時,通過調整槳葉節(jié)距,改變氣流對葉片的攻角,從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉矩,使發(fā)電機功率輸出保持穩(wěn)定.電變槳伺服控制系統是一個閉環(huán)控制的專用伺服系統,根據所用電機可以分為直流伺服和交流伺服兩種類型.直流型電變槳伺服控制系統(以SSB生產的直流型變槳伺服控制系統為例)變槳系統主要由PLC﹑可逆直流調速裝置﹑直流電機﹑絕對式位置編碼器等組成,并由蓄電池作為后備電源.PLC組成變漿的控制系統,它通過現場總線(例如CAN總線)和主控制系統通信,接受主控制系統的指令(主要是槳葉轉動的速度和角度指令),并控制可逆直流調速裝置驅動直流電機,帶動槳葉朝要求的方向和角度轉動,同時PLC還負責蓄電池的充電控制﹑蓄電池電壓的監(jiān)控等輔助控制.SSB的直流型變槳系統主要由以下特點:⑴采用串激直流電機,起動力矩大.對于轉動重達數噸﹑直徑數十米的葉片有好處;⑵由于采用直流無級調速,低速性能好;⑶不允許空載運行,否則會引起“飛車”;⑷電機有碳刷,維修困難;⑸加后備電池比較方便.交流型電變槳伺服控制系統(以LUST生產的交流型變槳伺服控制系統為例)變槳系統主要由PLC﹑交流伺服系統﹑交流伺服電機﹑絕對式位置編碼器等組成,并由UPS作為后備電源.控制原理與直流型大同小異.LUST的交流型變槳系統主要由以下特點:⑴采用交流永磁同步電機或交流異步電機,結構簡單﹑維修工作量小;⑵代表了伺服控制系統的發(fā)展方向;⑶必須加UPS;以便在電網突然斷電或其它緊急情況停機時,變槳伺服系統可以通過自備的UPS短暫供電,使變槳系統完成收槳及采取予定的其它安全措施.設計方案通過以上分析,我們可以知道,變槳系統主要由用PLC作控制器的變槳控制系統﹑利用編碼器構成位置閉環(huán)的伺服驅動系統和通過減速齒輪轉動漿葉的伺服電機等組成.結構上分成一個控制箱﹑三個軸箱﹑三個蓄電池箱共七個電氣箱.在方案設計時我們遵循以下幾點:盡量利用市場上現有的成熟產品,進行應用性開發(fā)(例如變槳伺服系統,我們準備采用通用伺服系統改造的辦法,而不是自己來開發(fā)一套伺服驅動系統);一方面我們要在消化﹑吸收的基礎上,參考﹑借鑒國外同類產品的設計,另一方面也不能完全照搬﹑仿造,必須根據我們的實際情況進行電路設計和元器件選型;具備與國外同類產品相同的功能,性能滿足風力發(fā)電機的要求;采用與國外同類產品相同的總線接口和通訊協議;外形尺寸和安裝方式與國外同類產品具有互換性.根據以上幾點,我們分別設計了直流和交流兩種變槳控制系統的技術方案,現分述如下:㈠直流型電變槳伺服控制系統直流型電變槳伺服控制系統的電氣原理圖見附圖1～圖3所示.變槳控制器采用西門子S7—300型PLC,其軟件和硬件配置見附圖7.其他主要部件及開發(fā)方式如下:1.直流伺服電機-------------------(選購.帶一個測速發(fā)電機和二個絕對值位置編碼器,分別用作速度反饋和位置反饋)2.直流伺服驅動系統-------------(采用通用直流伺服系統改造及設置伺服驅動器參數)3.伺服控制系統--------------------(采用PLC作控制器,自行進行端口配置和控制程序設計,包括選定現場總線接口類型﹑確定通訊內容和通訊協議)4.蓄電池-----------------------------(確定電池電壓及Ah數并選購)5.充電機及電池狀態(tài)監(jiān)控--------(選購或自行開發(fā))㈡交流型電變槳伺服控制系統交流型電變槳伺服控制系統的電氣原理圖見附圖4～圖6所示.變槳控制器采用西門子S7—300型PLC,其軟件和硬件配置見附圖7.其他主要部件及開發(fā)方如下:1.交流伺服電機--------------------(選購.帶二個絕對值位置編碼,分別用作速度反饋和位置反饋,同時便于消除例如由機械間隙引起的定位誤差.)2.交流伺服驅動系統-------------(采用通用交流伺服系統改造及設置伺服驅動器參數)3.伺服控制系統--------------------(采用PLC作控制器,自行進行端口配置和控制程序設計,包括選定現場總線接口類型﹑確定通訊內容和通訊協議)4.UPS電源--------------------------(選購)5.充電機及電池狀態(tài)監(jiān)控--------(選購或自行開發(fā))主要技術性能指標:㈠伺服電機額定轉速2000rpm額定輸出電流17A額定轉矩16.0Nm電源電壓三相AC380V絕緣等級F級冷卻方式自然冷卻防護等級IP64環(huán)境溫度－25℃～＋40℃9.制動裝置選件10.編碼器絕對值位置編碼器㈡伺服驅動系統1.額定輸出功率7.5KW2.額定輸出電流24A3.額定輸出電壓3×0---400V(AC)4.輸入電壓3×AC380V(－25％～＋10％)5.過載能力43A/30秒6.冷卻方式散熱器外置自然冷卻7.防護等級IP24或更高8.環(huán)境溫度－25℃～＋9.制動電阻外加10.配置現場總線CAN總線11.保護功能