风电变桨系统发展及变桨距控制技术的开发应用

文:深圳众城卓越科技有限公司2022年第四期

  2022年中国风电平价时代来临。如何能让风电这艘“减碳”大船更快、更稳地行驶,风电全产业链上的企业也前所未有地加快了技术降本的步伐,但对于一个风电机组上千万的巨额投资相比,不管技术如何进步,“可靠、稳定”这四个字始终是企业所追求的目标。本文围绕风力发电变桨距控制系统,重点介绍了目前变桨伺服驱动器、偏航系统以及风桨电机的开发应用情况。

  风电变桨系统的发展

  早在20世纪90年代,国外就已经开始对风力发电变桨距控制技术进行研究,主要针对其运行特性和控制策略,生产出一批可靠的风电机组,如今研究重点是如何把一些智能算法应用到风电系统上,使控制效果得到加强。2009年,在全球所安装的风电机组中有95%的风电机组已经采用了变桨变速方式,我国自2009年始,所安装的MW级风电机组中,也全部是变桨距机组。

  国外研究人员研究变桨距智能控制器获得很多研究成果。另外,国外一些国家开发一种能够评估测量风力资源以及计算机模拟的系统,能够验证变桨距失速控制的设计理论,它采用了新型风机桨叶材料来研发变速恒频控制系统的风力发电机和低速永磁发电机,使风电的效率得到了很大程度的提高,可靠性也得到了加强。

  我国在这一技术领域的起步较晚,尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究,更是最近几年的事情,这比风机技术先进国家要落后二十年时间。前已述及,我国风电制造产业是从2005年开始的最近四年才得到快速发展的,国内主要风机制造厂家为了快速抢占市场,都致力于扩大生产规模,无力对控制系统这样的技术含量较高的产品进行自主开发,因此多直接从MITA、Windtec等国外公司采购产品或引进技术,这就导致装机量高,但缺乏自有核心技术。

  就风机控制系统本身的要求来看,确实有它的特殊性和复杂性。从硬件来讲,风机控制系统随风机一起安装在接近自然的环境中,工作有较大振动、大范围的温度变化、强电磁干扰这样的复杂条件下,因此其硬件要求比一般系统要高得多。

  从软件来讲,风机要实现完全的自动控制,必须有一套与之相适应的完善的控制软件。主控系统、变桨系统和变频器需要协同工作才能实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定转速以及在较大风速下的恒频、恒功运行,这需要在这几大部件中有一套先进、复杂的控制算法。国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。

  风机控制系统是与风机特性高度结合的系统,包括主控、变桨和变频器在内的控制软件,不仅算法复杂,而且其各项参数的设定与风机本身联系紧密,风机控制系统的任务,不仅仅是实现对风机的高度自动化监控以及向电网供电,而且还必须通过合适的控制,实现风能捕获的最大化和载荷的最小化。一般的自动化企业即使能研制出样机,也很难得到验证,推广就更加困难。而中小规模的风机制造商又无力进行这样的开发。

  变桨系统结构介绍

  变桨系统是大型风电机组控制和保护的重要执行装置,对机组安全、稳定、高效运行具有十分重要的作用。电动变桨以电动机为工作动力,通过伺服驱动器控制电动机带动减速机的输出半轴齿轮旋转,输出半轴齿轮与桨叶根部回转支承内侧的齿轮啮合,带动桨叶进行变桨。

  电动变桨距系统由变桨控制器、伺服驱动器和备用电源系统组成,其能够实现 3个桨叶独立变桨距,给风力发电机组提供功率输出和足够的刹车制动能力,从而避免过载对风机的破坏。其中驱动器是变桨系统最为核心的部件,其平台化的产品功能,不但可以覆盖陆上和海上所有风机平台的需求,也可以帮助这些平台降低成本,以及进一步提高变桨系统的可靠性和整机控制需求的适应性。

  变桨距控制系统与变速恒频技术相配合,最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量,稳定的变桨控制已成为当前大型风电机组控制和保护技术领域研究的热点和难点之一。

  风电变桨控制系统的价格仅占整个风机总价的3%左右,但这个小小的变桨控制系统却是风机叶片启停的总开关,直接影响着风机的捕风能力和安全生产,关乎着风机的生命线和效益线。老式的风电变桨控制系统一般要2年更换一次,维护成本大,使用寿命短。

  风力发电属于非常复杂的重工业行业,产业链很长。从塔筒、叶片、发电机、齿轮箱、轴承,到大型PLC、变桨伺服驱动、大功率变流器、SVG,再加上变压器、变流器等,整个产品线涵盖了重工业的多个角度和层次,从价值角度而言,工控产品占比并不高,仅为10%左右,但是伺服驱动器决定了风力发电机的可靠性和稳定性。

  可以说控制和驱动产品是风力发电机的大脑和心脏,是非常核心的部分。风电进入全面平价时代,无论是陆上风电还是海上风电,降低度电成本成为风电企业可持续发展的必由之路。风电机组单机容量的大型化,是目前降低海上风电成本最有效的途径之一,关键电控系统器件等核心技术上的创新和突破,将成为下一个风电时代抢占的制高点。

  众城卓越变桨伺服驱动器

  产品的“可靠性+稳定性”,对于风电机组主控制系统而言是核心要求,也是众城卓越团队的坚定目标。

  众城卓越专注的产品方向是风电机组中最核心的部分——变桨系统,从价值角度而言,工控产品占比并不高,仅为10%左右,但是伺服驱动器决定了风力发电机的可靠性和稳定性,可以说控制和驱动产品是风力发电机的“心脏”,是非常核心的部分,说它关系着这一个风电机组的生死毫不夸张。如果变桨逻辑没有设计好,轻则会导致无法运行,重则会导致飞桨、伤及塔架以及倒塔这样的大事故发生。变桨系统控制着开、闭桨时机及方向,换言说,没有抓住风就是它的失职。

  为适配各种环境下的风机系统,风桨专用伺服驱动器对于温差的要求也很严苛,一般需要满足-40℃-70℃。另外因桨叶转动产生的长时间振动等各种因素,也对产品的安全及稳定性要求更高。这样一条难走的路,众城卓越走了近10年。

  众城卓越在近7年的风电行业跋涉中,充分了解风机制造商及运营商在变桨控制领域的需求和面临的问题,并一直致力于提供运行可靠、性能优良且免于维护的系统,以便客户的陆上和海上风机达到最长运行时间。

  众城卓越定制化开发的高性能伺服驱动器,不论是专门为实现客户二次开发而设计的PD-C650,还是为标准变桨系统设计的PD-C620,都具可靠性高、防护等级高等特性,集成了充电器、24V 电源、抱闸、温度采集等模块,使变桨系统更加容易设计和更加可靠。其中PD-C650同时开放了ARM芯片二次开发的平台,用户可非常灵活定制开发所需功能,并可更好的保护核心技术知识产权。

  众城卓越目前的变桨驱动产品已进入第3代,2019年推出的PD-C650伺服驱动器属其中的“明星产品”。这款驱动器是一款真正与客户共同研究开发的产品,此项目前期花费了一年时间,双方成立联合团队进行研发攻关,深入探讨在实际应用中可能会出现的问题,并逐条进行讨论解决,产品经过实验室测试,工厂测试,在风场现场又经过了长期的实际运行批量测试,最后才进入量产。目前已销售上万台,由产品自身产生的故障率近达到业界最低水平。

  众城卓越不仅与高校进行紧密的产学研结合,自身的研发团队还在不断进行更多的自主研发,随着风电机组塔筒建得越来越高,桨叶越来越长,对驱动器的要求也会更高,做到高可靠性、高稳定性,方能不辜负各方努力。

  众城卓越并没有因为几款“明星”产品而放慢脚步,公司还在不断进行技术更新迭代。针对海上风电要求推出了海陆双用的80A伺服驱动器,是目前业内功率密度最高的伺服驱动器。与其他同类产品相比,这款产品虽然电流输出一样,但体积却小了很多,单单此项设计会使客户机组减小不少空间,节约成本。

控制器

图1 PD-C650全集成式变桨驱动器

  众城卓越偏航系统

  偏航系统又称对风装置,是风力发电机机舱的一部分。其作用在于当风速矢量的方向变化时,能够快速平稳地对准风向,以便风轮获得最大的风能。

  因为风不是以恒定方向吹动的, 所以风力发电机需要不断调整叶轮朝向,使其朝向风吹来的方向。偏航系统所实现的这一作用,使得风力发电机可以高效及时跟踪风向的变化,机组可实现最大功率的输出,产生尽可能多的电能,发挥设备的潜在能力。所以偏航系统的设计显得尤为重要,它主要由偏航测量、偏航驱动传动、纽缆保护装置三大部分组成,目的是实现两个功能:一是使机舱跟踪变化无常的风向;二是当受偏航作用的影响,导致机舱内部电缆发生缠绕时,可自动解除缠绕。

  众城卓越开发的偏航SMC600多传动驱动器一拖一方案是一个随动系统。风向仪将采集的信号传送给机舱柜PLC的I/O板,计算10分钟平均风向,与偏航角度绝对值编码器比较,输出指令驱动5台偏航电机(带失电制动),将机头朝正对风的方向调整,并记录当前调整的角度,调整完毕电机停转并启动偏航制动。此变桨+偏航的解决方案覆盖了陆上和海上的所有机型,多项产品及技术都已通过客户验证并获得多项专利,而众城卓越为国内首家提供此解决方案的厂商。

  SMC600多传驱动器偏航系统采用机舱位置闭环方式控制。通过安装在机舱尾部的风向标测量风向,计算其与风机位置编码器检测的机舱位置间的角度差。当角度差超过规定值时,风机控制器控制驱动器启动偏航驱动机制调整机舱方向,直到偏差为设定值范围内,达到对风控制的效果。

控制器

图2 偏航SMC600多传动驱动器一拖一方案

  众城卓越风桨电机

  风电机组中最核心的部分是变桨系统,而变桨系统的“三剑客”是——风桨电机、伺服驱动器、备用电源,在风电变桨系统中,变桨电机是其中必不可少的组成部分。作为变桨系统的核心部件之一,执行机构中的变桨电机在收到它的上级单位——变桨驱动器的命令后,如何能让叶轮直径200多米、长度100多米的叶片在近200米的高空完美“追风”,这就要看它的能力了。

  由于变桨电机所处环境耐受度要求很高,风电机组所处环境均在条件恶劣的深山、荒漠、海洋,电机需要适应不同地区的要求;另外安装电机的轮毂所处环境温度最高达70℃,最低达-40℃,温差可达110℃左右,这些都对众城卓越的产品设计提出了很大的挑战,产品的防护能力要更高,防护等级要达到IP65,这些在选材、装配、功差等方面都要做到全面的考量。

  目前,风桨电机根据电机转子结构的不同大致被分为两大分支:一是表贴式转子,一是内嵌式转子,到底孰优孰劣,哪一种结构方式更适合风电主机,还有待市场验证。在风电平价上网的背景下,风机的发展趋势表现为:大型化——高塔筒、大功率、大叶片;而风机大型化就需要更大功率的变桨驱动和电机。

  围绕着风桨系统开发的变桨电机,众城卓越在研发时采取了一种不同的思路,在与重点高校研究人员进行充分的市场了解与分析后,经过论证后,他们将二者相融合,独家推出了一款表嵌式转子结构的电机,它的优点是既保持了表贴式转子结构电机的低速稳态性,又采纳了内嵌式转子结构电机在高速运转时优质动态性能,能更好地优化综合成本。2019年,众城卓越变桨电机进行量产后,迄今还没有收到一例因电机自身原因导致的故障反馈。客户回馈是足以让国产企业骄傲的“零故障率”,按众城卓越的专业描述是“平均无故障时间无限大”。

  众城卓越开发的这款高品质交流同步伺服电机,旨在满足变桨系统的特殊需求。该产品符合行业内电磁干扰、震动冲击、盐雾、防腐等形式试验要求,适用于酷热、严寒气候及海上地区,在这些苛刻的环境条件下仍能够长期可靠运行。它与众城卓越变桨系统中的伺服驱动器配合使用,可以实现更高的效能和安全性,

  且可靠性高、维护成本低。

控制器

表1 众城卓越变桨电机技术特点与应用效果

控制器

图3 高品质变桨电机

  结语

  当前,风力发电在新能源发电中的比例逐年上升,除国家政策支持外,众多企业在其中发挥了巨大的作用。特别是国内本土企业,从整机进口到零部件、材料逐渐实现国产化,他们的努力也彰显出中国力量。众城卓越作为这支队伍中的一名精兵,随着2022年风电平价时代来临,也正紧追不舍地加快技术降本的步伐,“可靠、稳定”是众城卓越一直所秉持的“王者之道”。

中传动网版权与免责声明:

凡本网注明[来源:中国传动网]的所有文字、图片、音视和视频文件,版权均为中国传动网(www.chuandong.com)独家所有。如需转载请与0755-82949061联系。任何媒体、网站或个人转载使用时须注明来源“中国传动网”,违反者本网将追究其法律责任。

本网转载并注明其他来源的稿件,均来自互联网或业内投稿人士,版权属于原版权人。转载请保留稿件来源及作者,禁止擅自篡改,违者自负版权法律责任。

如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

伺服与运动控制

关注伺服与运动控制公众号获取更多资讯

直驱与传动

关注直驱与传动公众号获取更多资讯

中国传动网

关注中国传动网公众号获取更多资讯

热搜词
  • 运动控制
  • 伺服系统
  • 机器视觉
  • 机械传动
  • 编码器
  • 直驱系统
  • 工业电源
  • 电力电子
  • 工业互联
  • 高压变频器
  • 中低压变频器
  • 传感器
  • 人机界面
  • PLC
  • 电气联接
  • 工业机器人
  • 低压电器
  • 机柜
回顶部
点赞 0
取消 0
往期杂志
  • 2022年第五期

    2022年第五期

    伺服与运动控制

    2022年第五期

  • 2022年第三期

    2022年第三期

    伺服与运动控制

    2022年第三期

  • 2022年第二期

    2022年第二期

    伺服与运动控制

    2022年第二期

  • 2022年第一期

    2022年第一期

    伺服与运动控制

    2022年第一期

  • 2021年第六期

    2021年第六期

    伺服与运动控制

    2021年第六期