风机变桨控制柜可行性方案(风电))

一、趋势判断和需求分析
1、国内外现状、水平和发展趋势
在2007 年前后，我国风电设备的关键零部件产能严重不足，一些关键零部件存在较大的供需矛盾，严重依赖进口。

而且进口关键零部件的订货周期长、价格高，关键零部件掣肘我国风电产业的发展。

随着整机制造企业的迅速增加，更加激化了关键零部件与整机生产不相匹配的矛盾。

在这种现状下，能否控制成本将成为企业在激烈竞争中能否胜出的关键。

而控制成本的关键在于外购率，而那些只做系统整合，不能够自己生产风机主要零部件的企业，很难将成本降低。

而那些可以制造发电机、叶片、齿轮箱、控制系统的企业，无疑在成本整合上更具优势。

风机制造企业需要不断的提高自己的零部件自制率。

下表按照风机零部件构成比例列出了目前的现状。

图表风机零部件构成比例
2、知识产权状况和技术标准状况
由上表可以看出变桨距控制系统是确保风机能量捕获，合理抵抗载荷的基本设备。

由于其在风机整机中至关重要的作用，使得目前能独立提供产品的只有SEG和LUST两家国外公司。

国内规模化的企业约有近10家，但均为组装厂家，没有核心技术，无法在同一水平线上竞争。

3、经济建设和社会发展需求
能源和环境是21世纪所关注的最重要的两个主题。

随着经济不断发展 ,必然引起石油、煤炭等自然资源枯竭、环境污染及地球温室效应的加重。

人们必须把握经济增长、环境保护和能源供给这三位一体的“3E”之间的平衡关系。

风电市场竞争激烈，已经是不争的事实，在此时，能否控制成本将成为企业在激烈竞争中能否胜出的关键。

而控制成本的关键在于外购率，那些只做系统整合，而那些不能够自己生产风机主要零部件的企业，很难将成本降低。

而那些可以制造发电机、叶片、齿轮箱、控制系统的企业，无疑在成本整合上更具优势。

风机制造企业需要不断的提高自己的零部件自制率。

4、科学技术价值、特色
联合研发国产大功率风机新型变桨控制器的科学价值在于：
掌握大功率风机变桨控制器的设计技术。

掌握大载荷动态位置换的控制算法。

掌握大功率风机变桨控制器的制造工艺。

二、研究内容和技术关键
1、项目总目标
项目研究的总体目标是研制一套适合工程应用的产品化的大功率风机变桨控制器系统。

具有如下优点：
★精度高、响应快速性能优越。

★同步齐、一致性好性能稳定。

★结构合理接口标准便于产业化。

★性价比合理便于商业化运作。

2、项目关键技术
⑴、驱动器动态载荷的算法
在经典的算法中增加了加速度扰动量，按照日本安川公司提供的大动态载荷模型来完善算法，算法的基本流程如下图所示：
⑵、电池状态的实时监控
电池状态的实时监控关键在于将三个桨叶的电池充放电控制系统独立，改变LUST的三个桨叶的电池充放电控制有一套系统分时完成的状况，提高了紧急状态下的安全系数。

因为终归有一个系统能让桨叶回到顺桨位置，使风机回到安全状态。

充放电控制分为三种模式：
主控命令、自动监控和手动应
急。

其功能框图如下，状态监控
的信号包括：电流、电压、电
池温度、柜体温度、主控命令
要求、电池柜状态、手动应急要求、充放电动作、安全链信号等。

⑶、安全链逻辑的控制流程
安全链设计的原则有以下四条：
★硬件主安全链有安全继电器和PLC逻辑构成。

★电池状态监控器提供第二个独立的安全回路（DC24V）。

★交流电源故障时，电池状态监控器提供直流电源。

（DC24V）
★尽量少用电池能量，延长电池寿命。

安全链逻辑框图如下：
⑷、组合安装的工艺流程
★防止任意旋转时松动紧固件。

★模块可以方便地整体拆卸。

★所有部件安装必须考虑风机特殊工况。

★所有接线按排必须与原使用系统保持一致。

★安装尺寸必须与原使用系统保持一致。

3、项目技术路线
技术路线为以现有成熟技术为基础，结合国际交流合作的成果，通过联合开发
形成样机。

最终独立掌握关键技术。

在上述的国际交流合作总则中，日本安川公司由于其驱动技术特别是大动态载荷模型算法在日本国内及国际上的领先地位和大量国内外应用实例（如宝钢等）成为国际交流合作的首选对象。

项目具体合作的技术路线如下：
⑴、通过与日本安川国际交流合作，联合开发变桨距控制的驱动器核心技术——动态载
荷的模型算法。

掌握算法模型的建立过程、运算分析思路，动态大载荷大惯量的处理方法。

最终形成完整的算法和参数体系。

⑵、通过与日本安川国际交流合作，由日本安川提供驱动器的功率模块，控制模块自主
设计，形成性价比极高的驱动器系统。

⑶、电池组状态的实时监控采用成熟的磷酸锂铁电池，功率密度大，输出瞬时功率强，
形成可靠的后备电池系统。

⑷、安全链控制采用成熟的PLC技术，主要由硬件来进行安全链保护，以此作为确保系
统安全的基本条件。

⑸、组合安装的工艺流程尽量参考成熟的国外产品，以严格的工艺和质量控制来达到近
乎苛刻的可靠性保证。

4、项目创新点
⑴、伺服驱动器的动态载荷算法,提高位置定位精度和响应时间.
在经典的算法中增加了加速度扰动量，按照日本安川公司提供的大动态载荷模型来完善算法，算法实施的效果示意如下图所示，左边为实施前效果，右边为实施
后效果。

⑵、增加电池监控的硬件保护体系,保护功能齐全、安全链冗余度大。

电池状态的实时监控关键在于将三个桨叶的电池充放电控制系统独立，改变LUST的三个桨叶的电池充放电控制有一套系统分时完成的状况，提高了紧急状
态下的安全系数。

因为终归有一个系统能让桨叶回到顺桨位置，使风机回到安
全状态。

电池监控功能包括：独立充放电控制，24V冗余控制，直流电路转换，独立安全链回路。

充放电回路互为冗余，互为监控自动切换主回路，安全可靠性强。

电池监控控制功能框图如下
⑶、增加两种总线结构,提高通讯的可靠性。

采用双总线（CAN/ProfiBus）冗余设计如下图所示，避免了原先LUST的单一总线（ProfiBus）不稳定。

5、项目主要技术内容
⑴、驱动器动态载荷的算法
在经典的算法中增加了加速度扰动量，按照日本安川公司提供的大动态载荷模型来完善算法，算法的基本流程如下图所示：
⑵、电池状态的实时监控
电池监控功能包括：独立充放电控制，24V冗余控制，直流电路转换，独立安全链回路。

充放电回路互为冗余，互为监控自动切换主回路，安全可靠性强。

充放电控制分为三种模式：主控命令、自动监控和手动应急。

其功能框图如
下，状态监控的信号包括：电流、电压、电池温度、柜体温度、主控命令要
求、电池柜状态、手动应急要求、充放电动作、安全链信号等。

电池端子面必须确保任意旋转时始终朝上。

电池模块可以方便地整体拆卸。

所有部件安装必须考虑风机特殊工况。

⑶、安全链逻辑的控制流程
安全链设计的原则有以下四条：
★硬件主安全链有安全继电器和PLC逻辑构成。

★电池状态监控器提供第二个独立的安全回路。

★交流电源故障时，电池状态监控器提供直流电源。

★尽量少用电池能量，延长电池寿命。

安全链逻辑框图如下：
⑷、组合安装的工艺流程
★防止任意旋转时松动紧固件。

★模块可以方便地整体拆卸。

★所有部件安装必须考虑风机特殊工况。

★所有接线按排必须与原使用系统保持一致。

★安装尺寸必须与原使用系统保持一致。

⑸、带载测试平台
★模拟主控应能满足如下功能：完成与变桨系统的通讯，要同时考虑Profibus 和CANopen两种通讯接口方式。

给变桨系统发送变桨的位置，变桨速度等指
令显示变桨系统的各种状态。

★加载驱动控制器的功能：接收加载信号。

把加载信号转换成扭矩，并送给加载电机。

接收扭矩传感器的值，并显示此值。

接收加载电机的各种状态值。

★叶片角度模拟和限位开关触发装置。

为了使变桨带载测试平台更加真实，更能贴近实际的变桨运行状态。

在此系统中增加了变桨限位开关触发装置和桨
叶编码器旋转装置。

本装置主要伺服驱动器从控制器或加载驱动器接收加实
际转速，通过可调速比进行速度同步，做到实时与加载电机转速线性同步。