毕业设计大容量风力发电机组变桨系统的对比分析

酒泉职业技术学院

毕业论文

题目：大容量风力发电机组 变桨系统的对比分析

毕业时间：二O 一五年六月 学生姓名：师元胜 指导教师：程明杰

班级： 12级风电1班

2014年 6月20日

目录

摘要 ....................................................... 1

一、变桨系统的概念 ......................................... 1

（一）综述 .............................................. 1

（二）变桨的作用......................................... 2

1、功率调节作用 . ...................................... 2

2、气动刹车作用 . ...................................... 2

（三）机组对变桨系统的要求 . .............................. 3

二、电动变桨 ............................................... 3

（一）电动变桨系统的机械结构 . ............................ 3

（二）电动变桨的构成元件 . ................................ 5

1、变桨系统及备用电源 . ................................ 6

2、变桨电机 .......................................... 7

3、伺服驱动器......................................... 8

（三）电动变桨系统的工作过程 . ............................ 9

三、液压变桨 .............................................. 10

（一）液压系统变桨的液压回路结构 . ....................... 10

（二）液压变桨系统的工作过程 . ........................... 12

四、电动变桨与液压变桨的对比 . .............................. 13

(一) 性能对比 ........................................... 13

（二）供应链的比较 . ..................................... 14

五、结论 .................................................. 15

参考文献： ................................................ 16

致谢 ...................................................... 17

大容量风力发电机组变桨系统的对比分析

摘要：变桨距已经取代定桨距成为风力机组的主流。变桨系统是风力机组功率控制和安全运行的重要执行结构，在风力发电机组中发挥着重要的作用。变桨系统也是我们研究风力发电的一个重要环节。本文将对大容量风力发电机组的电动变桨系统和液压变桨系统做一个对比分析。

关键词：变桨系统；电动变桨；液压变桨；数据分析；风力发电

一、变桨系统的概念

（一）综述

变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。

变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。

风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。

风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。

变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用

于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。

由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。

每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。

风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。

（二）变桨的作用

根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。

1、功率调节作用

变桨距控制是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法，变桨目的是通过控制桨距角，调节叶轮吸收风能的功率。在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能的捕捉较多的风能，桨距角设定值设定在能够吸收最大功率的最优值，所以这时机组运行没有必要改变桨距角，一般桨距角设定在0°附近，以便让叶轮尽可能多的吸收风能，此时，空气动力载荷通常比在额定风速小。额定风速以上阶段时，变速控制器和变桨控制器共同作用，通过变速控制器即控制发电机的扭矩使其恒定，从而恒定功率；通过变桨调节发电机转速，使其始终跟踪发电机转速的设定值。改变桨距角充分的吸收风能使功率最大化，保证风机的利用率达到最高。

2、气动刹车作用

当风机处于维护状态时，提供手动变桨及其它安全维护及检修的功能。当电网电压掉电时，由备电电源提供电气系统工作电压，主要完成顺桨功能。轴柜变桨调节方式应分为自动/手动两种模式，自动/手动模式设置通过两位置开关实现，手动模式正、反向调节及停止设置通过三位置开关实现。当风机处于维护状态且变桨调

节处于手动模式时，可以实现每个叶片单独变桨，但每次只能有一个轴柜可以通过相应控制开关，使变桨电机在正、反方向旋转来调节桨距角；其它两个叶片桨距角必须处于90°位置，否则手动变桨功能失效。

（三）机组对变桨系统的要求

变桨系统工作环境恶劣，长期承受振动、高低 温的影响，维护困难，故要求其具有较高的可靠性。在一定桨距角下，风力机组俘获的风能与风速的三次方成正比，特别是在高风速段的变化，引起风力机组俘获风能变化极大。为了保证平稳控制功率，风力机组正常运行时要求变桨速度达到5°/s～ 7°/s。在风力机组出现故障需紧急停机时，原则上 要求在机械部件允许的应力下，变桨加速度和速度越快越好，在0.8s 内从静止加速到最大速度 8°/s～10°/s。为保证功率控制的精度和稳定性，位置误差要求在0.1°以内。

由于桨叶在不同桨距角受到的气动应力不同，风力机组3个桨距角不同步将造成风轮的气动不平衡，严重时会对风力机组的安全运行造成影响。因此对3个桨叶位置定位精度及运动过程的同步性有一定要求，要求同步误差小于1.5°。

本质上讲，变桨系统是对同步性能有一定要求的三轴位置随动系统。

二、电动变桨

电动变桨是用电动机作为变桨动力，通过伺服驱动器控制电动机带动减速机的输出轴齿轮旋转，输出轴齿轮与桨叶根部回转支承的内侧的齿轮啮合，带动桨叶进行变桨。

（一）电动变桨系统的机械结构

电动变桨系统以桨叶驱动系统（MDS ）为例，MDS 系统由三套独立的变桨装置组成，变桨系统如图（1）所示。系统由伺服电动机驱动器、蓄电池组、交流伺服电动机、制动电阻器、变速齿轮箱、旋转光电编码器、叶片角度编码器以及限位开关等部分组成。机械部分包括回转支承、减速机和传动装置等。减速机固定在轮毂上，回转支承的内环安装在叶片上，叶片轴承的外环固定在轮毂上。伺服电动机带动减

速机的输出轴小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的内环啮合，从而带动回转支承的内环与叶片，一起旋转，实现了改变桨距角的目的。某型电动变桨风机轮毂内部如图

（2）所示，可以看到轮毂内部结构，回转支承的内环一圈为桨叶的安装孔，驱动齿轮与回转支承的内环上的齿相啮合

图1电动变桨系统驱动示意图

图2电动变桨风机轮毂内部结构图

伺服电动机驱动器位于轮毂内，它由控制器和变频器组成，电源以及通信链路通过滑环与机舱内的风机控制系统相连。变桨系统正常工作时由三相230V 交流电源为伺服电动机驱动器供电，为系统提供变桨动力。系统采用双闭环控制，通过伺服驱动器内置的两组PID 调节器对电动机速度和桨叶角度进行控制。一个PID 调节器利用与电动机同轴的旋转光电编码器的反馈值控制伺服电动机的速度和输出力矩，对交流伺服电动机进行空间矢量控制，以保证良好的动态响应以及足够机械特性硬度，使桨叶角度不受强劲变化的风力影响。另一个PID 调节器利用与桨叶同步旋转的角度编码器的反馈值来控制桨叶的旋转角度，保证桨叶的定位精度。

通过公用通信数据链，在变桨距主控制器的监督下，三组桨叶能够实现高性能的同步机制，以保证桨叶角度能够严格同步.MDS 控制器参数通过公用通信链对电动机温度、电源情况、限位开关及电动机刹车状态等多项参数进行监视，一旦出现故障立即将桨叶转动到安全位置。

（二）电动变桨的构成元件

电动变桨系统主要由变桨控制器、备用电源、 伺服驱动器和电机4个部分组成，图3示出较为常用的一种变桨系统（变桨系统结构示意图3）

图3电动变桨控制器结构框图

1、变桨系统及备用电源

变桨控制器是变桨系统的中枢，负责与风力 机组控制器及伺服驱动器的通讯，以及温度检测与控制、集中润滑、配电管理、监控保护、安全链和人机交互等功能。从安全角度考虑，变桨控制器需在逻辑上保证在维护或者修理状态仅能有1个桨叶离开顺桨位置。

备用电源由储能元件和充电器组成。如图4所示，备用电源需在主电源发生停电故障时为系统供电，使电动变桨系统将桨叶从零驱动到90°的顺桨位置。绝大多数时间里备用电源备而不用，故3个储能元件共用1个充电器，轮换充电，以降低设备成本。

出于对工作环境的考虑，储能元件必须免维护、可倒置、随桨叶旋转时无漏液，且必须满足变桨系统对温度范围、寿命等方面的要求，通常采用蓄电池或者超级电容作为储能元件备用电源的容量是变桨系统能否顺利顺桨的关键，采用阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA ）作为储能元件时，其设计容量应满足3～5次顺桨的需要；采用锂电池作为储能元件时，其设计容量可比 VRLA适当减少；采用超级电容作为储能元件时， 其设计容量应满足1.5～2次变桨的需要

备用电源的容量是变桨系统能否顺利顺桨的关键，采用阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA ）作为储能元件时，其设计容量应满足3～5次顺桨的需要；采用锂电池作为储能元件时，其设计容量可比 VRLA适当减少；采用超级电容作为储能元件时， 其设计容量应满足1.5～2次变桨的需要

图4风机变桨系统后备电源

图5电动变桨系统

2、变桨电机

电机（如图示6所示）是变桨动作的最终执行元件，其特性对变桨系统的性能有着重要影响。在变桨系统中，可采用的电机主要有4种：有刷直流电机、感应异步电机、无刷直流电机和永磁同步电机

感应异步电机结构简单、可靠性高、但体积稍大，适用于环境条件恶劣、不易维护但控制精度要求稍低的场合；无刷直流电机和永磁同步电机功率密度高、体积小、控制精度高，非常适用在对安装空间有严格要求的场合

直流电机控制简单、控制性能好，在变桨系统上取得了广泛应用。但是直流电机的电刷和换向器不仅降低了电机的可靠性，也增加了电机长度，对在轮毂这种狭小空间内的安装使用造成了不利影响。矢量控制技术解决了交流电机在伺服驱动中的动态控制问题，使交流伺服驱动系统的性能可与直流伺服系统相媲美，而且总体成本更低。变桨系统中，有刷直流电机必定被交流伺服电机所取代。

图6电动变桨电机

3、伺服驱动器

伺服驱动器根据变桨控制器发过来的指令， 驱动电机旋转，通过减速器后带动桨叶旋转，完成对桨叶角度的随动控制。变桨系统通常采用位置环、速度环、电流环的三闭环控制方式。按照位置环闭环位置的不同，伺服驱动器功能可分为位置伺服控制和速度伺服控制两类

图7速度伺服控制环框图

图7示出速度伺服控制环框图。由伺服驱动器完成速度伺服功能时，变桨控制器向伺服驱动器发出速度指令，并实时统一协调，以此保证变桨系统的同步。该控制方式下，伺服驱动器接口少，功能要求较低。

图8位置伺服系统环框图

图8示出位置伺服控制环框图。由伺服驱动器完成位置伺服功能时，出于对3个桨叶变桨同步性的考虑，变桨控制器向伺服驱动器同时发出位置指令和速度指令，即以指定的速度到达指定位置。该控制方式下，各部件间功能耦合少，连接简单，但对伺服驱动器功能要求较高。

与大多数伺服系统不同，考虑到风力机组的安全，变桨系统伺服电机的D 端均安装有刹车盘。在风力机组正常运行时，刹车盘处于松开状态，不对运行产生任何影响；当由于机组故障或者电网失电等原因，风力机组停止运行、桨叶在顺桨位置时，刹车盘处于刹车状态，防止桨距角因风漂移或其他原因桨叶误动。

（三）电动变桨系统的工作过程

风机在运行和暂停模式下，桨叶连续变桨。连续变桨时伺服驱动器通过通信总线接收主控制器的变桨命令，输出一个较低频率的电压使伺服电动机低速转动，通

过齿轮箱带动桨叶缓慢进行变桨，变桨速度可低至0.01°/s，只要改变变频器输出电压的相序，就能够改变伺服电动机的转向，通过电动机的正、反转使桨叶向90°或者0°方向连续变桨。桨叶的极限位置由与回转支承啮合的位置传感器内部的90°和0°两个行程开关来决定，从而保护桨叶角度不会超过安全范围。

风机在停止和紧急停止模式下，风机将全顺桨。全顺桨时伺服驱动器通过通信总线接收主控制器的变桨命令，由变频器输出一个较高频率使伺服电动机高速转动，通过齿轮箱带动桨叶快速顺桨，一般采用电动变桨的系统的风机全顺桨时桨叶速度可达15°/s，使桨叶快速转到90°。为了克服桨叶高速转动时惯性的影响，防止变桨速度过快，在变频器直流母线上设置了制动电阻，当桨叶快速转动时，交流伺服电动机的转速将超过同步转速，电动机处于再生制动状态，变频器直流母线电压将上升，产生的能量将消耗在制动电阻上，从而为电动机提供制动力矩，为桨叶提供阻尼作用。风机在停止状态时，桨叶在90°位置上的定位则由一组电磁制动器来控制。

在风机失电的情况下，紧急变桨的动力由一组蓄电池组来提供的，蓄电池组并联在变频器的直流母线上，平时通过充电器浮充以保持充足的功率，一旦系统失电，蓄电池组立即不间断的为变频器的直流回路供电，由变频器驱动交流伺服电动机迅速使桨叶全顺桨

三、液压变桨

电—液伺服变桨又称液压变桨，变桨系统由电动液压泵为工作动力，液压油为传递介质，电磁阀（比例电磁阀）作为控制元件，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。

（一）液压系统变桨的液压回路结构

液压变桨系统以vcslas 公司的v80型风机为例，变浆距伺服控制系统的原理框图如图9所示。变浆距控制系统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。轮毂控制器与主控制器通过ARCNET 总线通信，浆距参考值由主控制器通过通信总线给定，由轮毂控制器进行变桨控制

运算。轮毂控制器根据起/停机信号、风速以及风机的输出功率进行变桨控制。

图9变浆距伺服控制系统的原理框图

它由油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄压器以及三套独立的变桨装置组成。 桨叶与轮毂之间通过一个四点球轴承在整流罩内进行连接，使桨叶可以进行轴向运动，液压油缸一端固定在轮毂支架上，另一端可伸缩的活塞杆连接在桨叶根部轴承的外圆切线上，这样活塞杆的直线运动能够转化为桨叶的圆周运动，风机的变桨角度为-5°-90°。

液压系统由各种液压元件组成。液压元件可分为动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件。动力元件将机械能转换为液体压力能，如液压泵。控制元件控制系统压力、流量、方向，以及信号转换和放大。作为控制元件的主要是各类液压阀。执行元件将流体的压力装置能转换为机械能，驱动各类机构，如液压缸。辅助元件为保证系统正常工作除上述元件外的装置，如邮箱、过滤器、蓄能器、管件等。

（二）液压变桨系统的工作过程

图10液压执行机构简化原理图

风机在运行和暂停模式下，桨叶进行连续变桨。

叶片向-5°方向旋转时：电磁阀YV1、YV2、YV3和YV4通电，液压比例阀交叉连接端线圈通电（P 与B 、A 与T 连通），液压油经泵P —止回阀V1—旋转接头—止回阀V3—电磁阀YV4—比例阀2V3的P_B端—止回阀V5—到油缸的B 端，推动油缸活塞杆右移，液压油从油缸A 端—电磁阀YV3—比例阀2V3的A_T—回到油箱。

叶片向90°方向旋转时：电磁阀YV1、YV2、YV3和YV4通电，液压比例阀直接连接端线圈通电（P 与A 、T 与B 连通），液压油经比例阀2V3的P_A端—电磁阀YV3到油缸的A 端，液压油从油缸B 端—止回阀V8—电磁阀YV4—回到压力管，由于油缸A 端的活塞面积大于B 端，因此活塞杆将向左移。

风机在停止和紧急停止模式下，风机将全顺桨

液压变桨系统在全顺桨时桨叶由一组常开型紧急变桨电磁阀YV1、YV2来控制，电磁阀的特征是完全打开或完全关闭，它使液压回路中的流量迅速增加，以实现快速顺桨作业。由于此时液压泵为停止状态，液压系统的备用动力来自于液压回路中数个充有氮气并预加压至14.3MPa 的蓄压器。全顺桨时，电磁阀YV1、YV2、YV3和YV4均失电，液压油从蓄压器Z3压出—经流量控制阀V7—电磁阀YV2—止回阀V6到达油缸的A 端，液压油从油缸的B 端流出，经电磁阀YV1—带控制端的流量阀V9—回到油箱。