风机变桨控制系统简介

风力发电机组变桨系统介绍
一．风力发电机组概述双馈风机
1.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﹑与风轮直径的平方成正比﹑与风速的立方成正比.风力发电机风轮的效率一般在0.35—0.45之间(理论上最
大值为0.593)。

贝兹（Betz）极限
2.发电机与齿轮箱
双馈异步发电机
变频同步发电机
同步发电机---风力发电机中很少采用(造价高﹑并网困难)
(同步发电机在并网时必须要有同期检测装置来比较发电机侧和系统侧的
频率﹑电压﹑相位,对风力发电机进行调整,使发电机发出电能的频率与系
统一致;操作自动电压调压器将发电机电压调整到与系统电压相一致;同时,
微调风力机的转速,从周期检测盘上监视,使发电机的电压与与系统的电压
相位相吻合,就在频率﹑电压﹑相位同时一致的瞬间,合上断路器,将风力发
电机并入电网.)
永磁发电机---是一种将普通同步发电机的转子改变成永磁结构的发电机.组.
异步发电机---是异步电机处于发电状态,从其激励方式有电网电源励磁(他励)发电和并联电容自励(自励)发电两种情况.
电网电源励磁(他励)发电是将异步电机接到电网上, 电机内的定子绕组产
生以同步转速转动的旋转磁场,再用原动机拖动,使转子转速大于同步转速,
电网提供的磁力矩的方向必定与转速方向相反,而机械力矩的方向则与转
速方向相同,这时就将原动机的机械能转化为电能. 异步电机发出的有功
功率向电网输送,同时又消耗电网的有功功率作励磁,并供应定子与转子漏
磁所消耗的无功功率,因此异步发电机并网发电时,一般要求加无功补偿装
置,通常用并联电容补偿的方式.
异步发电机的起动﹑并网很方便,且便于自动控制﹑价格低﹑运行可靠﹑
维修便利﹑运行效率也较高,因此在风力发电机并网机组基本上都是采用
异步发电机,而同步发电机则常用于独立运行.
3.偏航控制系统
风力机的偏航系统也称对风装置.其作用在于当风速矢量的方向变化时,能够快速平稳地对准风向,以便风轮获得最大的风能.
大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向. 偏航系统一般包括感应风向的风向标, 偏航电机, 偏航行星齿轮减速器,回转体大齿轮等.
解缆
大多数风机的发电机输出功率的同轴电缆在风力机偏航时一同旋转,为了防止偏航超出而引起的电缆旋转,应该设置解缆装置,并增加扭缆传感器以监视电缆的扭转状态.
4. 变桨控制系统
5. 变流器
6. 塔架
风机四种不同的控制方式:
1.定速定桨距控制(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.定速变桨距控制(Fixed speed pitch regulated)
发电机直接连到恒定频率的电网,在大风时桨距控制用于调节功率
3.变速定桨距控制(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.变速变桨距控制(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, 桨距控制用于调节功率.
二．基本知识
三. 风力发电机组的信号
(一) 机组状态参数检测
1．转速
风力发电机组转速的测量点有两个：即发电机转速和风轮转速。

转速测量信号用于控制风力发电机组并网和脱网，还可用于起动超速保护系统，当风轮转速超过设定值n
或发电机
1
时，超速保护动作，风力发电机组停机。

转速超过设定值n
2
风轮转速和发电机转速可以相互校验。

如果不符，则提示风力发电机组故障。

2．温度
有8个点的温度被测量，用于反映风力发电机组系统的工作状况。

这8个点包括：①齿轮箱油温；②高速轴承温度；③大发电机温度；④小发电机温度；⑤前主轴承温度；⑥后主轴承温度；⑦控制盘温度(主要是晶闸管的温度)；⑧控制器环境温度。

由于温度过高引起风力发电机组退出运行，在温度降至允许值时，仍可自动起动风力发电机组运行。

3．机舱振动
为了检测机组的异常振动，在机舱上应安装振动传感器。

传感器由一个与微动开关相连的钢球及其支撑组成。

异常振动时，钢球从支撑它的圆环上落下，拉动微动开关，引起安全停机。

重新起动时，必须重新安装好钢球。

机舱后部还设有桨叶振动探测器(TAC84系统)。

过振动时将引起正常停机。

4．电缆扭转
由于发电机电缆及所有电气、通信电缆均从机舱直接引入塔筒，直到地面控制柜。

如果机舱经常向一个方向偏航，会引起电缆严重扭转因此偏航系统还应具备扭缆保护的功能。

偏航齿轮上安有一个独立的记数传感器，以记录相对初始方位所转过的齿数。

当风力机向一个方向持续偏航达到设定值时，表示电缆已被扭转到危险的程度，控制器将发出停机指令并显示故障。

风力发电机组停机并执行顺或逆时针解缆操作。

为了提高可靠性，在电缆引入塔筒处(即塔筒顶部)，还安装了行程开关，行程开关触点与电缆相连，当电缆扭转到一定程度时可直接拉动行程开关，引起安全停机。

为了便于了解偏航系统的当前状态，控制器可根据偏航记数传感器的报告，以记录相对初始方位所转过的齿数显示机舱当前方位与初始方位的偏转角度及正在偏航的方向。

5．机械刹车状况
在机械刹车系统中装有刹车片磨损指示器，如果刹车片磨损到一定程度，控制器将显
示故障信号，这时必须更换刹车片后才能起动风力发电机组。

在连续两次动作之间，有一个预置的时间间隔，使刹车装置有足够的冷却时间，以免重复使用使刹车盘过热。

根据不同型号的风力发电机组，也可用温度传感器来取代设置延时程序。

这时刹车盘的温度必须低于预置的温度才能起动风力发电机组。

6．油位
风力发电机的油位包括润滑油位、液压系统油位。

(二)电力参数的监测
风力发电机组需要持续监测的电力参数包括电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发电机功率因数等。

这些参数无论风力发电机组是处于并网状态还是脱网状态都被监测，用于判断风力发电机组的起动条件、工作状态及故障情况，还用于统计风力发电机组的有功功率、无功功率和总发电量。

此外，还根据电力参数，主要是发电机有功功率和功率因数来确定补偿电容的投入与切出。

1．电压测量
电压测量主要检测以下故障：
(1)电网冲击相电压超过450V 0.2s。

(2)过电压相电压超过433V 50s。

(3)低电压相电压低于329V 50s。

(4)电网电压跌落相电压低于260V 0.1s。

(5)相序故障。

对电压故障要求反应较快。

在主电路中设有过电压保护，其动作设定值可参考冲击电压整定保护值。

发生电压故障时风力发电机组必须退出电网，一般采取正常停机，而后根据情况进行处理。

电压测量值经平均值算法处理后可用于计算机组的功率和发电量的计算。

2．电流测量
关于电流的故障有：
(1)电流跌落0.1s内一相电流跌落80%。

(2)三相不对称三相中有一相电流与其他两相相差过大，相电流相差25%，或在平均电流低于50A时，相电流相差50%。

(3)晶闸管故障软起动期间，某相电流大于额定电流或者触发脉冲发出后电流连续0.1s 为0。

对电流故障同样要求反应迅速。

通常控制系统带有两个电流保护即电流短路保护和过电流保护。

电流短路保护采用断路器，动作电流按照发电机内部相间短路电流整定，动作时间。

0～0.5s。

过电流保护由软件控制，动作电流按照额定电流的2倍整定，动作时间1～3s。

电流测量值经平均值算法处理后与电压、功率因数合成为有功功率、无功功率及其他电力参数。

电流是风力发电机组并网时需要持续监视的参量，如果切人电流小于允许极限，则晶闸管导通角不再增大，当电流开始下降后，导通角逐渐打开直至完全开启。

并网期间，通过电流测量可检测发电机或晶闸管的短路及三相电流不平衡信号。

如果三相电流不平衡超出允许范围，控制系统将发出故障停机指令，风力发电机组退出电网。

3．频率
电网频率被持续测量。

测量值经平均值算法处理与电网上、下限频率进行比较，超出时风力发电机组退出电网。

电网频率直接影响发电机的同步转速，进而影响发电机的瞬时出力。

4．功率因数
功率因数通过分别测量电压相角和电流相角获得，经过移相补偿算法和平均值算法处理后，用于统计发电机有功功率和无功功率。

由于无功功率导致电网的电流增加，线损增大，且占用系统容量。

因而送人电网的功率，感性无功分量越少越好，一般要求功率因数保持在0.95以上。

为此，风力发电机组使用了电容器补偿无功功率。

考虑到风力发电机组的输出功率常在大范围内变化，补偿电容器一般按不同容量分成若干组，根据发电机输出功率的大小来投入与切出。

这种方式投入补偿电容时，可能造成过补偿。

此时会向电网输入容性无功。

电容补偿并未改变发电机运行状况。

补偿后，发电机接触器上电流应大于主接触器电流。

(三)风力参数监测
1．风速
风速通过机舱外的数字式风速仪测得。

计算机每秒采集一次来自于风速仪的风速数据；每10min计算一次平均值，用于判别起动风速(风速v>3m/s时，起动小发电机，v>8m/s起动大发电机)和停机风速(v>25m/s)。

安装在机舱顶上的风速仪处于风轮的下风向，本身并不精确，一般不用来产生功率曲线。

2．风向
风向标安装在机舱顶部两侧，主要测量风向与机舱中心线的偏差角。

一般采用两个风向标，以便互相校验，排除可能产生的误信号。

控制器根据风向信号，起动偏航系统。

当两个风向标不一致时，偏航会自动中断。

当风速低于3m/s时，偏航系统不会起动。

(四)各种反馈信号的检测
控制器在以下指令发出后的设定时间内应收到动作已执行的反馈信号：①回收叶尖扰流器；②松开机械刹车；③松开偏航制动器；④发电机脱网及脱网后的转速降落信号。

否则将出现相应的故障信号，执行安全停机。

四．控制系统系统工程实例
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
变桨系统连线示意图
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-20°C 至+50°C 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-20°C 至+50°C 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 A
3 路230 V，10 A
2 路24 V 直流电，7.5 A
24 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 A
4 路230 V 交流电，16 A
6 路24 V 交流电，16 A
15 路24 V 交流电，1 A
五. “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１５年我国风电设备市场份额将高达１４００亿元至２１００亿元.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.就电变桨伺服控制系统而言,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35～40万人民币),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７０％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桨叶可以有以下几种工作状态:
1.静止状态:变距风轮的桨叶在静止时,节距角为90°,这时气流对桨叶不
产生转矩.
2.起动状态:当风速达到起动风速时,控制系统控制桨叶向0°方向转动,直
到气流对桨叶产生一定的攻角,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,变桨距系统可以
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，变桨控制系统根据发电机输出功率的变化调整桨距角的大小，桨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, 变桨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,变桨伺服系统可以
通过自备的UPS短暂供电,以便变桨系统完成收桨及采取予定的其它安全措施.
开发内容:
根据以上分析,变桨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
桨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组成变桨的控制系统,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:
⑴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;
⑵由于采用直流无级调速,低速性能好;
⑶不允许空载运行,否则会引起“飞车”;
⑷电机有碳刷,维修困难;
⑸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:
⑴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;
⑵代表了伺服控制系统的发展方向;
⑶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桨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:
㈠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S7—300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)
㈡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S7—300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:
㈠伺服电机
8.额定转速 2000 rpm
9.额定输出电流 17A
10.额定转矩 16.0 Nm
11.电源电压三相AC380V
12.绝缘等级 F级
13.冷却方式自然冷却
14.防护等级 IP64
15.环境温度－25℃～＋40℃
9.制动装置选件
10.编码器绝对值位置编码器
㈡伺服驱动系统
1.额定输出功率 7.5KW
2.额定输出电流 24A
3.额定输出电压 3×0---400V(AC)
4.输入电压 3×AC380V(－25％～＋10％)
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－25℃～＋40℃
9.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.
㈢UPS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
六.风机防雷
风向标
风速仪
单翼风向传感器
风向感应器为单翼风标（见图9.5）。

当风标转动时，带动格雷码盘（常用七位，分辨率为2.8°），按照码盘切槽的设计，码盘每转动2.8°，光电管组就会产生新的七位并行格雷码输出。

风杯风速传感器
风速传感器采用三杯式感应器，风杯由碳纤维增强塑料制成（见图9.5）。

当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘转动，使下面的光敏三极管有时接收到上面发光二极管发射的光线而导通，有时接收不到上面发光二极管照射来的光线而截止。

这样就能得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。