1.5MW风力发电机组变浆系统培训教材

中国国电 CHINA GUODIAN 国电联合动力 培训中心 GUODIAN UNITED POWER 1.5MW风力发电机组变浆系统培训教材国电联合动力技术有限公司（内部资料严禁外泄）1 概述 风轮：风轮一般由叶片、轮毂、盖板、连接螺栓组件和导流罩组成。风轮是风力机最关键的部件，是它把空气动力能转变成机械能。大多数风力机的风轮由三个叶片组成。叶片材料有木质、铝合金、玻璃钢等。风轮在出厂前经过试装和静平衡试验，风轮的叶片不能互换，有的厂家叶片与轮毂之间有安装标记，组装时按标记固定叶片。组装风轮时要注意叶片的旋转方向，一般都是顺时针。固定扭矩要符合说明书的要求。风轮的工作原理：风轮产生的功率与空气的密度成正比。风轮产生的功率与风轮直径的平方成正比；风轮产生的功率与风速的立方成正比；风轮产生的功率与风轮的效率成正比。风力发电机风轮的效率一般在0.350.45之间(理论上最大值为0.593)。贝兹（Betz）极限风机四种不同的控制方式:1. 定速定浆距控制(Fixed speed stall regulated)发电机直接连到恒定频率的电网,在发电时不进行空气动力学控制2. 定速变浆距控制(Fixed speed pitch regulated)发电机直接连到恒定频率的电网,在大风时浆距控制用于调节功率3. 变速定浆距控制(Variable speed stall regulated)变频器将发电机和电网去耦(decouples),允许转子速度通过控制发电机的反力矩改变.在大风时,减慢转子直到空气动力学失速限制功率到期望的水平.4. 变速变浆距控制(Variable speed pitch regulated)变频器将发电机和电网去耦(decouples), 允许通过控制发电机的反力矩改变转子速度.在大风时,保持力矩, 浆距控制用于调节功率.双馈风机 二基本知识三变桨系统工程实例1控制箱主控柜是风机变浆系统的核心，主控柜控制着风机的三个电池的充放电，接受从主控发过来的命令，通过自带的PLC计算得出要调节的角度，将命令下发给三个轴柜，整个风机的安全链和通讯都集中在主控柜里面 2轴箱风力发电机的三个轴柜分别控制三个交直流电机，调节叶片的角度等。3蓄电池箱轮毂中变桨控制柜实际照片，周边三个兰色的是变桨伺服电机将电池柜、配电柜用支架固定在图中所示的位置编码器变桨角度限位开关带加热装置的超声波矢量风速风向仪，侧面为航空警示灯。风电设备项目浇铸式滑环系统具有高转速、结构精巧，尤其是可行的执行件和外直径的比例优化以及耐振性强等特性。浇铸式滑环系统有碳弹簧丝和金弹簧丝两种型号可供选用。结构精巧基础上的高度集成是带有金弹簧丝刷的滑环系统的显著特点。通常应用于机床设备、绞线机和风电系统中。浇铸式滑环系统，30 路 - 金弹簧丝型号信号传输滑轨的其中三个是设计用来与接口 RS485 进行串行连接。电缆铺设至滑环系统的插头上。在滑环系统的定子上特意安有相应的接线端。滑环系统设计用于 -20C 至 +50C 环境温度下，以及 0 至 30 转/分钟转速下。功率部件和信号部件都具有浇铸式滑环系统。功率部件的传输通过碳滑环系统实现。而信号部件则通过金弹簧丝型号实现。碳和金弹簧丝型号的滑环系统组件金弹簧丝型号的浇铸式滑环系统设计用于 -20C 至 +50C 环境温度下。滑环系统接触元件的使用寿命可达五千万转。技术规格浇铸式滑环系统，30 路 - 金弹簧丝型号2 路400 V 直流电，50 A3 路230 V，10 A2 路24 V 直流电，7.5 A24 路24 V 直流电，1 A碳和金弹簧丝型号的滑环系统组件5 路400 V 交流电，80 A4 路230 V 交流电，16 A6 路24 V 交流电，16 A15 路24 V 交流电，1 A 四 “1.5MW变桨伺服控制系统”的开发设计 近年来，由于油价一路攀升,发展风能等清洁再生能源越来越受到国家的重视和大力扶持.按照国家规划，未来年我国风电设备市场份额将高达亿元至亿元.另一方面,由于我国风电设备制造尚处于起步阶段, 国内风电设备的产能偏小,无奈只能化高价购买进口风机和部件,严重影响了我国风电行业的快速发展.就电变浆伺服控制系统而言,目前尚未有国产电变桨控制系统的报道,国内大型风机几乎均采用国外进口产品.由于进口产品价格高(每套变桨系统约需3540万人民币),订货周期长,同时国家发改委关于风电建设管理有关要求的通知中明确规定：风电设备国产化率要达到以上，不满足设备国产化率要求的风电场不允许建设.因此风电设备的国产化已是大势所趋当务之急,也是风电设备制造厂商责无旁贷的责任. 技术分析 变桨距风力发电机组的风轮浆叶可以有以下几种工作状态:1. 静止状态: 变距风轮的浆叶在静止时,节距角为90,这时气流对浆叶不产生转矩.2. 起动状态:当风速达到起动风速时,控制系统控制浆叶向0方向转动,直到气流对浆叶产生一定的攻角, 风轮开始起动(一般先调节桨距角到45，当转速达到一定时，再调节到0，直到风力机达到额定转速并网发电).3. 并网发电:为确保并网平稳,对电网产生尽可能小的冲击,变浆距系统可以在一定时间内,保持发电机转速在同步转速附近,以便寻找最佳时机并网(例如在同步转速10 r/min内持续1S, 发电机切入电网).4. 额定功率以下运行:传统的控制方法是在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0位置不变，不作任何调节；另一种方法是采用以Vestas为代表的所谓OptitiP技术，即根据风速的大小，按照最佳叶尖速比曲线确定叶片的节距角，优化输出功率。5. 额定功率运行时:当风速达到或超过额定风速后,发电机机组进入额定功率状态，变浆控制系统根据发电机输出功率的变化调整桨距角的大小，浆叶节距朝迎风面积减小或增大的方向转动一个角度,使发电机的输出功率保持在额定功率。6. 脱网:当风力发电机需要脱离电网时, 变浆系统可以先转动叶片,使发电机减小输出功率,当功率减小到0时, 发电机从电网脱开,以避免发电机突甩负载的过程.7. 紧急停机:如遇到电网突然断电或其它紧急情况停机, 变浆伺服系统可以通过自备的UPS短暂供电,以便变浆系统完成收浆及采取予定的其它安全措施.开发内容: 根据以上分析,变浆伺服系统应包括如下内容:伺服电机(带码盘)-(外购)伺服驱动系统-(采用通用伺服系统改造)伺服控制系统-(采用PLC控制,自行设计和制作)现场总线接口和通讯协议- (与主控制器通讯,接收主控制器给出的目标位 置定位速度和转动方向等给定值,同时将变浆伺服系统的运行参数和运行状态发送给主控制器)UPS电源-(UPS电源及电池充电控制电池状态监视,紧急情况下电池供电运行相关的管理.-选购或自行设计制作)几种的变桨系统比较变桨系统是现代大型风机的重要组成部分. 变桨伺服控制系统作为风力发电控制系统的外环,在风力发电机组的控制中起着十分重要的作用.它控制风力发电机组的叶片节距角可以随风速的大小进行自动调节.在低风速起动时,桨叶节距可以转到合适的角度,使风轮具有最大的起动力矩;当风速过高时,通过调整桨叶节距,改变气流对叶片的攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩,使发电机功率输出保持稳定.电变桨伺服控制系统是一个闭环控制的专用伺服系统,根据所用电机可以分为直流伺服和交流伺服两种类型. 直流型电变桨伺服控制系统(以SSB生产的直流型变桨伺服控制系统为例)变桨系统主要由PLC可逆直流调速装置直流电机绝对式位置编码器等组成,并由蓄电池作为后备电源. PLC组成变浆的控制系统,它通过现场总线(例如CAN总线)和主控制系统通信,接受主控制系统的指令(主要是桨叶转动的速度和角度指令),并控制可逆直流调速装置驱动直流电机,带动桨叶朝要求的方向和角度转动,同时PLC还负责蓄电池的充电控制蓄电池电压的监控等辅助控制. SSB的直流型变桨系统主要由以下特点: 采用串激直流电机,起动力矩大.对于转动重达数吨直径数十米的叶片有好处; 由于采用直流无级调速,低速性能好; 不允许空载运行,否则会引起“飞车”; 电机有碳刷,维修困难; 加后备电池比较方便.交流型电变桨伺服控制系统(以LUST生产的交流型变桨伺服控制系统为例)变桨系统主要由PLC交流伺服系统交流伺服电机绝对式位置编码器等组成,并由UPS作为后备电源.控制原理与直流型大同小异.LUST的交流型变桨系统主要由以下特点: 采用交流永磁同步电机或交流异步电机,结构简单维修工作量小; 代表了伺服控制系统的发展方向; 必须加UPS;以便在电网突然断电或其它紧急情况停机时, 变桨伺服系统可以通过自备的UPS短暂供电,使变桨系统完成收桨及采取予定的其它安全措施.设计方案 通过以上分析,我们可以知道,变桨系统主要由用PLC作控制器的变桨控制系统利用编码器构成位置闭环的伺服驱动系统和通过减速齿轮转动浆叶的伺服电机等组成.结构上分成一个控制箱三个轴箱三个蓄电池箱共七个电气箱.在方案设计时我们遵循以下几点:1 尽量利用市场上现有的成熟产品,进行应用性开发(例如变桨伺服系统,我们准备采用通用伺服系统改造的办法,而不是自己来开发一套伺服驱动系统);2 一方面我们要在消化吸收的基础上,参考借鉴国外同类产品的设计,另一方面也不能完全照搬仿造,必须根据我们的实际情况进行电路设计和元器件选型;3 具备与国外同类产品相同的功能,性能满足风力发电机的要求;4 采用与国外同类产品相同的总线接口和通讯协议;5 外形尺寸和安装方式与国外同类产品具有互换性.根据以上几点,我们分别设计了直流和交流两种变桨控制系统的技术方案,现分述如下: 直流型电变桨伺服控制系统直流型电变桨伺服控制系统的电气原理图见附图1图3所示.变桨控制器采用西门子S7300型PLC,其软件和硬件配置见附图7.其他主要部件及开发方式如下:1.直流伺服电机-(选购.带一个测速发电机和二个绝对值位置编码器,分别用作速度反馈和位置反馈)2. 直流伺服驱动系统- (采用通用直流伺服系统改造及设置伺服驱动器参数)3. 伺服控制系统-(采用PLC作控制器,自行进行端口配置和控制程序设计,包括选定现场总线接口类型确定通讯内容和通讯协议)4. 蓄电池-(确定电池电压及Ah数并选购)5. 充电机及电池状态监控-(选购或自行开发)交流型电变桨伺服控制系统交流型电变桨伺服控制系统的电气原理图见附图4图6所示. 变桨控制器采用西门子S7300型PLC,其软件和硬件配置见附图7.其他主要部件及开发方如下:1.交流伺服电机-(选购.带二个绝对值位置编码,分别用作速度反馈和位置反馈,同时便于消除例如由机械间隙引起的定位误差.)2. 交流伺服驱动系统- (采用通用交流伺服系统改造及设置伺服驱动器参数)3. 伺服控制系统-(采用PLC作控制器,自行进行端口配置和控制程序设计, 包括选定现场总线接口类型确定通讯内容和通讯协议)4.UPS电源-(选购)5.充电机及电池状态监控-(选购或自行开发)主要技术性能指标: 伺服电机8. 额定转速 2000 rpm9. 额定输出电流 17A10. 额定转矩 16.0 Nm11. 电源电压 三相AC380V12. 绝缘等级 F级13. 冷却方式 自然冷却14. 防护等级 IP6415. 环境温度 25409.制动装置 选件10.编码器 绝对值位置编码器 伺服驱动系统1.额定输出功率 7.5KW2.额定输出电流 24A3.额定输出电压 30-400V(AC)4.输入电压 3AC380V(2510)5.过载能力 43A/30秒6.冷却方式 散热器外置自然冷却7.防护等级 IP24或更高8.环境温度 25409.制动电阻 外加10.配置现场总线 CAN总线11.保护功能 电机三相短路保护过载保护电源过压保护电源欠压保护电机超速保护等. UPS电源 电网停电后保持供电1分钟,瞬时切换. 注:其中电机转速和输出转矩需总体设计确认或提供准确的数据.开发步骤 1.工程化设计(包括分别设计控制箱及轴箱主回路和控制回路的电气原理图元器件排列布置图接线表); 2.元器件选型并提出材料清单; 3.控制箱结构设计;(该项设计需领导另行安排人员进行) 4.编制PLC控制程序和通讯程序; 5.伺服系统参数整定及模拟调试; 6.现场调试 7.改进设计并定型30办公地点：保定市风能街88号 邮政编码：071051办公电话：0312-3171000办公传真：0312-3171900