SSB变桨系统在金风 1500kW风力发电机组中的应用 仵渊转正论文(08.07.08)

SSB变桨系统在金风 1500kW风力发电机组中的应用姓名：仵渊专业：机械设计制造及其自动化入职时间：2008 年 2月22 日部门：服务部目 录摘要： (1)关键词： (1)1变速变桨风力发电机组工作原理 (1)2 SSB变桨系统组成 (3)3 SSB变桨系统的特点 (6)4 运行情况及故障情况 (7)5 SSB变桨系统的性能 (10)6 遗留问题 (14)7总结 (16)参考文献 (16)SSB变桨系统在金风1500kW风力发电机组中的应用摘要：在介绍变速变桨风力发电机组工作原理的基础上，结合调试和维护工作中积累的经验对SSB变桨系统进行简单的介绍并在此基础上对发生的一些故障进行分析和探讨。

希望能够通过本文让更多的人认识SSB变桨系统，为SSB系统在金风科技1500kW系列风力发电机组中的应用起到作用。

关键词：SSB、E.on、直流电机、DctransD、L+B控制器、超级电容1变速变桨风力发电机组工作原理从控制方式上可以将风力发电机组的控制方式分为定速定桨控制 (FSFP)、定速变桨控制 (FSVP)、变速失速控制 (VSFP)和变速变桨控制 (VSVP)。

表1对这4种不同的控制方式进行了比较。

表1 4种不同风力发电机组控制方式的对比分析控制方式 特点分析定速定桨 成本低、功率曲线较差定速变桨 叶轮转速基本保持不变、额定风速以上可以实现恒功率变速失速 额定风速以下可以实现最优Cp、但额定风速以上功率曲线较差变速变桨 额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，这样可以 跟踪最优Cp；额定风速以上通过扭矩控制器及变桨控制器共同作用，使得功 率、扭矩相对平稳；功率曲线较好。

这里我们以变速变桨控制方式为主要研究对象。

图1介绍了变速变桨控制策略的实现。

图1 变速变桨控制策略的实现图1中分为额定风速以下和额定风速以上两个不同阶段。

额定风速以下阶段要实现的主要目标就是让叶轮尽可能多的吸收风能。

因此,Cp越大,吸收的风能越多。

由于额定风速以下风速较小，没有必要变桨，我们只需要将叶片角度设置为规定的最小桨矩角。

而每个最小桨矩角同时对应了一组最优的Cp及λ。

因此, 额定风速以下设计的控制器就是要使其能够控制叶轮的转速,使其跟踪最优的Cp及λ。

图2给出了不同最小桨距角对应的Cp及λ曲线图。

图2 不同最小桨距角对应的Cp及λ曲线图从图2中可以看出在最小桨距角恒定的情况下，要想捕获最大风能，需要保持叶尖速比恒定，也就是根据风速的变化控制叶轮的转速。

额定风速以上阶段,变速控制器（扭矩控制器）和变桨控制器也是同时发挥作用的。

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。

通过变桨控制器调整发电机的转速,使得其始终跟踪转速设置点。

变桨控制器的设计通过简单的PI控制器可以实现,但是增益的选择要特别注意,额定风速以上强烈的非线性使得控制器的增益选择比较困难。

下面我们来看一下金风科技1500kW系列风力发电机组启动过程中，变桨系统是如何控制桨距角的，见图3。

图3 不同最小桨距角对应的Cp及λ曲线图启动过程是开环控制，比较简单。

变桨系统是实现变速变桨距控制的硬件系统。

根据风机启动、变速、变桨、停机、维护等要求，由主控PLC发送相应的桨距角调节命令给变桨系统，将三个叶片桨距角同步调节到所需的位置。

2 SSB变桨系统组成SSB变桨系统是6柜系统(3个轴柜+3个备电柜)，每个叶片的电气系统配置情况如下：1)1个轴柜；2)1个备用电源柜；3)1个直流变桨电机；4)1个91°限位开关；5)1个95°限位开关；6)1个安装在叶片位置的冗余旋转编码器。

除上述所涉及到的配置外，每套SSB 系统配维护手柄1个，供维护操作过程中手动变桨时使用。

SSB 变桨系统构成情况见图4。

这里需要特别提到的是超级电容的使用。

不同于Freqcon 变桨系统中将超级电容作为DC-LINK 使用，SSB 变桨系统则将超级电容作为备电电源。

也就是说只有在电网掉电的情况下才使用超级电容的能量完成顺桨停机。

这样一来，超级电容的使用次数大为减少，大大延长了超级电容的使用寿命，同时也可避免Freqcon 系统中频发的超级电容电压不平衡故障。

o 95o 91o 95o 91o95o 91图4 SSB系统配置情况SSB 变桨系统的工作方式定义如下：在电网供电正常且风机处于自动变桨调节方式的情况下，每个叶片轴柜内的L+B 控制器通过PROFIBUS DP 总线实时向主控PLC 传送SSB 变桨系统状态信息及运行参数，并接受主控PLC 发送的变桨位置和速度命令，并可实现独立变桨功能；当电网掉电时，变桨系统由超级电容给converter 供电，完成顺桨实现机组安全停机； 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。

SSB 变桨系统提供给叶片的最大变桨速度为10°/s 。

当发生如下情况时，变桨电机由超级电容直接供电，由于气动转矩随风速不断变化，那么最大变桨速度就不能控制在10°/s 以内：1)伺服控制器损坏，只能由超级电容直接给变桨电机供电；2)电网掉电。

电网掉电之后，SSB 系统会按照程序预置的E.on 功能维持变桨3s 。

考虑到我们的Switch 变流器并不能实现E.on 功能，因此只能跳过E.on 功能改由超级电容供电实现顺桨停机。

下面就轴柜系统进行简单的介绍。

SSB变桨系统的3个轴柜系统在结构上并不完全相同，这里对它们之间的不同之处做如下约束：SSB变桨系统的防雷保护在轴柜1内部；SSB变桨系统的PNOZ安全继电器在轴柜1内部；SSB变桨系统的24VDC控制电源由轴柜2内部的24VDC UPS电源提供；SSB变桨系统的230V AC控制电源由轴柜3提供。

轴柜系统主要由直流电机伺服控制器DCtransD以及实现电机驱动的各种外围元器件、单轴控制器L+B controller、温度检测及加热散热器、电源维护开关、安全继电器、控制电源、防雷模块等组成。

做为SSB变桨系统的核心—伺服控制器DCtransD的电气参数如下：1)DCtransD型号：DCtransD-060K；1)动力电源：400VAC，+10%，-20%，50/60Hz；2)直流母线电压工作范围：160VDC～450VDC；3)额定直流电压：+/-400V；4)额定输出电流：60A；5)额定功率：16kW；6)制动电阻：40Ω，连续工作功率200W，峰值功率2000W。

L+B单轴控制器的基本电气参数如下：1)电压：19VDC～30VDC；2)微处理器：ST10F269，16bit，40MHz；3)循环扫描周期：6ms；4)工作温度：-20℃～70℃；5)存储温度：-40℃～85℃。

SSB变桨系统的变桨电机非常具有特点，不同于其他变桨系统，SSB采用直流电机。

直流电机同交流电机相比的优势在于：直流电机控制准确、方便，且机械特性较硬，对于瞬变的转矩变化抗扰动性能强；缺点在于：碳刷和滑环是易损件，需要定期维护、检修。

从SSB配套给其他风力发电机组制造厂商的情况看，碳刷的寿命至少在5年以上。

下面给出变桨电机的参数：电机类型：直流电机；电机型号：GHTIF-0720.2625.81；额定功率：5.3/7.8/15.3kW；电枢电压：260VDC；转速范围：0r/min～2500r/min；额定转矩：20N.m；最大转矩：75N.m；制动转矩：100N.m；运行方式：S1/S3-40/2%；防护等级：IP54；绝缘等级：H；刹车：电磁刹车，弹簧作用，不锈钢刹车盘，表面镀铬；编码器：24位SSI绝对值旋转编码器；温度保护：Pt100测温，150℃温度开关双重保护；冷却方式：强迫风冷；重量：85kg225VDC/8F的超级电容作为电网掉电情况下的备用电源保证机组顺桨停机。

超级电容充电器UCC-225-8i，从0VDC充电到225VDC所需时间为10min(25ºC)、25min(65ºC)。

主控PLC同SSB系统之间的通讯通过SSB系统轴柜1内部的L+B控制器上的Profibus-DP通讯板，而SSB系统内部3个轴柜之间的通讯通过CAN BUS实现。

这就使得变桨系统对外只有1个profibus-dp从站，从根本上避免了Freqcon变桨系统中频繁出现的变桨子站丢失的故障。

3 SSB变桨系统的特点3.1 E.on功能2003年，德国电力行业巨头E.on Netz GmbH发布了一个强制的风电并网要求。

该要求规定一旦电网发生故障，在电网电压恢复期间风电场必须保持并网运行。

同时还要求风电机组动态发出无功功率以支持电网电压。

风电场或风电机组的这种故障期间保持并网不间断运行的能力通常称为低电压穿越能力(LVRT：Low V oltage Ride Through)或故障穿越能力(FRT：Fault Ride Through)。

目前欧洲国家的风力发电机组接入电网必须满足E.on标准。

考虑到我国风力发电在电网中所占比例的不断增加，在为期不远的未来也必将推出类似的标准。

从这一角度讲，SSB变桨系统的E.on功能不失为其产品的一大亮点，为金风1500kW风力发电机组满足未来更高标准的并网要求提供了可能。

但是，同时我们不无遗憾地看到，由于Swithc变流器无法实现E.on功能，目前我们尚无法发挥该功能，也无法在机组性能上体现出比竞争对手更为强大的技术实力和机组性能。

3.2 直流电机相比于交流变桨系统，直流变桨系统的优点在于可以直接由超级电容给变桨电机供电。

针对前段时间由于AC2的ok信号丢失而导致叶片停止变桨的情况而言，不得不说直流系统在这方面具有巨大的优势。

即使converter由于ok信号丢失，那么叶片仍然可以通过超级电容驱动变桨电机完成顺桨动作。

3.3 通讯方式Freqcon变桨系统有3个profibus-dp从站，SSB变桨系统只有1个profibus-dp从站。

结点越多，故障点就越多。

从这层意义上来讲，SSB变桨系统的子站丢失故障会远远低于Freqcon变桨系统。

实际运行情况也充分说明了1个从站的明显优势。

3.4 两个旋转编码器SSB变桨系统每个叶片有两个旋转编码器，分别位于电机非负载侧轴端和齿形带处。

这样带来的好处是可以将两个旋转编码器检测的角度进行互相印证，增加了系统的冗余度和可靠性。

这里需要特别提到的就是SSB同样在齿形带位置选用了IVO的旋转编码器，但是从机组运转到目前位置，未发生一起旋转编码器读数跳变故障。

这也从某种程度上说明，Freqcon变桨系统出现的旋转编码器读数跳变的主因并非是旋转编码器本身的质量问题，而是系统在电磁兼容方面的设计出了问题。

3.5 限位开关SSB变桨系统在90度方向安装了两个限位开关，分别是91°限位开关和95°限位开关。