变桨距系统培训

求
动 ▪ 7.风速仪、风向标
8
6
生
力 ▪ 8.基座
3
2
存
▪ 9.塔筒
▪ 10 .提升机
4
9
1.1 风力发电系统总体结构
双馈风机
以
以
创
质
新
量
为
求
动
生
力
存
1.2 变桨系统结构
变桨电机1
95度限位开关 91度限位开关
A编码器 电机连接线
主电源线 信号线 驱动柜1 CANopen
滑环
风机主控
以 创 新 为 动 力
以
创
紧急情况
功能基本无差别。
功能基本无差别。
低温下，蓄电池储存的能量降较大。 低温下，蓄能器储存的能量降较小。
质
新
下的保护
蓄电池储存的能量不容易实现监控。
蓄能器储存的能量通过压力容易实 现监控。
量
为 动 力
使用寿命
外部配 套需求
主要损耗件蓄电池的使用使命大约 3年 占用空间相对较大。
需对齿轮进行集中润滑。
用2种通信方式。
以
以
创
质
新
1
RS485
量
为
求
动
生
力
存
2
CANOpen
3.2 桨叶定位
本部分用于实现主控的控制指令，即桨叶位置。有2种控制方式：速度环 控制、位置环控制。
以
以
创
质
新
量
为
求
动
生
力
存
L+B控制器定位精度可达0.03°，Bachmann控制器定位精度可达0.005°。
3.3 备用电源管理
质
新 2、电池柜
量
为 动
3、变桨电机
求 生
力 4、编码器
存
5、限位开关
6、减速机
7、润滑泵
1.3.1 按柜体数量分类
以
以
创
质
新
量
为
求
动
生
力
存
1.3.1 按柜体数量分类
以
以
创
质
新
量
为
求
动
生
力
存
1.3.2 按执行机构动力形式分类
以
1.3.2.1
电动变桨
以
创
质
新
量
为
求
动
生
力
1.3.2.2
液压变桨
存
1.3.2.1 电动变桨
交流伺服如果坏了，机组就 无法顺桨了。
桨多采用直流方案。
2 变桨原理
以
2.1
原理简介
以
创
质
新
量
为
求
动
2.2
智能变桨
生
力
存
2.1 原理简介
状态 自动/手动切换
以
创Hale Waihona Puke Baidu
新
为
动
电源开关
力
整流桥 电池柜
RS485
电压/电 流监测
电压 电流 信号
Pitch system
紧 急 收
桨
温 状控 变
度 态制 桨
电
信 信命 速
1.3.2.2 液压变桨
项目
电动变桨
液压变桨
结构
结构复杂，冗余性好。由电动机、 液压变桨结构简单，由动力源液压
控制模块、蓄电池与执行机构减速 泵站、控制模块、蓄能器与执行机
器、齿轮等组成。
构油缸等组成。
以
桨距调节
基本无差别。电路的响应速度比油 路略快。电动变桨技术成熟，数控 驱动容易，控制简单。
基本无差别。油缸的执行（动作） 速度比齿轮略快，响应频率快扭距 大。液压控制较为困难，因为各位 置的的速度和加速度都不同。
毅同步转动。
同步盘通过短转轴、连杆、长转轴
其中同步盘、短转轴、连杆、长转轴、偏心盘组成了 推动偏心盘转动，偏心盘带动桨叶
曲柄滑块机构，将推动杆的直线运动转变成偏心盘的圆周 进行变距。
运动。
1.3.2.2 液压变桨
国内传统的风力发电机组液压变桨距执行机构均采用曲柄连杆机构的方式，液压站和液压油缸 放在机舱内，通过一套曲柄连杆机构同步推动三片桨叶旋转，这种方案的变距力有限，而且不能对 桨叶独立控制，已不能满足兆瓦级风力发电机组的要求。在对国内进口风电机组液压变桨距机构进 行调研的基础上，设计了独立液压变桨距机构。
3.2 桨叶定位
以
以
创
3.3 备用电源管理
质
新
量
为 动
3.4 保护
求 生
力
3.5 变桨调试
存
3.6 部分关键器件介绍
3.1 通信
根据客户需求，可为客户提供多种通讯方式和现场总线解决方案: RS485、 TCP/IP、PROFI-BUS、CANopen、DivceNet、Modbus等。公司变桨产品中已使
成都阜特科技有限公司 风电控制领域的卓越解决方案
变桨系统介绍
主讲人：Shakar 日 期：2012-02-07
变桨系统
1、概述
以
以
创
2、变桨原理
质
新 为 动
Pitch System
量
3、系统功能
求
生
力
4、与其它产品比较
存
5、变桨系统故障判断
1、概述
1.1
风力发电系统总体结构
以
以
创
质
新 为
1.2
变桨系统结构
生
力 上; 支撑杆: 是推动杆轮毅端径向支撑部件;
该机构的工作过程如下:
存
导套: 与支撑杆形成轴向运动副，限制支撑杆的径向运动;
控制系统根据当前风速，以一
同步盘: 把推动杆的轴向力进行分解，形成推动三片桨叶 定的算法给出桨叶的桨距角信号，
转动的动力;
液压系统根据控制指令驱动液压缸，
防转装置: 防止同步盘在周向分力作用下转动，使其与轮 液压缸带动推动杆、同步盘运动，
1.2 变桨系统结构
变桨是指让风机的桨叶自动旋转到主控制器设定的角度，以控制叶片的 迎风角始终保持在最佳位置，从而更好地利用风能。
以
以
创
质
新
量
为
求
动
生
力
存
变桨距系统接收主控发来的控制指令，通过控制算法输出一个电压形式 的速度值，这个值通过伺服驱动器驱动电机运转以带动桨叶。同时，变桨控 制器对备用电源进行管理，以保证紧急情况下能快速收桨。
质 量 求 生 存
1.3 变桨系统分类
1.3.1 按柜体数量分类
以
以
创
质
新
1.3.2 按执行机构动力形式分类
量
为
求
动
生
力
存
1.3.3 按驱动器输出电压类型分类
1.3.1 按柜体数量分类
变桨系统结构有很多 种，有7柜式、6柜式、 4柜式、3柜式。但都 包括：
以 1、驱动柜（7柜式多
以
创 一个中控柜）
创 机组需要通过控制系统补偿才能获得较长的有效生命周期；
质
新
量
为 2、大型风力机组只能通过智能控制补偿达到机组设计目标，并通过有效保护 求
动 来弥补由此带来的安全隐患。
生
力
存
目前全球仅有美国的Moog和西班牙MLS两家系统集成
商提供智能变桨距控制系统的解决方案。
2.2 智能变桨
作用在风力发电机上的载荷按照载荷的来源可以大致 分为：
电动变桨距系统（Electric Pitch Control System）一般包括变桨距伺服电机、控制器、电机 驱动器、UPS、减速箱、传感器等。图中只画出了一个桨叶的变桨距执行机构，其它两个桨叶与此 完全相同。每个桨叶分别采用一个带位移反馈的伺服电机进行单独调节，位移传感器采用光电编码 器，安装在电动机输出轴上，采集电机转动角度。
液压变桨结构简单，元器件寿命较 长。主要损耗件蓄能器的使用使命 大约6年 轮毂、轴承可相对较小。
无需对齿轮进行润滑，减少集中润 滑的润滑点。
求 生 存
环境清洁 维护
机舱及轮毂内部清洁。
电动变桨漏电，需漏电保护。电机 碳刷（永磁无刷直流电机除外）、 蓄电池需定期维护。
容易存在漏油，造成机舱及轮毂内 部油污。
求
动 环送给轮毂控制器，轮毂控制器根据主控指令驱动伺 服比例阀使油缸活塞杆达到指定位置，偏心块将液压
生
力 缸活塞杆的直线运动转变成使桨叶旋转的圆周运动， 从而实现对桨距角的控制。由于风电机组的每个桨叶
存
都由一套独立的液压伺服系统驱动，一个桨叶出现故
障时，其他两个桨叶仍能正常工作，增加了系统的安
全性。这种执行机构尤其适用于大型风力发电机组。
求
动
生
力
存
1.1 风力发电系统总体结构
以 创 新 为 动 力
双馈异步风力发电机
以 质 量 求 生 存
直驱式风力发电机
1.1 风力发电系统总体结构
Vensys直驱风机
变桨系统所在位置
▪ 1.叶片
7
▪ 2. 轮毂
1
以 ▪ 3.变桨系统 创 ▪ 4.发电机转子
10
以
质
新 ▪ 5.发电机定子
5
量
为 ▪ 6.偏航电机
量 求
动
生
力
存
1.3
变桨系统分类
1.1 风力发电系统总体结构
把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力 发电。风力发电的原理，是利用风力带动风机叶片旋转，再透过增速机将旋 转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是3m/s的速 度，便可以开始发电。
以
以
创
质
新
量
为
以 3、轴控柜3 230VAC供电（1F6） ；
以
创 4、油泵 230VAC供电（1F7） ；
质
新 5、200VDC 刹车电源1 （3F4） ；
量
为 动
6、200VDC 刹车电源2 （3F5） ； 7、200VDC 刹车电源3 （3F6）； 8、充电器 230VAC供电 （5F1、5F2）；
机
风扇
号 号令 度 Pt100
温 度
伺服驱动器
叶
U
W
片
电机
桨
电
机 刹
变桨电机
转速
距
反馈
角
A
B
车
位置编码器
以 质 量 求 生 存
92 95 度度 限限 位位 开开
关关
2.2 智能变桨
智能变桨距技术对大功率、海上型风机实施控制是未 来风机的发展趋势，国际国内市场需求十分迫切：
以 1、大型风机疲劳载荷是传统旋转机械的几十倍，特别是海上型大型风力发电 以
质 量
为
求
动
按照风力发电机的部位来分，一般关注以下载荷： 生
力 1、叶片上的载荷，主要是叶根处的载荷情况；
存
2、轮毂上的载荷；
3、塔架上的载荷，主要是塔顶和塔基的载荷情况等。
以上三部位的载荷是设计阶段和风机运行过程中所要关注的基本 载荷，其他部位的载荷可以由这些基本载荷推算出来。
3、系统功能
3.1 通信
B编码器
电池柜1
电池连接线
变桨电机2 B编码器
95度限位开关 91度限位开关
A编码器 电机连接线
驱动柜2
电池柜2
电池连接线
变桨电机3 B编码器
95度限位开关 91度限位开关
A编码器 电机连接线
驱动柜3
电池柜3
电池连接线
以
质
变桨系统的工作模式：
量
求
A) 正常工作模式
生
存
B) 正常停机模式
C)紧急模式
电动变桨距系统电机执行机构原理图：
以
以
创
质
新
量
为
求
动
生
力
存
1.3.2.2 液压变桨
液压变桨距系统（Hydraulic Pitch Control System）主要由推动杆、支撑杆、导套、防转装 置、同步盘、短转轴、连杆、长转轴、偏心盘、桨叶法兰等部件组成。
以
以
创
质
新
量
为
各部分作用如下:
求
动 推动杆: 传递动力，把机舱内液压缸的推力传递到同步盘
动
生
力 支桨叶的备用电源进行一次充电，从第一个备用电源开始到第三个备用电源 存
结束，时间间隔1s。当第三个电源充电完成后回到第一个电源进行正常充电。
2、正常充电：对变桨备用电源进行循环充电，时间间隔15m。
3.4 保护
安全链上包含如下信号：
1、轴控柜1 230VAC供电 （1F4）；
2、轴控柜2 230VAC供电（1F5） ；
1、空气动力载荷：这是与风轮转速，平均风速，湍流强度，叶片轮廓和空气
密度等有关的载荷；
以 2、重力载荷：这是由于风力发电机组相关的重力引起的载荷；
以
创 新
3、惯性载荷：包括离心力和科氏力等； 4、工作载荷：这是来源于风力发电机组的操作和控制的载荷； 5、其他载荷：安装位置的特殊条件等带来的载荷，如波浪载荷和结冰载荷。
在风力发电机组的运行过程中，备用电源起着至关重要的作用。当安全 链断开、通信异常、风速过大或电网掉电等紧急情况下，备用电源用于将桨 叶收回92°，直至撞限位开关，以避免风机倒塌，保证风机安全。
以
以
创
备用电源管理主要有2大功能：
质
新
量
为 1、充电测试：当调试变桨时，可手动按下充电测试按钮，变桨控制器将对3 求
国外先进风力发电机组一般都采用独立液压变桨执行机构的方式，如图所示。桨叶由油缸驱动，
油缸安装于轮毂内，液压油通过液压滑环进入轮毂。图中，1为轮毂壳，2为偏心块，3为活塞杆，4
以 为桨叶，5为回转支撑，6为油缸，7为油缸座，8为阀块，9为内压板。
以
创
质
新
该机构的工作过程如下：主控系统根据检测到的
量
为 功率，以一定的算法给出桨距角参考信号，通过电滑
以
3MW机组的变桨电机功率约
以
创
在8kW～10kW，若用直流电
质
新 为
维护
机，体积庞大，安装非常 不变，如果电机烧了，要 换电机，一个人是抱不动
大型机组采用异步电机，又 轻又苗条，问题相对要小了。
量 求
动
了，轮毂空间又小，维护
生
力
工作量很大。
存
直流伺服坏了，直流电机
安全性
能实现顺桨。最后一个安 全环节，直流更胜一筹。 在国外5MW机组上，电动变
液压变桨漏油，液压油要求清洁度 高。需定期对液压油、滤清器进行 更换。
代表厂商
GE、Nordex、Suzlon、Repower Vestas、Gamesa、Acciona和
和金风、华锐、东汽等。
Dewind、三菱重工、上海电气等。
1.3.3 按驱动器输出电流类型分
项目
直流变桨
交流变桨
电机
直流电机的价格贵，而且 交流电机体积小，效率高， 有电刷，维护不方便。 价格也比直流电机便宜。
1.2 变桨系统结构
变桨控制系统实现风力发电机组的变桨控制，在额
定功率以上通过控制叶片桨距角使输出功率保持在额定
状态。
以
每个叶片的变桨控制柜，都配备一套备用电源，
以
创 新 为 动 力
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，足以使叶片从0°顺桨到90°。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 可保证短期内整套变桨电控系统正常工作，实现低电压 穿越（LVRT）功能。