變槳軸承安裝及導(dǎo)流罩套裝

1、畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計（論計（論 文）文） 10 級 風(fēng)能與動力技術(shù) 專業(yè)題 目：變槳軸承安裝及導(dǎo)流罩套裝畢業(yè)時間： 二 o 一二年六月 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 班 級： 2011 年 2 月 20 日1.5mw 二代風(fēng)機二代風(fēng)機變槳軸承安裝及導(dǎo)流罩套裝變槳軸承安裝及導(dǎo)流罩套裝2摘要：作為綠色能源的風(fēng)能,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也成為各國學(xué)者競相研究的熱點。與發(fā)達國家相比,我國在風(fēng)力機的大型化、變槳距控制、變速恒頻等先進風(fēng)電技術(shù)的研究方面還存在較大的差距。隨著風(fēng)力發(fā)電機組單機容量的大型化,變槳距控制風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因其高效性和實用性正受到越來越多的重視。因此,開展對風(fēng)力機變槳距控制系統(tǒng)及其驅(qū)動系統(tǒng)的研究具有重要

2、的意義。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組在我國是一種新型的產(chǎn)品，但在國外已經(jīng)發(fā)展了很長時間。目前我國在直驅(qū)式風(fēng)機中系統(tǒng)的研究相對傳統(tǒng)機型較少，但開發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組也是我國日后風(fēng)機制造的趨勢之一。這里我們對直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)控制的模型進行探討。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: :風(fēng)力發(fā)電；變槳軸承；變槳鎖；直驅(qū)式；預(yù)緊裝置；上、下支撐。目目 錄錄3一、一、1.5mw 二代二代直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組葉輪簡介直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組葉輪簡介4（一）直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)4（二）變槳軸承安裝工藝5（三）導(dǎo)流罩套裝工藝6二、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組變槳特性敘述二、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組變槳特性敘述7（一） 不同變槳角度下的特性 7（二）變槳的調(diào)

3、節(jié)方式10三三 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的變槳控制模型直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的變槳控制模型11（一）變槳控制12（二）轉(zhuǎn)速控制 a(發(fā)電機脫網(wǎng)) 12（三）轉(zhuǎn)速控制 b（發(fā)電機并網(wǎng)） 13參考文獻參考文獻15致謝致謝164一、一、1.5mw 二代二代直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組葉輪簡介直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組葉輪簡介（一）（一）直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組葉輪結(jié)構(gòu)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組葉輪結(jié)構(gòu)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到葉輪軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。國際先進的無齒輪箱直驅(qū)

4、風(fēng)力發(fā)電機，多沿用低速多極永磁發(fā)電機，并使用一臺全功率變頻器將頻率變化的風(fēng)電送入電網(wǎng)。直接驅(qū)動式風(fēng)力發(fā)電機組由于沒有齒輪箱，零部件數(shù)量相對傳統(tǒng)風(fēng)電機組要少得多。其主要部件包括：葉輪葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、發(fā)電機定子、偏航系統(tǒng)、測風(fēng)系統(tǒng)、底板、塔架等（如圖 1.1 所示） 。1葉輪葉片 2. 輪轂 3. 變槳系統(tǒng)。4. 發(fā)電機轉(zhuǎn)子 5. 發(fā)電機定子 6. 偏航系統(tǒng)7. 測風(fēng)系統(tǒng) 8. 底板 9. 塔架5（二）直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機總體設(shè)計方案（二）直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機總體設(shè)計方案直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組采用水平軸、三葉片、上風(fēng)向、變槳距調(diào)節(jié)、直接驅(qū)動、永磁同步發(fā)電機并網(wǎng)的總體設(shè)計方案， 水平軸風(fēng)力發(fā)電

5、機的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向是水平方向的。三葉片是指風(fēng)機的葉片有三個，上風(fēng)向是指風(fēng)先吹過葉輪，后吹到塔架。變槳距也就是調(diào)節(jié)槳距角。在風(fēng)力機中，通過對槳距角的主動控制可以克服定槳距/被動失速調(diào)節(jié)的許多缺點。槳距角最重要的應(yīng)用是功率調(diào)節(jié)，槳距角的控制還有其他優(yōu)點。當(dāng)風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)時，采用較大的正槳距角可以產(chǎn)生一個較大的啟動力矩。 停機的時候，經(jīng)常使用 90的槳距角，因為在風(fēng)力機剎車制動時，這樣做使得風(fēng)輪的空轉(zhuǎn)速度最小。在 90正槳距角時，葉片稱為“順漿”。在額定風(fēng)速以下時，風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)該盡可能地捕捉較多的風(fēng)能，所以這時沒有必要改變槳距角，此時的空氣動力載荷通常比在額定風(fēng)速之上時小，因此也沒有必要通過變槳距來調(diào)

6、節(jié)載荷。然而，恒速風(fēng)力發(fā)電機組的最佳槳距角隨桌風(fēng)速的變化而變化，因此對于一些風(fēng)力發(fā)電機組，在額定風(fēng)速以下時，槳距角隨風(fēng)速儀或功率輸出信號的變化而緩慢地改變季度。在額定風(fēng)速以上時，變槳距控制可以有效調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機組吸收功率及葉輪產(chǎn)生載荷，使其不超過設(shè)計的限定值。然而，為了達到良好的調(diào)節(jié)效果，變槳距控制應(yīng)該對變化的情況作出迅速的響應(yīng)。永磁是指型發(fā)電機采用永磁體勵磁,消除了勵磁損耗,提高了效率,實現(xiàn)了發(fā)電機無刷化;并且運行時,不需要從電網(wǎng)吸收無功功率來建立磁場,可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù);采用風(fēng)力機對發(fā)電機直接驅(qū)動的方式,取消了齒輪箱,提高了風(fēng)力發(fā)電機組的效率和可靠性,降低了設(shè)備的維護量,減少了噪聲污染

7、。（三）直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機相對于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機組的優(yōu)點（三）直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機相對于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機組的優(yōu)點 (1) 由于傳動系統(tǒng)部件的減少，提高了風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性和可利用率； (2) 永磁發(fā)電技術(shù)及變速恒頻技術(shù)的采用提高了風(fēng)電機組的效率； (3) 機械傳動部件的減少降低了風(fēng)力發(fā)電機組的噪音；6 (4) 可靠性的提高降低了風(fēng)力發(fā)電機組的運行維護成本； (5) 機械傳動部件的減少降低了機械損失，提高了整機效率； (6) 利用變速恒頻技術(shù)，可以進行無功補償，能較好地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率，無功功率；(7) 由于減少了部件數(shù)量，使整機的生產(chǎn)周期大大縮短。二、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組變槳特性敘述二、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電

8、機組變槳特性敘述直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組為變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)機，變槳是距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機組是指安裝在輪轂上的葉片，通過調(diào)節(jié)可以改變其槳距角的大小。在運行過程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在 0 位置不變，不做任何調(diào)節(jié)；當(dāng)輸出功率達到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率變化調(diào)整槳距角的大小，時發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。隨著風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)輸出功率小于額定功率狀態(tài)時，可以根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比，優(yōu)化輸出功率。按照變槳距風(fēng)力發(fā)電機的最大功率捕獲原理，風(fēng)力發(fā)電機從切入風(fēng)速到額定風(fēng)速這一過程中，通過變槳距技術(shù)可以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組工作在最優(yōu)化的工況下。

9、從實際風(fēng)速分布統(tǒng)計情況來看，風(fēng)力發(fā)電機組運行最多的時段也基本上是集中在這一工況下，且這一工況下的出力最多，這是變槳距機組的優(yōu)勢。變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點是槳葉及機組各個承力部件受力較小，槳葉及機組各個承力部件制作較為輕巧，即可節(jié)省材料又可降低成本。槳距角可以隨風(fēng)速的大小而進行自動調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能多的吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，同時在高于額定風(fēng)速段能保持滿功率平穩(wěn)輸出。其缺點是結(jié)構(gòu)及控制比較復(fù)雜，故障率相對較高。（一）（一） 不同變槳角度下的特性不同變槳角度下的特性葉片在運行期間，它會在風(fēng)速變化的時候繞其徑向軸轉(zhuǎn)動。因此，在整個風(fēng)速范圍內(nèi)可能具有幾乎最佳的槳距角和較低的切入風(fēng)速。在高風(fēng)速下，改變槳距角以減少

10、功角，從而減小了在葉片上的氣動力。這樣就保證了葉輪輸出功7率不超過發(fā)電機的額定功率。1.1.不同變槳角度下的特性不同變槳角度下的特性根據(jù)葉素理論，當(dāng)一個葉素在流暢中運動時，葉素的上表面是負(fù)壓力（吸力）；下表面是正壓力。由于壓力分布在葉素上而產(chǎn)生的載荷，可以用兩個力（升力 l 垂直于風(fēng)向 v；阻力 d 平行于風(fēng)向并與升力垂直）和一個力矩（俯仰力矩 m）來表示。 對于變槳距風(fēng)力機來說，調(diào)節(jié)變槳也同時意味著調(diào)節(jié)功角的大小。變槳距風(fēng)力機的實際工作中，往往也通過軸承機構(gòu)轉(zhuǎn)動葉片來減小功角 ，以此來減小 cl，減小升力，扭矩和功率。這里我們分析變槳距風(fēng)機在不同變槳角度下的特性(1) 首先我們先舉例一個風(fēng)機

11、的電機的功率曲線圖。如圖 2.1 所示： 由圖 2 .1 變槳距風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線圖可以看出發(fā)電機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)能夠快速響應(yīng)風(fēng)速的變化，以吸收瞬變的風(fēng)能使，使輸出的功率曲線更加平穩(wěn)。 (2) 我們根據(jù)此風(fēng)力發(fā)電機的葉片特性，描繪出該風(fēng)機變槳角度是 0時，在不同的風(fēng)速下，葉輪對電機的驅(qū)動功率的大小。如圖 2.2 所示：82.3在上述的圖表中只列出了變槳角度為 0時的風(fēng)機的特性曲線，我們再繼續(xù)描繪變槳角度在 10和 20的情況下，變槳距風(fēng)機的特性曲線。如圖 2.3 所示： 圖 2.3 變槳距風(fēng)機變槳角為 0,10,20時的特性曲線在圖中我們很9清楚的看到在變槳角分別為 10和 20時，葉輪在不

12、同的風(fēng)速下對電機的驅(qū)動功率。為了使葉輪對電機的驅(qū)動功率能夠滿足電機的所能承受的狀態(tài)。根據(jù)圖2.3 我們便需要在不同的風(fēng)速條件下設(shè)定其合適的變槳角度。以滿足發(fā)電機所處的工作狀態(tài)再最優(yōu)狀態(tài)。例如：在風(fēng)速為 10m/s 的狀態(tài)下，通過變槳角度分別為 0和 10兩個特性曲線的對比。當(dāng)變槳為 10時，此時曲線與電機功率曲線交點在：葉輪轉(zhuǎn)速為 17rmp ，電機功率約為 350kw 處。此時的變槳角度如果為 0時，曲線與電機功率曲線的交點為：葉輪轉(zhuǎn)速為 8rmp ，電機功率約為100kw 處。由此可見，通過變槳距的調(diào)節(jié)，能夠有效的改善風(fēng)力發(fā)電機組的氣動性能。表 2.4 變槳距風(fēng)機在不同風(fēng)速下的變槳角度注：

13、此表沒有考慮到該風(fēng)機的最大切出風(fēng)速 實際的風(fēng)機設(shè)計中，要將變槳角在不同角度下的特性曲線細(xì)化，選出其在不同風(fēng)速下最優(yōu)化的變槳角度值。利用對風(fēng)機在不同變槳角度的特性。在設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機組的時候，可以結(jié)合到以下 3 點： (1) 保護風(fēng)力發(fā)電機組，防止過載。 (2) 最小化風(fēng)機的結(jié)構(gòu)載荷。 (3) 優(yōu)化控制模擬的變槳區(qū)域。（二）變槳的調(diào)節(jié)方式（二）變槳的調(diào)節(jié)方式( (功率調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)) )為了有效的控制高速變化的風(fēng)速引起的功率波動，變槳距風(fēng)力發(fā)電機組采10用了 rcc (rotor current control)技術(shù)，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的控制來迅速改變發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，從而改

14、變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，吸收瞬變風(fēng)速引起的功率波動。rcc 控制單元有效地減少了變槳距機構(gòu)的動作頻率及動作幅度使得發(fā)電機的輸出功率保持平衡，實現(xiàn)了變槳距風(fēng)力發(fā)電機組在額定風(fēng)速以上的額定功率輸出有效地減少了風(fēng)力發(fā)電機因風(fēng)速變化而造成的對電網(wǎng)的不良影響。 三三 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的變槳控制模型直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的變槳控制模型針對直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組所設(shè)計的變槳距控制系統(tǒng)圖如圖 31 所示。 圖 31 控制系統(tǒng)分布圖 在發(fā)電機并入電網(wǎng)前，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由速度控制器 a 根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，轉(zhuǎn)速控制器 b 與控制器起作用。功率控制器的任務(wù)主要是根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的功率曲線，調(diào)

15、整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器 b 的速度給定。11 節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。如圖 32 所示，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組并入電網(wǎng)前，由速度控制器 a 給出；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)后由速度控制器 b 給出。(二二)變槳控制變槳控制變槳控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，其控制過程如圖 32 所示。圖 32 變槳距控制系統(tǒng)變槳距控制器是一個非線性比例的控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變槳距系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng) d/a（數(shù)字量模擬量）轉(zhuǎn)換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥） ，驅(qū)動液壓缸活動，推動變槳距機構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘栍晌?/p>

16、移傳感器測量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。反饋信號和節(jié)距給定值進行比較，比較結(jié)果有三種，大于零，等于零，小于零。然后把比較信號輸給執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)變槳過程。12 （二）轉(zhuǎn)速控制（二）轉(zhuǎn)速控制 a(發(fā)電機脫網(wǎng)發(fā)電機脫網(wǎng))轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) a 在風(fēng)力發(fā)電機組進入待機狀態(tài)或從待機狀態(tài)重新起動時投入工作，如圖 33 所示在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升。控制器也用于在同步轉(zhuǎn)速（50hz 時 1500r/min）時的控制。當(dāng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速10 r/min(*)內(nèi)持續(xù) 1s(*)發(fā)電機將切入電網(wǎng)。圖 33 速度控制 a控制器包涵著常規(guī)的 pd(微分控制)和 pi（積分控制，傾向于控制速度迅速

17、變化的信號）控制器，接著是節(jié)距角的非線性變化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增大而減小，以此補償由于轉(zhuǎn)子空氣動力學(xué)產(chǎn)生的非線性，因為當(dāng)功率不變時，轉(zhuǎn)矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組從待機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速的轉(zhuǎn)到 45，風(fēng)輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進入同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速從 0 增加到 500 r/min(*)時，節(jié)距角給定值從 45 線性地減小到 5。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動力矩，而且在風(fēng)速快速地增大時能夠快速起動。13發(fā)電機轉(zhuǎn)速通過主軸上的感應(yīng)傳感器測量，每個周期信號被送到微處理器作進一步處理，以產(chǎn)生新的控制信號。濾波器的主要作用是濾掉噪聲信號。（

18、三）轉(zhuǎn)速控制（三）轉(zhuǎn)速控制 b（發(fā)電機并網(wǎng)）（發(fā)電機并網(wǎng)）發(fā)電機切入電網(wǎng)以后，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) b 作用。如圖 34 所示，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) b 受發(fā)電機轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的雙重控制。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加，額定的速度給定值是 1560 r/min，相應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)差率是4%(*)。如果風(fēng)速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)差率將降到 2%(*)，節(jié)距控制將根據(jù)風(fēng)速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。如果風(fēng)速高于額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)速通過改變節(jié)距來跟蹤相應(yīng)的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖 34 中可以看到，在風(fēng)速信號輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制對瞬變風(fēng)速并不響應(yīng)。圖 34

19、速度控制系統(tǒng) b與速度控制器 a 的結(jié)構(gòu)相比，速度控制器 b 增加了速度非線性化環(huán)節(jié)。這一14特性增加了小轉(zhuǎn)差率時的增益，以便控制節(jié)距角加速趨于 0。參考文獻參考文獻1 能源領(lǐng)域組.能源領(lǐng)域.科技發(fā)展“十五規(guī)劃”和 2015 年遠景研究.19992 張正敏等.風(fēng)力電價分析與政策建議.中國電機工程學(xué)會風(fēng)力與潮汐發(fā)電專委會換屆暨發(fā)展研討會.杭州，20013 （法）d.勒古里雷斯著.風(fēng)力機的理論與設(shè)計.施鵬飛譯.北京：機械工業(yè)出版社，19854 黃俊.半導(dǎo)體變流技術(shù). .北京：機械工業(yè)出版社，19865 葉杭冶，賀益康，劉其輝.風(fēng)力發(fā)電機組的運行控制.21 世紀(jì)太陽能新技術(shù).上海：上海交通大學(xué)出版社，20036 武鑫，等譯.風(fēng)能技術(shù)m .北京：科學(xué)出版社，20077 金風(fēng) 62/1200 風(fēng)