1.5MW水平轴风电机组变桨距系统设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述1.背景能源问题是目前人类所面临的重大问题之一.随着煤、石油、天然气等传统化石能源的日益枯竭和全球气候变暖问题的日益严重，风能作为一种绿色无污染、取之不尽用之不竭的能源，在电力行业的比重不断增加.[1]而作为发电装置的风力发电机组的研发也是备受关注.变桨距系统是风力发电机组的重要组成部分，承担着风电机组转速控制、发电功率调节、保证运行安全稳定、实现风能利用率最大化等重要功能.[2-5]变桨控制技术的发展一直伴随着风电系统技术的发展.2.依据和理由水平轴风电机组变桨距机构的主要特征是风轮叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角的调节.当风速超过额定风速时，通过改变叶片桨距角，可改变叶片的升力与阻力比，从而实现功率控制；当风速超过切出风速或风电机组出现运行故障时，迅速将桨距角从工作角度调整到顺桨状态，以实现紧急制动.[6]3.变桨距 变桨距是指风力发电机安装在轮毂上的叶片借助控制技术和动力系统改变桨距角的大小，改变叶片气动特性.变桨距机构就是在额定风速以上，根据风速的变化随时调节桨距角，控制吸收的机械能，一方面保证获取最大的能量(与额定功率对应)，同时减少风力对风力机的冲击.[7-9]变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，起动和制动性能好，风能利用系数高，在额定功率点以上输出功率稳定.[10]所以，大型和特大型风力发电机组多采用变桨距形式.4.变桨系统的组成变桨系统中，主要有变桨控制器、变桨驱动器、变桨减速机和电机，以及备用电源等部件.控制回路：[11]变桨控制器有两部分，其中一部分布置在塔底主控制器中，主要功能是计算最优化的目标桨距角，是变桨系统的运算核心部分.另一部分布置在机组轮毂中，主要功能是监测变桨驱动器和电机的状态量和故障点，检测桨距角位置反馈，以及接受主控制器的桨距角指令.变桨驱动器是驱动变桨电机的执行机构，接受变桨控制器，驱动电机到指定桨距角位置.变桨备用电源采用超级电容，电容并联在变桨驱动器的直流母线上.电力供应正常时，直流母线给电容充电；当外部供电断开时，电容给驱动器直流母线直接供电，经驱动器逆变单元逆变后驱动变桨电机收桨停机，机组进入安全停机状态.[12-14]5.变桨距系统软件设计5.1桨距角计算程序桨距角计算是变桨控制软件的最重要部分，此部分软件与机组控制策略有密切关联，需具备以下功能：（1）与轮毂变桨控制器进行数据交换，接收轮毂内各传感器状态参数，包括桨距角反馈，驱动器状态代码，以及轮毂内故障代码，同时下达变桨角度指令。

（2）根据风速、转速、功率和当前桨距角计算下一时刻变桨角度，实时跟踪最佳功率曲线，使风能利用率达到最大值.[15]5.2变桨驱动程序变桨驱动程序在轮毂控制器中运行，主要的功能 如下： （1）采集变桨驱动器和驱动电机状态信号，包括 驱动器输出电压、电流、频率、功率、温度等；驱动 电机电压、电流、转速、温度等.（2）采集桨距角信号，做伺服控制：软件采集桨叶根部安装的位置编码器信号，确定当前桨距角，与目标桨距角做差，进行闭环控制，使变桨电机带动桨叶达到目标桨距角.（3）紧急停机和安全保护：当机组安全链断开或通信信息中断时，变桨系统须起动紧急停机保护流程，直接控制变桨驱动器工作，以最大速率将桨叶收桨到 90停机位置，保证机组安全.[16-17]5.3软件实现过程变桨控制软件包括角度计算程序和变桨机构执行程序，软件执行步骤如下： （1）机组进入待机状态风电机组起动前，主控系统对机组的各部件进行状态检测，在系统无故障后对变桨系统下达待机命令，变桨系统进入待机状态.（2）机组起动和运行当风速大于起动风速 3m/s 时，主控向变桨系统下达开机命令，变桨系统起动，由于发电机惯性较大，需要较大的起动力矩，经计算，桨距角在 30位置附近时，起动力矩较大。

因此变桨系统控制桨距角在 30位置，机组开始空转，等待机组转速升高至 2r/min，发电变流器网侧并网.发电变流器网侧并网成功后，变桨系统向 0 度桨距角位置继续开桨，风轮机和发电机转速快速升高，发电机转速超过6r/min 时，发电变流器机侧并网，机组进入发电状态.[18-20]6.变桨系统工作原理变桨系统有两种类型：一种是电动型，以伺服电机驱动齿轮实现变桨调节功能;另一种是液压型，以液体压力驱动执行机构.电动变桨系统可以使3个叶片实现独立变桨，它提供给风力发电机组功率输出和足够的刹车制动能力.这样可以避免过载对风机的破坏.主控制器与轮毂内的控制柜通过现场总线通信，达到控制3个独立变桨装置的目的.主控制器根据风速、发电机功率和转速等，把指令信号发送至电动变桨系统；电动变桨系统把实际值和运行状态反馈至主控制器，实现变桨控制.[21]液压变桨的控制原理就是控制系统通过检测信号驱动液压系统，使液压系统变桨缸直接运行，从而通过一个运动装置将直线运动变为圆周运动，来推动带有轴承的叶片转动，实现调节桨距角的目的.对于小功率的风力发电机一般采用统一变桨控制，也就是说利用一个液压执行机构控制整个风机的所有叶片变桨，但对于大功率风力发电机采用独立变奖机构，每个液压执行机构去单独控制每个叶片的桨距角达到控制的准确性和一致性.机组-旦发生故障，这种设计可以有效地使风力发电机从满载过渡到安全状态，实现叶片的顺桨停机，从而保护了机组的安全.[22-25]7.运行阶段7.1 起动阶段变桨控制风电机组起动前，对各设备和传感器进行检测，达到起动要求后，进入待机状态，变桨系统等待主控制系统下达变桨命令.风速在起动风速以下时，桨距角为 90，桨叶相当于阻尼板，风电机组不起动.当风速超过起动风速时，主控系统下达启机命令，进行偏航对风、变流器网侧并网，网侧并网完成后下达变桨指令，当桨叶到达 30左右时，气流对叶片产生较大的推力，风轮机转速开始上升，当转速大于3r/min时，变桨系统根据并网转速控制桨距角，使风轮机逐渐升速，此过程桨距角逐渐减小，风机转速逐渐上升，当机组转速达到并网转速左右时，变流器机侧并网，机组开始发电.[26-28]7.2 并网后变桨控制在额定风速以下，风电机组桨距角通常在 0附近运行，此时风能利用率最高.但在超额定风速状态下，由于机组机械结构和强度的限制，风轮机转速必须低于某一极限转速.当转速超过极限转速时，机组各部件的机械性能降低，疲劳强度加大，严重可引发安全问题.所以，在额定风速以上的运行工况时，必须降低风能利用率，采用变桨距控制来调节叶尖速比以控制风能的获取，使机组的转速和功率在额定值附近波动.[29]额定风速以上时，主控制系统根据发电机输出功率控制变桨角度，功率输出大于额定功率时，桨叶进行收桨控制，反之则进行开桨控制，由于风速波动很大，风电功率正比于风速的三次方，桨距角和风速为非线性关系.所以，在不同的初始桨距角位置，即使桨角度差值相同，功率变化差别也会很大.[30]

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

设计过程会遇到的问题：1.水平轴风力发电机组变桨距系统的规划2.水平轴风力发电机组变桨距系统设计载荷的确定3.水平轴风力发电机组驱动机构设计4.水平轴风力发电机组制动机构设计5.水平轴风力发电机组软件设计解决方法1.变桨系统规划1.1驱动装置的选择液压与电动对比：项目 电动系统 液压系统桨距调节 响应速度快 响应速度慢紧急情况下的保护 储存能量大 储存能量小使用寿命 蓄电池的使用寿命大约3年 蓄能器的使用寿命大约6年外部配套需求 占用空间较大 占用空间小环境清洁 机舱和轮毂内部清洁 容易漏油，内部有油污维护 易维护 维护困难 通过对比，选用电动变桨系统.1.2叶片调节方式的选择独立变桨系统：3个叶片的驱动由3个相同的驱动装置驱动，叶片之间的桨距角调节是相互独立的.它需要3套控制系统，成本较高，但结构紧凑、控制灵活、安全可靠，在现代风力发电机组中采用的较为普遍.1.3变桨控制方法的选择采用PLC作为控制器，传统的PID算法来实现对变桨角的控制.对应风速的两个运行范围，设计两个不同的控制器，风速在切入风速和额定风速之间变化时，以发电机转速作为控制输入量，根据转速传感器测得的转速信号，由PLC发出驱动信号，控制发电机转速变化，使得叶尖速比维持在最佳值不变，同时保持叶片浆距角为0，使得风力机追踪最佳功率曲线，具有最高的风能转换效率.风速在额定风速和切出风速之间变化时，以发电机转速作为控制输入量，根据转速传感器测得的发电机转速信号，有PLC发出驱动信号，使得变桨距机构动作来调节叶片浆距.2.设计载荷的确定2.1空气动力在变桨过程中，空气动力的方向是变化的.一般来说，开桨时为制动力，顺桨时为驱动力.2.2重力重力也是时变的，它与叶片的位置有关.叶片处于垂直状态时，重力为零;叶片水平时，重力最大.2.3摩擦力摩擦力总是制动力.可以分为两部分：一部分是粘性摩擦力，与变桨转速有关；一部分是库仑摩擦力，与变桨转速无关.3.驱动机构设计电力驱动机构主要由电动机、减速器、驱动齿轮、变距球轴承（其内环带内齿圈）、吊耳、连接件、支撑板、控制柜及编码器等构成.变距球轴承的内环或外环通过螺纹连接件，分别与风轮叶片根部端面或轮毂的凸台相连，同轴的电动机和减速器插人轮毂的支撑件的孔中，通过螺纹连接件固定在该支撑件上，同时在减速器的输出轴端装配驱动齿轮，使其与变距球轴承的内齿圈啮合，从而实现调节风轮叶片的桨距角.4.制动机构设计4.1空气动力制动主要由顺桨来实现，同时还配有备用的变距蓄电池，以便紧急需要时使用.4.2机械制动对于大型的风力发电机组，机械制动多置于高速轴.原因是高速轴制动要求的制动力矩相对较低.5.软件设计①开机：变桨系统上电，启动人机界面系统自检，当安全链吸合 、电网电压正常时， 则自启动，完成后人机界面显示各变量正常值，进入待机模式 ②待机：待机界面可手动选择进入正常模式或手动模式，该模式下桨叶从顺桨位置朝0度转动，风轮启动，等待并网 ③正常模式：系统无故障且电网电压正常时，风机主控计算β，变桨系统驱动桨叶转至该角度，若电机尚未完成变桨命令，β突然发生变化时，电机应停止当前工作周期，执行下一个β命令，保证变桨系统的实时性 ④手动模式：变桨控制器出现故障时，维护人员需到轮毅内维护，此时系统抱闸停机， 手动模式下一旦安全链信号检测到未吸合，则立刻切换到紧急模式2以保证维护人员的安全 ⑤紧急模式1:该状态主要应对一般故障,由风机主控或变桨控制器直接发送紧急模式1命令.这些故障通常不会导致风机出现严重危险,可通过重新启动排除故障,若故障仍 存在,则切换至紧急模式2，然后由维修人员现场维修 ⑥紧急模式2：当出现如安全链未吸合 、自启动失败 、主控发送严重错误命令等危及风机安全的严重故障时，变桨系统切换到该模式，变桨电机驱动桨叶快速顺桨以确保人员和设备安全.