兆瓦级风电机组电动变桨距系统测试平台设计

兆瓦级风电机组电动变桨距系统测试平台 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 汪海波, 田 � 炜, 鲁 � 斌, 刘 � 剑 (国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司, 江苏省南京市 210003) 摘要: 大型变速恒频风力发电机组通常采用变桨距控制技术,使风电机组在额定风速以上输出平 稳的功率, 从而保证机组安全。电动变桨距系统因其结构简单, 易于施加各种控制, 可靠性高,在变 桨距风力发电机组中得到了广泛应用。文中在 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统工作原理 的基础上, 选择了永磁同步电机( PMSM )作为电动变桨距系统的执行电机,完成了兆瓦级风电机组 电动变桨距系统及其测试平台构建 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的设计。测试平台的建设为兆瓦级风电机组电动变桨距系 统的性能和可靠性测试提供了一个有效的途径。 关键词: 电动变桨距控制; 测试平台; 伺服系统; 永磁同步电机; 风力发电 收稿日期: 2010�07�28; 修回日期: 2010�11�15。 0 � 引言 变速恒频风力发电机组的风轮转速随风速的变 化而变化,可更加有效地利用风能 [ 1�3] , 其优点已得 到风力机生产厂家和研究机构的普遍认可, 成为目 前的主流机型。变速恒频风力发电机组仅通过发电 机自身调节,很难有效减小由于风速波动引起的冲 击。因为自然界中风速瞬息万变,特别是在额定风 速以上, 风力机有可能受到很大的静态或动态冲 击[ 4]。变桨距系统作为大型风电机组控制系统的核 心部件之一,可有效保证风电机组在额定风速以上 安全、稳定、高效地运行。变桨距系统通过改变安装 在风力机轮毂上的叶片的节距角,从而改变叶片的 气动特性,使桨叶和整个风电机组的受力状况大为 改善。近年来, 变桨距系统已越来越多地应用于大 型风电机组中。 稳定、可靠的变桨距控制已成为当前大型风电 机组控制技术研究的热点和难点之一。国外研制的 大型风电机组已成功地将各种智能控制技术应用到 变桨距系统中, 且技术日趋成熟 [ 5�6]。其中, 德国 SSB、美国 MOOG 以及丹麦 M IT A 等公司的变桨 距系统在大型变桨距风力发电机中得到了广泛的应 用。而国内在变桨距控制技术方面的研究起步相对 较晚,一些已有研究将模糊控制和神经网络等技术 应用于变桨距控制, 取得了一些成果[ 7�10] 。文献[ 7] 提出了风力机变桨距预测控制算法,并在液压变桨 距风力机半实物仿真实验平台上进行了初步实验; 文献[ 8]对模糊比例 �积分 �微分( P ID)参数自整定 控制策略在变桨距系统中的应用进行了仿真; 文献 [ 9�10]分别建立了变桨距系统的数学模型, 并进行 了相应的仿真。从现有文献来看, 在理论上对变桨 距系统开展研究和仿真的较多, 建立实际变桨距系 统平台且进行相关地面测试的较少。 由于变桨距系统工作于高出地面几十米的风力 机轮毂内,因此对变桨距系统的调节性能及其可靠 性进行地面测试很有必要, 其中,测试平台的构建是 重要环节之一。本文分析了风力发电机组电动变桨 距系统的结构和特点, 重点分析了电动变桨距系统 地面测试平台的构建, 并设计了变桨电机与三相永 磁同步电机( PM SM)同轴对接的电动变桨距系统测 试平台。试验结果表明: 该测试平台可有效模拟风 速扰动下的电动变桨距系统的响应。 1 � 电动变桨距系统工作原理 风力机主控系统结合当前风速、发电机功率等 状态数据,下发桨叶节距角位置指令,变桨距系统实 时响应主控指令驱动桨叶达到指定角度位置,以保 证风电机组稳定、高效运行;当风电机组出现紧急情 况时,变桨距系统可调节桨叶至 90�位置, 让风向与 桨叶平行,使桨叶失去迎风面而实现气动刹车, 从而 实现安全停机的目的。 根据变桨执行机构动力形式的不同, 大型风电 机组变桨距驱动方式主要有液压和电动 2 种[ 10]。 液压执行机构具有转矩大、无需变速机构且技术成 熟等优点,但是,液压传动结构复杂, 存在泄漏、渗油 的隐患, 且液压油受温度影响大。本文主要研究兆 瓦级风电机组的电动变桨距控制系统, 风力机的 3 个桨叶分别带有独立的电机驱动变桨距系统,其执 行机构主要包括伺服电机、电机驱动器、控制器、不 间断电源、减速机构、位置传感器等。图 1为电动变 �74� 第 34 卷 � 第 24 期 2010 年 12 月 25 日 Vo l. 34 � No. 24 Dec. 25, 2010 桨距系统执行机构的原理图。图中只给出其中 1个 桨叶的执行机构,其他 2个桨叶与此相同。 图 1 � 电动变桨距系统执行机构原理图 Fig. 1� Principle schematic of electrical pitch system� s actuator 电动变桨距控制系统驱动电机的选择有直流电 机、交流异步电机和 PMSM 等方案。选择的基本要 求是扭矩大、结构简单、响应速度快、控制精度高、维 护和保养方便。随着电力电子技术和交流调速驱动 技术的不断发展,交流伺服系统日益成熟,同时考虑 到直流电机带有电刷和换向器, 会带来维护困难及 可靠性方面的问题。采用全数字控制的交流伺服系 统为电动变桨距控制系统提供了有利的支持。 PM SM 具有无电刷和换向器、工作可靠、适应高速 大扭矩工作状态等优点, 是电动变桨距系统伺服电 机的首选,本文即采用 PM SM 作为变桨伺服电机。 2 � 电动变桨距系统测试平台的构建 由于变桨距系统工作于高出地面几十米的风力 机轮毂之内,现场调试较为困难, 因此, 电动变桨距 系统的调节性能及其可靠性测试必须在风力机安装 之前完成,而测试平台的构建是其中重要环节之一。 实际系统中,驱动兆瓦级风电机组的桨叶需要上万 牛米的扭矩,这样的负载扭矩在实验室中很难模拟。 一般将其通过传动比折算之后, 再作为变桨电机需 要输出的模拟扭矩。 目前,国内有一些测试平台采用磁粉制动器或 磁滞测功机来模拟风速扰动下的桨叶载荷变化 [ 11]。 此 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 虽能在变桨电机运动过程中施加负载扰动, 但是其阻力大小随转速变化, 当变桨电机静止时, 磁 滞测功机的转矩也就消失了。磁粉制动器或磁滞测 功机在使用中需要考虑自身的散热问题, 不适宜长 时间的工作。风力机实际运行中,当保持桨叶节距 角不变或桨叶节距角变化时, 桨叶上受到的风阻力 总是存在且不断变化的。为更真实模拟风速扰动时 桨叶载荷变化对电动变桨距系统的影响, 构建了如 图 2所示的变桨距系统测试平台。 整个测试平台由 3套变桨电机驱动系统与负载 电机驱动系统 2个部分组成, 变桨系统控制器与负 载模拟控制器之间通过 Prof ibus 实现通信。负载 模拟控制器向变桨系统控制器发送位置、速度给定 指令,同时向负载电机发送转矩给定指令;变桨系统 控制器向负载模拟控制器反馈变桨电机的位置、速 度以及输出转矩大小。变桨电机 M1 与负载电机 M2均为 PM SM, 两者通过联轴器实现相互连接,中 间蜗轮蜗杆W 的低速轴作为扩展功能,可以放置桨 叶轴承端部编码器(参见图 3) ,同时还可在蜗轮蜗 杆W 的低速轴上添加 2个限位开关,模拟实际变桨 距系统中桨叶端部的 91�与 96�限位开关。由于变 桨电机的位置传感器采用的是绝对值多圈位置传感 器,所以在变桨系统控制器向 3套变桨电机驱动系 统发送桨距角指令后, 变桨电机会在各自驱动系统 的驱动下同时运动, 保证了 3个桨叶能够同步完成 定位。 图 2 � 变桨距系统测试平台结构 Fig. 2 � Structure of the test�bed for electrical pitch system 图 3� 变桨电机驱动系统与负载电机驱动系统的 连接拓扑 Fig. 3� Connection topology of pitch motor driving system and load motor driving system 图 3为其中一套变桨电机驱动系统与负载电机 驱动系统连接的具体拓扑结构。2 个驱动系统均由 三相滤波器、三相脉宽调制( PWM )整流模块、三相 �75� � 绿色电力自动化� � 汪海波,等 � 兆瓦级风电机组电动变桨距系统测试平台设计 逆变器模块、驱动控制器组成,其中,整流模块具有 四象限运行能力。由于变桨电机与负载电机同轴连 接,变桨电机工作于电动状态,负载电机工作于发电 状态,负载电机回馈的能量通过 PWM 整流模块和 再生扼流线圈实现向三相电网的注入。变桨电机驱 动系统工作在位置闭环状态, 用来控制整个测试平 台的转速,实现位置跟踪;负载电机驱动系统工作于 转矩闭环状态, 通过控制负载电机的电流给定来改 变负载电机的转矩大小, 进而模拟变桨电机的负载 变化。采用上述方案的变桨距系统测试平台可以长 时间工作,在变桨电机驱动器长期带载工作、变桨电 机的温升试验、变桨距系统的可靠性等方面具有较 好的试验价值。 附录 A 图 A1给出了与图2平台框图相对应的 变桨电机与负载电机同轴连接的实物照片, 仅给出 其中一套的连接, 另外 2套连接与此相同。变桨电 机与负载电机通过底座平台的两侧支架来固定, 以 保证 2台电机在水平方向上具有良好的同轴性。 在本文构建的测试平台中,无论变桨电机处于 运动状态还是静止于某一位置, 均能通过调节负载 电机给定转矩的大小,让变桨电机响应其变化,以实 现风速扰动下的电动变桨距系统的响应。 3 � 电动变桨距系统分析与测试 在图 2所示的变桨电机与负载电机同轴对接的 结构中,存在如下的转矩平衡方程: T 1+ T 2 + T W= ( B1 + B2 ) �+ ( J 1+ J 2) d � dt + T W ( 1) 式中: T 1 和 T 2 分别为 M1和 M2的电磁扭矩; TW 为W的扭矩; B1 和 B2 分别为 M1和 M2的摩擦系 数; J 1和 J 2 分别为 M1和 M2的转动惯量; � 为电 机转速。 当测试平台模拟桨叶节距角保持不变时, 变桨 电机需输出扭矩 T 1 来克服负载电机的扭矩 T 2 , 且 有 T 1 = T 2 ,两者方向相反; 当测试平台模拟桨叶节 距角发生变化时, 变桨电机需输出扭矩 T 1 来克服 负载电机的扭矩 T 2 和 W 转动所需的扭矩 T W , 此 时有 T 1> T 2。 图 4是模拟桨叶节距角保持不变(即变桨电机 保持静止状态) ,负载电机扭矩 T 2 发生突变时变桨 电机的扭矩与转速响应。图中,在 t= 4. 3 s时,负载 扭矩由 4. 6 N � m 突然增加到 5. 2 N � m。从电机 扭矩响应曲线可以看出, 变桨电机的输出扭矩可快 速跟踪负载扭矩,响应特性好;从电机转速响应曲线 可以看出,电机转速保持为 0, 定位可靠,桨叶节距 角保持不变。 图 4� 变桨电机响应曲线(桨叶节距角保持不变) Fig. 4� Response curves of pitch motor when keeping the pitch angle constant 图 5是模拟桨叶节距角变化(即变桨电机按接 收到的指令运动)时, 负载电机扭矩 T 2 发生突变的 情况下变桨电机的扭矩与转速响应。图中, 在 t= 4. 0 s时,负载扭矩由- 4. 6 N �m 突然反向增加为 10. 0 N �m, 且在 t= 6. 7 s时变桨电机收到正向运 动指令,要以 10 rad/ s 的速度转动 300圈。从电机 扭矩响应曲线可以看出,在电机正向运动过程中,输 出扭矩要大于给定的负载扭矩, 输出扭矩的一部分 用来克服蜗轮蜗杆转动时所需的摩擦力, 这在一定 程度上更加接近实际变桨距系统通过减速机构来驱 动桨叶轴承的过程;从电机转速响应曲线可以看出, 变桨电机按照给定速度到达指定位置,完成定位,从 而到达指定的桨叶节距角位置。 图 5� 变桨电机响应曲线(桨叶节距角改变) Fig. 5 � Response curves of pitch motor when varying the pitch angle 使用变桨距系统测试平台对变桨电机驱动系统 进行加载模拟测试, 对变桨电机驱动系统的控制参 数(例如三环控制的 PI 参数和系统加速度、减速度 等参数)整定与设计具有一定的参考价值。 从以上测试结果可以看出, 电动变桨距系统在 保持桨叶节距角不变和改变桨叶节距角的过程中, 变桨电机对外部载荷的变化能有效、快速地作出响 应,并可靠保持静止或运动到指定位置。 �76� 2010, 34( 24) � 4 � 结语 本文在介绍了兆瓦级风电机组电动变桨距系统 工作原理和变桨执行机构的基础上, 选择了 PM SM 作为电动变桨距系统的执行电机,完成了兆瓦级电 动变桨距系统的设计, 并在此基础上构建了兆瓦级 电动变桨距系统的测试平台。测试结果表明, 该平 台可有效测试桨叶载荷变化(即风速扰动下)时电动 变桨距系统的响应情况, 给电动变桨距系统的地面 测试提供了一个有效的途径, 同时测试结果对变桨 电机驱动系统众多参数的整定、设计具有一定的参 考作用。 附录见本刊网络版 ( ht tp: / / aeps. sgepri. sgcc. com . cn/ aeps/ ch/ index. aspx)。 参 考 文 献 [ 1] 李晶,方勇,宋家骅,等.变速恒频双馈风电机组分段分层控制策 略的研究.电网技术, 2005, 29(9) : 15�21. LI Jin g, FANG Yong, SONG J iahu a, et al . Research on su bsect ion and layer cont rol st rategy of double�f ed variable speed w ind tu rbine. Pow er System Technology, 2005, 29( 9) : 15�21. [ 2] 姚兴佳,温和煦,邓英.变速恒频风力发电系统变桨距智能控制. 沈阳工业大学学报, 2008, 30( 2) : 159�162. YAO Xingjia, WEN H ex u, DENG Ying. Adjustable pitch intelligent cont rol of variable speed constant f requ ency w ind generat ion system . Journ al of Shenyan g University of T echnology, 2008, 30( 2) : 159�162. [ 3] BURTON T.风能技术.武鑫,译.北京:科学出版社, 2005. [ 4] 刘光德, 邢作霞, 李科, 等.风力发电机组电动变桨距系统的研 究.电机与控制应用, 2006, 33( 10) : 31�34. LIU Guangde, XING Zuoxia, LI Ke, et al. Research on win d tu rbine elect ric pi tch sys tem. Elect ric Machines & C on tr ol Applicat ion, 2006, 33( 10) : 31�34. [ 5] 邢钢,郭威.风力发电机组变桨距控制方法研究.农业 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学报, 2008, 24( 5) : 181�186. XING Gang, GUO Wei. M ethod for collect ive pitch cont rol of win d tu rbine generator system. Transact ions of the CSAE , 2008, 24( 5) : 181�186. [ 6] CASELIT Z P, GEYLER M, GIEBHARDT J, et al. Hardw ar e� in�th e� loop developm ent and test ing of n ew pitch con tr ol algorithm s/ / Pr oceedings of European W ind Energy Conference & Exhibit ion, Feb ruary 27�March 2, 2006, Athen s, Greece. [ 7] 林勇刚.大型风力机变桨距控制技术研究[ D] .杭州:浙江大学, 2005. [ 8] 郭威.大型风电机组变桨距系统设计及其智能控制方法研究 [ D] .天津:天津工业大学, 2007. [ 9] 秦立学.兆瓦级风力发电机组变桨距系统研究[ D] .沈阳:沈阳工 业大学, 2003. [ 10] 任丽蓉.兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统研究[ D] .重庆: 重庆大学, 2009. [ 11] 潘菊初.风电电动变桨伺服控制系统的研发/ /中国仪器仪表学 会 2008学术年会暨第二届智能检测控制技术及仪表装置发展 研讨会论文集, 2008年 11月 18 � 21日,北京: 192�196. 汪海波( 1983 � ) ,男 ,通信作者, 硕士,主要研究方向: 电 动变桨距控制系统。E�mail: w hb0898@ 163. com 田 � 炜( 1978 � ) ,男 ,硕士,工程师,主要研究方向:风力 发电控制技术。 鲁 � 斌( 1984 � ) , 男, 主要研究方向: 风力发电控制技 术。 A Design Scheme of Test�bed for Electrical Pitch System of Megawatt RatedWind Turbine�driven Generator WA NG H aibo , T IAN Wei , L U Bin, L I U J ian ( Stat e G rid Electr ic Power Resea rch Instit ute, Nanjing 210003, China) Abstract: Large�scale variable speed constant frequency wind turbine�driven gener ator usua lly adopts adjustable pitch contr ol technolog y to keep the output pow er above the rat ed w ind speed stable, ensur ing the safety of t he system. Electrica l pitch sy stem has been w idely applied in the adjustable pitch w ind t urbine because of its simple str ucture, easy to impose a var iety o f cont rol strateg y, and high reliabilit y. The operating pr inciple of the electr ical pitch sy stem of megawatt r ated w ind turbine� dr iven gener ator is introduced, and the permanent magnet synchronous motor ( PM SM ) is cho sen as the execut ive moto r of the pr oposed sy st em. Based on the analysis above, an electr ical pit ch contro l sy st em composed of a PMSM and its load simulation test�bed ar e designed. It also pro vides an effectiv e w ay to test the perfo rmance and reliability of the electr ical pitch system in the gr ound. Key words: electrical adjustable pitch contro l; test�bed; serv o system; PMSM ; wind power �77� � 绿色电力自动化� � 汪海波,等 � 兆瓦级风电机组电动变桨距系统测试平台设计