毕业设计大容量风力发电机组变桨系统的对比分析(编辑修改稿)

毕业设计大容量风力发电机组变桨系统的对比分析(编辑修改稿)内容摘要：

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 6 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 90176。 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 ～ 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 ～ 2次变桨的需要 图 4 风机变桨系统后备电源 7 图 5 电动变桨系统 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。 变桨电机及减速器 回转支撑 8 图 6电动变桨电机 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 9 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 10 过齿轮箱带动桨叶缓慢进行变桨，变桨速度可低至 176。 /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 90176。 或者 0176。 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 90176。 和 0176。 两个行程开关来决定，从而保护桨叶角度不会超过安全范。