【正文】 酒 泉 職 業(yè) 技 術 學 院 畢業(yè) 論 文 2021 級 風能與動力技術 專業(yè) 題 目 ： 大容量風力發(fā)電機組 變槳系統(tǒng)的對比分析 畢業(yè)時間： 二 O 一五年六月 學生姓名： 指導教師： 班 級： 12 級風電 1 班 2021 年 6 月 20 日 目 錄 摘要 .................................................................. 1 一、變槳系統(tǒng)的概念 .................................................... 1 （一）綜述 ......................................................... 1 （二）變槳的作用 ................................................... 2 功率調(diào)節(jié)作用 ................................................ 2 氣動剎車作用 ................................................ 2 （三）機組對變槳系統(tǒng)的要求 ......................................... 3 二、電動變槳 .......................................................... 3 （一）電動變槳系統(tǒng)的機械結構 ....................................... 3 （二）電動變槳的構成元件 ........................................... 5 變槳系統(tǒng)及備用電源 .......................................... 5 變槳電機 .................................................... 7 伺服驅(qū)動器 .................................................. 8 （三）電動變槳系統(tǒng)的工作過程 ....................................... 9 三、液壓變槳 ......................................................... 10 （一）液壓系統(tǒng)變槳的液壓回路結構 .................................. 10 （二）液壓變槳系統(tǒng)的工作過程 ...................................... 12 四、電動變槳與液壓變槳的對比 ......................................... 13 (一 )性能對比 ...................................................... 13 （二）供應鏈的比較 ................................................ 14 五、結論 ............................................................. 15 參考文獻： ........................................................... 16 致謝 ................................................................. 17 1 大容量風 力發(fā)電機組 變槳系統(tǒng)的對比分析 摘要 ： 變槳 距已經(jīng)取代定槳距 成為風力機組的主流 。變槳系統(tǒng)是 風力機組功率控制和安全運行的重要執(zhí)行結構， 在風力發(fā)電機組中 發(fā)揮著重要 的 作用。 變槳系統(tǒng)也是我們研究風力發(fā)電的一個重要環(huán)節(jié)。 本文將對大容量 風力發(fā)電機組 的電動變槳系統(tǒng)和液壓變槳系統(tǒng)做一個對比分析。 關鍵詞： 變槳系統(tǒng)；電動變槳；液壓變槳； 數(shù)據(jù)分析 ；風力發(fā)電 一、 變槳系統(tǒng)的 概念 （一） 綜述 變槳系統(tǒng)的所有部件都安裝在輪轂上。風機正常運行時所有部件都隨輪轂以一定的速度旋轉(zhuǎn)。 變槳系統(tǒng)通過控制葉片的角度來控制風輪的轉(zhuǎn)速，進而控制風機的輸出功率，并能夠通過空氣動力制動的方式使風機安全停機。 風機的葉片（根部）通過變槳軸承與輪轂相連，每個葉片都要有自己的相對獨立的電控同步的變槳驅(qū)動系統(tǒng)。變槳驅(qū)動系統(tǒng)通過一個小齒輪與變槳軸承內(nèi)齒嚙合聯(lián)動。 風機正常運行期間，當風速超過機組額定風速時（風速在 12m/s 到 25m/s 之間時），為了控制功率輸出變槳角度限定在 0 度到 30 度之間（變槳角度根據(jù)風速的變化進行自動調(diào)整），通過控制葉片的角度使風輪 的轉(zhuǎn)速保持恒定。任何情況引起的停機都會使葉片順槳 到 90度位置（執(zhí)行緊急順槳命令時葉片會順槳到 91度限位位置）。 變槳系統(tǒng)有時需要由備用電池供電進行變槳操作（比如變槳系統(tǒng)的主電源供電失效后），因此變槳系統(tǒng)必須配備備用電池以確保機組發(fā)生嚴重故障或重大事故的情況下可以安全停機（葉片順槳到 91 度限位位置）。此外還需要一個冗余限 位開關（用于 95 度限位），在主限位開關（用于 91 度限位）失效時確保變槳電機的安全制動。 由于機組故障或其他原因而導致備用電源長期沒有使用時，風機主控就需要檢查備用電池的狀態(tài)和備用電池供電變槳操作功能的正常性。 2 每個變槳驅(qū)動系統(tǒng)都配有一個絕對值編碼器安裝在電機的非驅(qū)動端（電機尾部），還配有一個冗余的絕對值編碼器安裝在葉片根部變槳軸承內(nèi)齒旁，它通過一個小齒輪與變槳軸承內(nèi)齒嚙合聯(lián)動記錄變槳角度。 風機主控接收所有編碼器的信號，而變槳系統(tǒng)只應用電機尾部編碼器的信號，只有當電機尾部編碼器失效時風機主控才會控制變槳系統(tǒng) 應用冗余編碼器的信號。 （二） 變槳的作用 根據(jù)風速的大小自動進行調(diào)整葉片與風向之間的夾角實現(xiàn)風輪對風力發(fā)電機有一個恒定轉(zhuǎn)速；利用空氣動力學原理可以使槳葉順漿 90176。與風向平行，使風機停機。 功率調(diào)節(jié)作用 變槳距控制是最常見的控制風力發(fā)電機組吸收風能的方法，變槳目的是通過控制槳距角，調(diào)節(jié)葉輪吸收風能的功率。在額定風速以下時，風力發(fā)電機組應該盡可能的捕捉較多的風能，槳距角設定值設定在能夠吸收最大功率的最優(yōu)值，所以這時機組運行沒有必要改變槳距角，一般槳距角設定在 0176。 附近，以便讓葉輪盡可能多的吸收風能，此時，空氣動力載荷通常比在額定風速小。額定風速以上階段時，變速控制器和變槳控制器共同作用，通過變速控制器即控制發(fā)電機的扭矩使其恒定，從而恒定功率；通過變槳調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使其始終跟蹤發(fā)電機轉(zhuǎn)速的設定值。改變槳距角充分 的吸收風能使功率最大化，保證風機的利用率達到最高。 氣動剎車作用 當風機處于維護狀態(tài)時，提供手動變槳及其它安全維護及檢修的功能。當電網(wǎng)電壓掉電時，由備電電源提供電氣系統(tǒng)工作電壓，主要完成順槳功能。軸柜變槳調(diào)節(jié)方式應分為自動 /手動兩種模式，自動 /手動模式設置通過兩位置開關實現(xiàn)，手動模式正、反向調(diào)節(jié)及停止設置通過三位置開關實現(xiàn)。當風機處于維護狀態(tài)且變槳調(diào)節(jié)處于手動模式時，可以實現(xiàn)每個葉片單獨變槳，但每次只能有一個軸柜可以通過相應控制開關，使變槳電機在正、反方向旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)槳距角；其它兩個葉片槳距角必須處于 90176。位置，否則手動變槳功能失效。 3 （三） 機組對變槳系統(tǒng)的要求 變槳系統(tǒng)工 作環(huán)境惡劣，長期承受振動、高低 溫的影響，維護困難，故要求其具有較高的可靠性。在一定槳距角下，風力機組俘獲的風能與風速的三次方成正比，特別是在高風速段的變化，引起風力機組俘獲風能變化極大。為了保證平穩(wěn)控制功率，風力機組正常運行時要求變槳速度達到 5176。 /s～ 7176。 /s。在風力機組出現(xiàn)故障需緊急停機時，原則上 要求在機械部件允許的應力下，變槳加速度和速度越快越好，在 8176。 /s～ 10176。 /s。為保證功率控制的精度和穩(wěn)定性，位置誤差要求在 176。以內(nèi)。 由于槳葉在不同槳距角受到的氣動應力不 同，風力機組 3 個槳距角不同步將造成風輪的氣動不平衡，嚴重時會對風力機組的安全運行造成影響。因此對 3 個槳葉位置定位精度及運動過程的同步性有一定要求，要求同步誤差小于 176。 本質(zhì)上講，變槳系統(tǒng)是對同步性能有一定要求的三軸位置隨動系統(tǒng)。 二、 電動變槳 電動變槳是用電動機作為變槳動力，通過伺服驅(qū)動器控制電動機帶動減速機的輸出軸齒輪旋轉(zhuǎn)，輸出軸齒輪與槳葉根部回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)側的齒輪嚙合，帶動槳葉進行變槳。 （一） 電動變槳系統(tǒng)的 機械 結構 電 動變槳系統(tǒng)以槳葉驅(qū)動系統(tǒng)（ MDS）為例， MDS 系統(tǒng)由三套獨立的變槳裝置組成，變槳系統(tǒng)如圖 （ 1） 所示。系統(tǒng)由伺服電動機驅(qū)動器、蓄電池組、交流伺服電動機、制動電阻器、變速齒輪箱、旋轉(zhuǎn)光電編碼器、葉片角度編碼器以及限位開關等部分組成。機械部分包括回轉(zhuǎn)支承、減速機和傳動裝置等。減速機固定在輪轂上，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)安裝在葉片上，葉片軸承的外環(huán)固定在輪轂上。伺服電動機帶動減速機的輸出軸小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)嚙合，從而帶動回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)與葉片，一起旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了改變槳距角的目的。某型電動變槳風機輪轂內(nèi)部如圖（ 2） 所示，可以看到輪轂內(nèi)部結構，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)一圈為槳葉的安裝孔，驅(qū)動齒 4 輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)上的齒相嚙合 圖 1電動變槳系統(tǒng)驅(qū)動示意圖 圖 2電動變槳風機輪轂內(nèi)部結構圖 伺服電動機驅(qū)動器位于輪轂內(nèi)，它由控制器和變頻器組成，電源以及通信鏈 路通過滑環(huán)與機艙內(nèi)的風機控制系統(tǒng)相連。變槳系統(tǒng)正常工作時由三相 230V 交流電源為伺服電動機驅(qū)動器供電，為系統(tǒng)提供變槳動力。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，通過伺服 5 驅(qū)動器內(nèi)置的兩組 PID 調(diào)節(jié)器對電動機速度和槳葉角度進行控制。一個 PID 調(diào)節(jié)器利用與電動機同軸的旋轉(zhuǎn)光電編碼器的反饋值控制伺服電動機的速度和輸出力矩，對交流伺服電動機進行空間矢量控制，以保證良好的動態(tài)響應以及足夠機械特性硬度，使槳葉角度不受強勁變化的風力影響。另一個 PID 調(diào)節(jié)器利用與槳葉同步旋轉(zhuǎn)的角度編碼器的反饋值來控制槳葉的旋轉(zhuǎn)角度，保證槳葉的定位精度。 通過公用通信數(shù)據(jù)鏈，在變槳距主控制器的監(jiān)督下，三組槳葉能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的同步機制，以保