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15兆瓦机组变桨控制分析

浅谈1.5兆瓦机组变桨系统

姓名：

房宝光

专业：

电气工程及其自动化

入职时间：

2009年6月16日

摘要

风力发电机组是实现是由风能到机械能和机械能到电能两个能量转换过程的装置。

风轮系统是实现风能到机械能转换的装置，发电机和变流系统则实现了由机械能到电能能量转换过程。

通过对变桨系统和变流系统的控制实现了风力发电机组的安全可靠运行，同时高质量的将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电并入电网。

通过对变桨系统的控制，能有效的控制发电机组对风能的吸收，所以变桨系统的稳定性与可靠性是机组稳定运行关键。

关键词：

能量转换变桨系统变桨系统控制风能吸收

目录

摘要1

目录2

一、变桨距风力发电机组控制3

（一）发电机组的变桨距控制系统的介绍3

（二）变桨系统驱动原理的介绍4

二、变桨距风力发电机组控制方式分析5

三、变桨距执行机构6

（一）金风1.5兆瓦发电机组变桨系统机械主要元器件构成7

（二）金风1.5兆瓦发电机组变桨系统电气主要元器件构成7

四、变桨距系统在风力发电机组的重要性8

五、概括总结10

附录11

参考文献12

1.5兆瓦机组变桨距控制系统

一、变桨距风力发电机组控制方式

（一）发电机组的变桨距控制系统的介绍

金风1.5兆瓦发电机组的变桨距控制系统有两种控制方式，即并网前的桨距角控制和并网后功率控制。

由于发电机的功率和风轮的速度是严格的对应关系，所以通过对风轮的速度的控制也就实现了发电机的功率控制。

变桨距控制是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法，在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能的捕捉较多的风能，桨距角设定值设定在能够吸收最大功率的最优值，所以这时机组运行没有必要改变将距角，一般桨距角设定为零度附近，此时空气动力载荷通常比在额定风速之上时小。

在额定风速以上时，变桨距控制可以有效的调节风力发电机组吸收功率及叶轮产生的载荷，使其不超过设计的限定值。

因此为了达到了良好的效果，变桨距控制应该对风速变化的情况作出迅速的反应。

金风1.5兆瓦发电机组变桨距叶轮在叶片静止的时候（顺桨）桨距角为87°，这时气流对叶片基本不产生向上的力矩作用，实际上整个叶片相当于一块阻尼板。

当风速达到了额定启动风速时，变桨系统自动向0°调节桨距角，当风速持续10分钟超过3m/s，风机将自动启动，图1-1所示。

当叶轮转速大于9转／分时自动并入电网。

当随着风速的增加，发电机的功率也随之增加，当风速达到11.7m/s时，发电机达到额定功率。

在风速超出额定风速时机组通过变桨系统对机组进行恒功率控制，如图1-2所示。

当风速超过22m/s并持续10分钟，将实现正常刹车，变桨系统控制叶片顺桨。

当转速低于切入转速9转/分时，风力发电机组脱网。

根据给定速度的参考值，调整桨距角就达到了控制功率的目的。

图1-1风力发电机组启动，停止状态

风速m/s

功率kW

3

19.6

4

74.5

5

153.9

6

272.1

7

437.3

8

658.1

9

932.2

10

1220

11

1490

12

1500

13

1500

14

1500

15

1500

16

1500

17

1500

18

1500

19

1500

20

1500

21

1500

22

1500

图1-2变桨距发电机组功率曲线图

（二）变桨系统驱动原理的介绍

变桨距控制主要是通过叶片和轮毂之间的轴承机构的转动叶片来改变桨距角，由此来减小作用在叶片的提升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。

变桨电控系统主电路采用交流-----直流----交流回路，变桨电机采用交流异步电机（见图1-3变桨驱动原理图）。

变桨电机为变桨系统提供扭矩，变桨系统减速器把扭矩增大约100倍后，通过另一端的变桨小齿轮（小齿轮上固定一个齿形带，齿形带与叶片上的变桨轴承相连接），把力传递到变桨轴承上面，使变桨轴承旋转，从而改变叶片迎风角度。

变桨速率或变桨电机转速的调节，采用闭环频率控制。

相比采用直流电机调速的变桨控制系统，在保证调速性能的前提下，避免了直流电机存在碳刷容易磨损，维护工作量大、成本增加的缺点。

变桨传动采用齿形带传动，变桨平稳，无需润滑，结构简单，寿命长。

每个叶片的变桨控制柜，都配备一套由超级电容组成的备用电源，超级电容储备的能量，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足以使叶片以10°/s的速率，从0°顺桨到90°三次。

当来自滑环的电网电压掉电时，备用电源直接给变桨控制系统供电，仍可保证整套变桨电控系统正常工作。

当超级电容电压低于软件设定值，主控在控制风机停机的同时，还会报电网电压掉电故障。

图1-3变桨系统与系统控制关系图

二、变桨距风力发电机组控制方式分析

1、在额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，这样可以跟踪最优Cp。

额定风速以下阶段:

要实现的主要目标是吸收尽可能多的风能。

Cp越大，吸收的风能越多。

由于额定风速以下风速较小，所以没必要变桨，只需将叶片角度设置为规定的最小将距角。

2、在额定风速以上通过扭矩控制器及变桨控制器的共同作用，使得功率、扭矩相对平稳，功率曲线较好。

（图1-2示）

额定风速以上阶段：

变速控制器和变桨控制器共同作用。

通过变速控制器即控制发电机的扭矩使其恒定，从而恒定功率。

通过变桨调节发电机转速，使其始终跟踪发电机转速的设定值。

下图（2-1）为金风1.5兆瓦发电机组发电机转速与扭矩对照图：

图2-1金风1.5兆瓦发电机组发电机转速与扭矩对照图

三、变桨距执行机构

变桨距风力发电机组控制系统中的一个重要组成部分是变桨距执行机构。

通常采用液压执行机构和电动执行机构。

液压执行机构通常采取控制比例阀的手段来控制流向执行机构的液压油压力达到控制的目的。

在液压阀打开的时候，液压油流动速率会被设置为与要求的变桨距速度成一定的比例。

这种要求的变桨速率是从发电机组控制器得到的，或是在变桨位置反馈环中得到。

在这种情况下，风力发电机控制器生成一个要求的变桨位置控制信号。

与测量所得到的变桨距位置相比，位置误差信号通过快速的PI或PID控制环转换为变桨速率而被设定，通常是通过模拟电路来实现此功能。

在使用电动执行机构的情况下，发电机的控制器通常需要个转矩给定信号。

这个信号通常是由一个速度控制器给出，速度传感器将速度误差经过一个快速PI或PID控制器之后得到了转矩给定信号，而速度给定信号可以直接从风力发电机组控制器得到或是从一个位置反馈环中得到。

下面主要介绍金风1.5兆瓦发电机组电动变桨执行机构。

（一）金风1.5兆瓦发电机组变桨系统机械主要元器件构成

1、变桨电机：

变桨电机是为变桨减速器提供扭矩，带动变桨减速器工作。

2、变桨减速器：

变桨减速器为3级行星减速机构。

是将变桨电机传递过来的扭矩增大，然后带动齿形带，使叶片向所需的方向变桨。

3、变桨轴承：

为双排四点接触球轴承，带有一定的阻尼力矩，外圈与叶片相连，带动叶片转动。

4、变桨控制柜：

变桨控制柜是控制变桨电机和变桨减速器带动叶片，从而控制叶片的桨距角。

下图为变桨系统整体示意图：

图3-1变桨系统的硬件构成

（二）金风1.5兆瓦发电机组变桨系统电气主要元器件构成

1、开关电源（NG5）

功能：

将50HZ线电压400V（三相）交流电输入转换为60V直流电输出。

•型号：

ZivanBatteryChargerNG5

•输入电压：

400VAC（+/-15%）

•输出电压：

60VDC

•输出电流：

80ADC

2、变桨变频器（AC2）

功能：

将60VDC转换成三相频率可变的29VAC

•电力电子器件：

MOSFET

•开关频率：

8kHz

•额定直流输入电压：

60VDC

•最大输出电流：

450A

3、超级电容

功能：

当来自滑环电掉电时，超级电容直接给变桨控制系统供电，保障变桨电控系统能够正常工作。

•型号：

4-BMOD2600-6

•额定电压：

60VDC

•总容量：

125F

•总存储能量：

150kJ

4、A10自制模块

功能：

采集超级电容高低电压；

5、BC3150及beckoff模块

功能：

每个变桨控制柜内都有一个总线控制器BC3150，它是每个变桨控制系统的核心，其内部有变桨控制程序。

此程序一方面负责变桨控制系统与主控系统控制器之间的通讯，另一方面负责变桨控制系统外围信号的采集处理和对变桨执行机构的控制。

beckoff模块负责对外围模拟量和数字量信号的采集。

6、温度检测（PT100）

功能：

这种温度传感器利用导体铂的电阻随温度的变化而变化的特性来对外围温度信号的采集。

外部驱动及检测部分

1、变桨电机

2、旋转编码器

3、温度检测（PT100）

4、0°接近开关、87°接近开关及90°限位开关

四、变桨距系统在风力发电机组的重要性

变桨控制系统在整个风机控制系统中所起作用是至关重要的，而风力发电机组大部分电气故障都会来源于变桨安全链或是外部安全链故障，其中现场出现的限位开关冲限位故障、旋转编码器溢出故障、变桨变频器OK信号丢失、变桨位置传感器位置故障、变桨位置传感器位置范围故障等故障发生比较频繁，变桨控制柜中的PLC模拟量或数字量模块也时而损坏，变桨控制柜中开关电源（NG5）和变桨变频器出故障也比较多，并且更换器件也比较麻烦。

另外，由于变桨变频器（AC2）中所刷的程序有可能不同，在安装的时候要确定AC2中的程序时否是现场机组型号所需的程序，例如，在双辽现场中风力发电机组的型号为82/1500，在安装了新的变桨变频器时候发现三个叶片的变桨速度不统一，一个叶片的变桨速度明显比另两个叶片速度快，这个时候就要更换变桨变频器，拆装比较麻烦，浪费了大量的人力物力。

在安装变桨变频器的时候，程序不同造成另一个严重的后果是由于77叶片和82叶片变桨受力不同，造成了变桨柜支架断裂，鉴于上述，在更换变桨变频器时需特别注意。

在变桨系统维护过程中，定期检查变桨控制支架链接螺栓和所有附件链接螺栓是否有松动，定期检查与变桨控制柜相连的电缆，接头是否牢固，是否磨损，由于东北片区的风沙比较大，灰尘也比较多，在双辽现场在扭动手/自动转换开关和变桨控制柜电源开关会有沙沙的响声，影响了变桨控制柜的正常工作，在平时的维护过程中要定期的除沙，除尘。

在维护的过程中也要注意变桨系统的限位开关和接近开关是否正常。

也许就是因为这些小小的细节，我们可能付出大量人力去寻找这些细节故障。

针对白山现场对机组的87度接近开关的改造，可以从下面两点考虑：

1、安全性更高。

基于5度接近开关时判断叶片位置的辅助装置，当有一种情况是非常危险的，旋转编码器在停机的时候损坏，旋转编码器在主控界面显示的87度，但叶片的角度是小于87度的某个位置，此后，如果现场人员进入导流罩里工作，叶片很有可能向87度方向顺桨，造成人员的伤害。

在安装了87度限位开关后，虽然旋转编码器有可能损坏，但87度接近开关未动作，这就可以判断叶片实际未真的到了87度，这样就在进入导流罩里能避开有故障的叶片，87度接近开关在这个时候就能起到了关键的作用。

2、减少了冲限位的次数。

由于变桨电机后面的旋转编码器是变桨系统测量叶片位置唯一装置，所有检测到的旋转编码器故障都会去冲限位开关故障，而有些故障是干扰或是短时的错误，器件本身和变桨机械系统都没有故障，这样在增加了87度接近开关后，只要此接近开关正常工作，若再次发生与旋转编码器的故障，叶片就会自动停在87度附近，不会去冲限位，现场人员在判断出不是器件本身或是机械系统的故障后，可以直接复位启机，省去了大量的维护时间。

概括总结

经过在现场近3个月的学习，对变桨系统有了一定的了解，变桨系统作为风力发电机组核心系统，它的可靠性、稳定性很大程度上决定了机组是否能够平稳运行，所以维护好变桨系统是我们工作的重中之重，而对于变桨系统中出现较频繁的故障，我们也在不断在寻找可能够解决的途径，也希望能够达到一劳永逸的效果，当然，工作还有很多地方需要我们进行改进，这就需要我们在平时的工作中细心地发现细节，提出改善，使我们的维护工作更加到位。

附录：

参考文献：

1、《风能技术》，科学出版社，2009.1

2、《风电场工程技术手册》，2007.3

3、《金风1.5MW风力发电机组的安全系统介绍》，2008.3