風(fēng)機(jī)變槳控制柜可行性方案(風(fēng)電)

一、趨勢(shì)判斷和需求分析在2007年前后，我國風(fēng)電設(shè)備的關(guān)鍵零部件產(chǎn)能嚴(yán)重不足，一些關(guān)鍵零部件存在較大的供需矛盾，嚴(yán)重依賴進(jìn)口。而且進(jìn)口關(guān)鍵零部件的訂貨周期長、價(jià)格高，關(guān)鍵零部件掣肘我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著整機(jī)制造企業(yè)的迅速增加，更加激化了關(guān)鍵零部件與整機(jī)生產(chǎn)不相匹配的矛盾。在這種現(xiàn)狀下，能否控制成本將成為企業(yè)在激烈競(jìng)爭(zhēng)中能否勝出的關(guān)鍵。而控制成本的關(guān)鍵在于外購率，而那些只做系統(tǒng)整合，不能夠自己生產(chǎn)風(fēng)機(jī)主要零部件的企業(yè)，很難將成本降低。而那些可以制造發(fā)電機(jī)、葉片、齒輪箱、控制系統(tǒng)的企業(yè)，無疑在成本整合上更具優(yōu)勢(shì)。風(fēng)機(jī)制造企業(yè)需要不斷的提高自己的零部件自制率。下表按照風(fēng)機(jī)零部件構(gòu)成比例列出了目前的現(xiàn)狀。圖表風(fēng)機(jī)零部件構(gòu)成比例零部件成本占比國產(chǎn)自制狀態(tài)性能描述塔架26.30%已自制通常為卷鋼制成風(fēng)輪葉片22.20%未自制采用復(fù)合材料，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的模具制造加工齒輪箱12.91%已自制提高峰輪軸的低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)所需的高轉(zhuǎn)速變頻器5.01%已自制將發(fā)電機(jī)的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娮儔浩?.59%已自制將來自單機(jī)的電力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)所需的高電壓發(fā)電機(jī)3.44%已自制將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。偏航環(huán)2.80%已自制采用剛材制成，以支撐整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)變槳距系統(tǒng)2?66%未自制調(diào)整葉片角度，使風(fēng)能利用最大化主軸1.91%已自制將風(fēng)輪轉(zhuǎn)向力傳遞到齒輪箱輪轂1.37%已自制采用鑄鐵制造，提供插放葉片的位置機(jī)艙殼1.35%已自制質(zhì)輕的玻璃鋼箱體覆蓋于機(jī)組系統(tǒng)之外

制動(dòng)系統(tǒng)1.32%已自制根據(jù)需要采用碟剎令機(jī)組停止運(yùn)行偏航系統(tǒng)1.25%已自制使機(jī)艙旋轉(zhuǎn)至迎風(fēng)方向的結(jié)構(gòu)風(fēng)輪軸承1.22%未自制用來抵抗風(fēng)力所產(chǎn)生的負(fù)載螺釘1.04%已自制將各個(gè)主要部件固定，須適應(yīng)于極限負(fù)載電纜0.96%已自制在風(fēng)電場(chǎng)中將單機(jī)相連至子電站2、知識(shí)產(chǎn)權(quán)狀況和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)狀況由上表可以看出變槳距控制系統(tǒng)是確保風(fēng)機(jī)能量捕獲，合理抵抗載荷的基本設(shè)備。由于其在風(fēng)機(jī)整機(jī)中至關(guān)重要的作用，吏得目前能獨(dú)立提供產(chǎn)品的只有SEG和LUST兩家國外公司。國內(nèi)規(guī)?；钠髽I(yè)約有近10家，但均為組裝廠家，沒有核心技術(shù)，無法在同一水平線上競(jìng)爭(zhēng)。3、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展需求能源和環(huán)境是21世紀(jì)所關(guān)注的最重要的兩個(gè)主題。隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,必然引起石油、煤炭等自然資源枯竭、環(huán)境污染及地球溫室效應(yīng)的加重。人們必須把握經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境保護(hù)和能源供給這三位一體的“3E”之間的平衡關(guān)系。風(fēng)電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，在此時(shí)，能否控制成本將成為企業(yè)在激烈競(jìng)爭(zhēng)中能否勝出的關(guān)鍵。而控制成本的關(guān)鍵在于外購率，那些只做系統(tǒng)整合，而那些不能夠自己生產(chǎn)風(fēng)機(jī)主要零部件的企業(yè)，很難將成本降低。而那些可以制造發(fā)電機(jī)、葉片、齒輪箱、控制系統(tǒng)的企業(yè)，無疑在成本整合上更具優(yōu)勢(shì)。風(fēng)機(jī)制造企業(yè)需要不斷的提高自己的零部件自制率?？茖W(xué)技術(shù)價(jià)值、特色聯(lián)合研發(fā)國產(chǎn)大功率風(fēng)機(jī)新型變槳控制器的科學(xué)價(jià)值在于：掌握大功率風(fēng)機(jī)變槳控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)。掌握大載荷動(dòng)態(tài)位置換的控制算法。掌握大功率風(fēng)機(jī)變槳控制器的制造工藝。二、研究內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵1、 項(xiàng)目總目標(biāo)項(xiàng)目研究的總體目標(biāo)是研制一套適合工程應(yīng)用的產(chǎn)品化的大功率風(fēng)機(jī)變槳控制器系統(tǒng)。具有如下優(yōu)點(diǎn)：★精度高、響應(yīng)快速性能優(yōu)越。★同步齊、一致性好性能穩(wěn)定?！锝Y(jié)構(gòu)合理接口標(biāo)準(zhǔn)便于產(chǎn)業(yè)化★性價(jià)比合理便于商業(yè)化運(yùn)作。^CF'eOV/tFZ^OHz電池LL^88V/13UftH—電秋密測(cè)DC2-12、 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)⑴、驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)載荷的算法在經(jīng)典的算法中增加了加速度擾動(dòng)量，按照日本安川公司提供的大動(dòng)態(tài)載荷模型來完善算法，算法的基本流程如下圖所示:⑵、電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵在于將三個(gè)槳葉的電池充放電控制系統(tǒng)獨(dú)立，改變LUST的三個(gè)槳葉的電池充放電控制有一套系統(tǒng)分時(shí)完成的狀況，提高了緊急狀態(tài)下的安全系數(shù)。因?yàn)榻K歸有一個(gè)系統(tǒng)能讓槳葉回到順槳位置，使風(fēng)機(jī)回到安全狀態(tài)。充放電控制分為三種模式：主控命令、自動(dòng)監(jiān)控和手動(dòng)應(yīng)急。其功能框圖如下，狀態(tài)監(jiān)控的信號(hào)包括：電流、電壓、電池溫度、柜體溫度、主控命令要求、電池柜狀態(tài)、手動(dòng)應(yīng)急要求、充放電動(dòng)作、安全鏈信號(hào)等。⑶、安全鏈邏輯的控制流程安全鏈設(shè)計(jì)的原則有以下四條：★硬件主安全鏈有安全繼電器和PLC邏輯構(gòu)成?！镫姵貭顟B(tài)監(jiān)控器提供第二個(gè)獨(dú)立的安全回路（DC24V）★交流電源故障時(shí)，電池狀態(tài)監(jiān)控器提供直流電源。（DC24V）

★盡量少用電池能量，延長電池壽命。安全鏈邏輯框圖如下：▽▽⑷、組合安裝的工藝流程★防止任意旋轉(zhuǎn)時(shí)松動(dòng)緊固件。★模塊可以方便地整體拆卸?！锼胁考惭b必須考慮風(fēng)機(jī)特殊工況?！锼薪泳€按排必須與原使用系統(tǒng)保持一致?！锇惭b尺寸必須與原使用系統(tǒng)保持一致。3、 項(xiàng)目技術(shù)路線技術(shù)路線為以現(xiàn)有成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合國際交流合作的成果，通過聯(lián)合開發(fā)

形成樣機(jī)。最終獨(dú)立掌握關(guān)鍵技術(shù)。在上述的國際交流合作總則中，日本安川公司由于其驅(qū)動(dòng)技術(shù)特別是大動(dòng)態(tài)載荷模型算法在日本國內(nèi)及國際上的領(lǐng)先地位和大量國內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例（如寶鋼等）成為國際交流合作的首選對(duì)象。項(xiàng)目具體合作的技術(shù)路線如下：⑴、通過與日本安川國際交流合作，聯(lián)合開發(fā)變槳距控制的驅(qū)動(dòng)器核心技術(shù)——?jiǎng)討B(tài)載荷的模型算法。掌握算法模型的建立過程、運(yùn)算分析思路，動(dòng)態(tài)大載荷大慣量的處理方法。最終形成完整的算法和參數(shù)體系。⑵、通過與日本安川國際交流合作，由日本安川提供驅(qū)動(dòng)器的功率模塊，控制模塊自主設(shè)計(jì)，形成性價(jià)比極高的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)。⑶、電池組狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控采用成熟的磷酸鋰鐵電池，功率密度大，輸出瞬時(shí)功率強(qiáng)，形成可靠的后備電池系統(tǒng)。⑷、安全鏈控制采用成熟的PLC技術(shù)，主要由硬件來進(jìn)行安全鏈保護(hù)，以此作為確保系統(tǒng)安全的基本條件。⑸、組合安裝的工藝流程盡量參考成熟的國外產(chǎn)品，以嚴(yán)格的工藝和質(zhì)量控制來達(dá)到近乎苛刻的可靠性保證。項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)⑴、伺服驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)載荷算法,提高位置定位精度和響應(yīng)時(shí)間.在經(jīng)典的算法中增加了加速度擾動(dòng)量，按照日本安川公司提供的大動(dòng)態(tài)載荷模型來完善算法，算法實(shí)施的效果示意如下圖所示，左邊為實(shí)施前效果，右邊為實(shí)施后效果。⑵）、增加電池監(jiān)控的硬件保護(hù)體系,保護(hù)功能齊全、安全鏈冗余度大。電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵在于將三個(gè)槳葉的電池充放電控制系統(tǒng)獨(dú)立，改變LUST的三個(gè)槳葉的電池充放電控制有一套系統(tǒng)分時(shí)完成的狀況，提高了緊急狀態(tài)下的安全系數(shù)。因?yàn)榻K歸有一個(gè)系統(tǒng)能讓槳葉回到順槳位置，使風(fēng)機(jī)回到安全狀態(tài)。電池監(jiān)控功能包括：獨(dú)立充放電控制，24V冗余控制，直流電路轉(zhuǎn)換，獨(dú)立安全鏈回路。充放電回路互為冗余，互為監(jiān)控自動(dòng)切換主回路，安全可靠性強(qiáng)。電池監(jiān)控控制功能框圖如下（⑶、增加兩種總線結(jié)構(gòu),提高通訊的可靠性。采用雙總線(CAN/ProfiBus)冗余設(shè)計(jì)如下圖所示，避免了原先LUST的單總線(ProfiBus)不穩(wěn)定。1"CAN1CAN/Pro?CANIGAW/Pro1~~rCAN1控制器1#控制鑑2#控制器3#ttCAN4canIcani葩池監(jiān)控i#電池監(jiān)控2#OYN/Pio聲動(dòng)器1#驅(qū)動(dòng)器■<#霍動(dòng)器3#GAN/l^iu5、項(xiàng)目主要技術(shù)內(nèi)容(1)、驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)載荷的算法在經(jīng)典的算法中增加了加速度擾動(dòng)量，按照日本安川公司提供的大動(dòng)態(tài)載荷模型來完善算法，算法的基本流程如下圖所示:也置廩槪速度反幘也置廩槪速度反幘⑵)、電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控電池監(jiān)控功能包括：獨(dú)立充放電控制，24V冗余控制，直流電路轉(zhuǎn)換，獨(dú)立安全鏈回路。充放電回路互為冗余，互為監(jiān)控自動(dòng)切換主回路，安全可靠性強(qiáng)。充放電控制分為三種模式：主控命令、自動(dòng)監(jiān)控和手動(dòng)應(yīng)急。其功能框圖如

下，狀態(tài)監(jiān)控的信號(hào)包括：電流、電壓、電池溫度、柜體溫度、主控命令要求、電池柜狀態(tài)、手動(dòng)應(yīng)急要求、充放電動(dòng)作、安全鏈信號(hào)等。電池端子面必須確保任意旋轉(zhuǎn)時(shí)始終朝上。電池模塊可以方便地整體拆卸。所有部件安裝必須考慮風(fēng)機(jī)特殊工況。（⑶、安全鏈邏輯的控制流程安全鏈設(shè)計(jì)的原則有以下四條：★硬件主安全鏈有安全繼電器和PLC邏輯構(gòu)成?！镫姵貭顟B(tài)監(jiān)控器提供第二個(gè)獨(dú)立的安全回路?！锝涣麟娫垂收蠒r(shí)，電池狀態(tài)監(jiān)控器提供直流電源?！锉M量少用電池能量，延長電池壽命。安全鏈邏輯框圖如下：▽▽⑷、組合安裝的工藝流程★防止任意旋轉(zhuǎn)時(shí)松動(dòng)緊固件?！锬K可以方便地整體拆卸。所有部件安裝必須考慮風(fēng)機(jī)特殊工況。所有接線按排必須與原使用系統(tǒng)保持一致?！锇惭b尺寸必須與原使用系統(tǒng)保持一致。⑸、帶載測(cè)試平臺(tái)模擬主控應(yīng)能滿足如下功能：完成與變槳系統(tǒng)的通訊，要同時(shí)考慮Profibus和CANopen兩種通訊接口方式。給變槳系統(tǒng)發(fā)送變槳的位置，變槳速度等指令顯示變槳系統(tǒng)的各種狀態(tài)。加載驅(qū)動(dòng)控制器的功能：接收加載信號(hào)。把加載信號(hào)轉(zhuǎn)換成扭矩，并送給加載電機(jī)。接收扭矩傳感器的值，并顯示此值。接收加載電機(jī)的各種狀態(tài)值。葉片角度模擬和限位開關(guān)觸發(fā)裝置。為了使變槳帶載測(cè)試平臺(tái)更加真實(shí)，更能貼近實(shí)際的變槳運(yùn)行狀態(tài)。在此系統(tǒng)中增加了變槳限位開關(guān)觸發(fā)裝置和槳葉編碼器旋轉(zhuǎn)裝置。本裝置主要伺服驅(qū)動(dòng)器從控制器或