风力发电机组变桨系统的维_护与检修毕业论文

风力发电机组变桨系统的

维护与检修

毕业顶岗实习报告书

风力发电机组变桨系统的维护与检修

毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明

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本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教

师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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1. 设计(论文)的内容包括:

1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)

2)原创性声明

3)中文摘要(300字左右)、关键词

4)外文摘要、关键词

5)目次页(附件不统一编入)

6)论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论

7)参考文献

8)致谢

9)附录(对论文支持必要时)

2. 论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3. 附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。

4. 文字、图表要求:

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2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画

3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印

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5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档

5. 装订顺序

1)设计(论文)

2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订

教研室(或答辩小组)及教学系意见

摘 要

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。传统的化石燃料虽能解决能源短缺的问题,却给环境造成了很大的破坏,而风能具有无污染、可再生、低成本等优点,所以其受到世界各国的重视。

可靠、高效的风力发电系统的研发己经成为新能源技术领域的热点。然而,因为风能具有不稳定性、能量密度低和随机性等特点,同时风电厂通常位于偏远地区甚至海上,自然条件比较恶劣,因此要求其控制系统必须能够实现自动化运行,并且要求控制系统有高可靠性。所以对风力发电机组尤其是大型风电机组的控制技术及风力发电后期的维护和检修就具有相当重要的意义。

本文首先在对风力发电原理,风电机组研究的基础上从变桨距风力机空气动力学研究入手,分析了变桨距控制的基本规律,再结合目前国内主流的变桨距控制技术分别设计出了液压变桨距控制,电动变桨距控制的方案,变桨距风机的维护和检修,最后在此基础上提出了一种较为理想的控制策——半桨主动失速控制。

关键词:变桨距控制,维护,检修

目录

一 顶岗实习简历 ...................................................................................................................... 1

二 顶岗实习目的 ...................................................................................................................... 1

三 顶岗实习单位简介 .............................................................................................................. 2

四 顶岗实习内容 ...................................................................................................................... 3

第一章 变桨距系统 .................................................................................................................. 3

1.1变桨距与定桨距 .................................................... 5

1.1.1定桨距 ....................................................... 5

1.1.2 变桨距 ...................................................... 5

1.1.3定桨距与变桨距的比较 ......................................... 5

1.2 变桨距控制过程 .................................................... 7

1.3 变桨距风力机组的运行状态分析 ...................................... 8

1.3.1 启动状态 .................................................... 8

1.3.2 欠功率状态 .................................................. 8

1.3.3 额定功率状态 ................................................ 8

1.4 变桨距控制的特点 .................................................. 9

1.4.1 输出功率特性 ................................................ 9

1.4.2 风能利用率 .................................................. 9

1.4.3 额定功率 .................................................... 9

1.4.4 启动与制动性能 ............................................. 10

1.4.5对机械部件的影响 ............................................ 10

第二章 变桨矩系统的原理与结构 ..................................................................................................... 10

2.1变桨矩调节原理 ................................................... 10

2.2变桨矩系统分类 ................................................... 11

2.3 风力发电机组变桨矩驱动装置比较和选择 ............................ 14

2.3.1 液压变桨与电动变桨技术比较 ................................. 14

第三章 变桨系统日常维护 ................................................................................................................... 15

3.1 变桨轴承的基本维护 ............................................... 15

3.2 变桨驱动电机的基本维护 ........................................... 15

3.3 限位开关的基本维护 .............................................. 15

3.4 变桨主控柜和电池柜的基本维护 ..................................... 15

第四章 故障原因分析及维修 .............................................................................................................. 16

4.1变桨控制系统常见故障原因及处理方法 ............................... 16

4.2 叶片没有到达限位开关动作设定值 ................................... 16

4.3 某个桨叶91°或95°触发 .......................................... 17

4.4 变桨电机温度高 ................................................... 17

4.5 变桨失效 ......................................................... 17

4.6 变桨机械部分常见故障原因及处理方法 ............................... 18

4.7 变桨系统飞车的原因分析及预防 ..................................... 18

五 结语 .................................................................................................................................... 20

参考文献: .............................................................................................................................. 21

致 谢 .......................................................................................................................................... 1

一 顶岗实习简历

二 顶岗实习目的

风力发电专业顶岗实习是为社会培养风电人才。经过3年的专业学习,本人基本具有了风力发电相关专业的理论基础和基本检修等能力。为更好地从事风力发电行业,通过实习来达到锻炼自己专业知识的目的,使得尽早与就业市场接轨,只有这样才能在毕业后更快更好地适应社会,为经济建设服务。

实习和毕业实习报告书撰写的时间如下:

(1)2013年4月20日~2013年8月15日,在金风科技新疆总装厂进行顶岗实习;

(2)2015年6月11日~2015年6月12日,书写毕业实习报告书,并与指导教师进行沟通。检查合格,由指导教师签收顶岗实习报告;

(3)2015年6月15日~2015年6月16日,上交实习报告进行答辩。

三 顶岗实习单位简介

新疆金风科技股份有限公司(“金风科技”)是全球领先的风电设备研发及制造企业以及风电整体解决方案提供商。公司拥有自主知识产权的直驱永磁技术,代表着全球风力发电领域最具成长前景的技术路线,两次荣获美国麻省理工学院《科技评论》杂志评选出的“全球最具创新能力企业50强”。公司目前是全球最大的直驱永磁风机研制企业,同时在深圳证券交易所 (股票代码:002202) 和香港联合交易所(股票代码:2208) 上市。

金风科技以“为人类奉献白云蓝天,给未来创造更多资源”为企业使命。公司生产的产品不仅得到国内市场的高度认可,还进入了欧、美、澳、非等海外市场。成为国内第一、国际领先的风电制造商及风电整体解决方案提供商,同时也是全球最大的直驱永磁机组设备制造商。

3.1地理位置

金风科技股份有限责任公司位于新疆乌鲁木齐黑龙江路19号,为乌市开发区一期。这里交通便利,便于公司产品流出与原材料的流入。

3.2目前行业发展地位

金风科技股份有限责任公司现有职工4162人,公司以“为人类奉献白云蓝天,给未来创造更多资源”为企业使命,目前在地区行业中处于第一的地位,在全国处于第一的地位,始建于1998,经过16年的建设,截至2013年12月31日,金风科技全球累计装机容量超过19GW ,装机台数超过14,000台,相当于每年可为社会节约标准煤约1300万吨,减少二氧化碳排放约3900万吨,相当于再造了约2100万立方米森林。 2013年1月28日,金风科技自主研发的2.5MW 直驱永磁风力发电机组荣获“2011年度国家能源科技进步奖”一等奖。 2013年6月21日, 金风科技获得首届新疆维吾尔自治区人民政府质量奖。

四 顶岗实习内容

在此实习期间,我主要从事风力发电机组机舱的安装与调试岗位的工作,初期通过师傅的详细的介绍和细致的讲解,我了解了自己在大学所学的风力发电基础, 风力发电机组原理与应用、风力发电机组运行维护与调试等课程对此岗实习是有帮助的,这在极大程度上纠正了我学习专业知识没有多大用处的错误观念,加大了我对专业知识的学习兴趣,并形成了对自身存在的问题进行思考并改正的优良习惯。通过自我思考我发现我还欠缺综合运用知识解决实际问题、缺乏创新性思维等能力。但是在实习过程中,我在老师的指导下, 也尝试着利用自己的所学知识,对实习工作进行了一定的思考和分析,并总结如下:

第一章 变桨距系统

变桨距也就是调节桨距角。在风电机组中,通过对桨距角的主动控制可以克服定桨距被动失速调节的许多缺点。桨距角最重要的应用是功率调节,桨距角的控制还有其他优点。当风轮开始旋转时,采用较大的正桨距角可以产生一个较大的启动力矩。停机的时候,经常使用90°的桨距角,因为在风力机在刹车制动时,这样做使得风轮的空转速度最小,也能起到保护桨叶的作用。

在额定风速以下时,风力发电机组应该尽可能多地捕捉较多的风能,所以这时没有必要改变桨距角,此时的空气动力载荷通常比在额定风速之上时小,因此也没有必要通过变桨距来调节载荷。然而,恒速风力发电机组的最佳桨距角随着风速的变化而变化,因此对于一些风力发电机组,在额定风速以下时,桨距角随风速仪或功率输出信号的变化而缓慢地改变桨距角度。

在额定风速以上时,变桨距控制可以有效的调节风力发电机组吸收功率及叶轮产生的载荷,使其不超过设计的限定值。然而,为了达到良好的调节效果,变桨距控制应该对变化的情况作出迅速的响应。这种主动的控制器需要精确地设计,因为它会与风力发电机组的动态特性产生相互影响。当达到额定功率时,随着桨距角的增加攻角会减小,攻角的减小将使升力和力矩减小。此时气流仍然附着在桨叶上。高于额定功率时,桨距

角所对应的功率曲线与额定功率曲线相交,在交点处给出了所必需的桨距角,用以维持该风速下的额定功率。

这样无论在额定风速以下还是以上具有变桨距控制的风电机组就能输出额定的功率,也就是说其能输出稳定的电压。这样其产生的电能就能很容易并入电网从而被消耗

[1]。

1.1变桨距与定桨距

1.1.1定桨距

定桨距是指桨叶固定安装在轮毂上,其桨距角(桨叶上某一点的弦线与转子平面间的夹角)不能改变,风力机的功率调节完全依靠桨叶的气动特性。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性,当风速高于额定值时,气流的攻角增大到失速条件,使桨叶的表面产生涡流,效率降低,以达到限制转速和输出功率的目的定桨距失速控制型风力发电机组的输出功率随风速的变化而变化,难以保证在额定风速之前最大,特别是在低风速段。这种机组通常设计有两个不同功率,不同极对数的异步发电机。大功率高转速的发电机工作于高风速区,小功率低转速的发电机工作于低风速区,由此来调整对分速度,追求最佳运行状态。当风速超过额定风速时,通过桨叶的失速或偏航控制降低对风速度,从而维持功率恒定。实际上难以做到功率恒定。这种机组的优点是调节简单可靠,控制系统可以大大简化;其缺点是桨叶重量大,轮毂、塔架等部件受力增加。

1.1.2 变桨距

变桨距是指安装在轮毂上的桨叶不是固定的,可以借助控制技术改变其桨距角的大小。机组在定桨距基础上加装桨距调节环节,使桨叶可绕自身轴转动,称为变桨距风力发电机组。变桨距调节型风力发电机为了尽可能提高风力发电机风能转换效率和保证风力发电机输出功率平稳,风力机可进行桨距调整。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠桨叶的气动特性,它要依靠与桨叶相匹配的桨叶攻角改变来进行调节。在额定风速以下时攻角处于零度附近,此时,桨叶角度受控制环节精度的影响,变化范围很小,可看作等同于定桨距风力发电机。在额定风速以上时,变桨距机构发挥作用,调整桨叶攻角,保证发电机的输出功率基本保持不变。变桨距调节的主要优点是:桨叶受力较小,可以做的比较轻巧。由于桨距角可以随风速大小而进行自动调节,因而能够尽可能多的捕获风能,又可以在高风速时保持输出功率平稳,不致引起发电机的过载,还能在风速过大(超出切出风速)时通过顺桨(桨叶的几何攻角趋于零升力的状态)防止对风力发电机组的损坏。其缺点是结构比较复杂,故障率相对较高。

1.1.3定桨距与变桨距的比较

对于定桨距风机,当功率达到最大功率后,由于它的失速特性,在高于额定风速时输出功率将下降。而变桨距风力机的输出功率达到最大值后,桨距系统仍能保持这一功

率水平。变桨距系统控制桨叶的转动,从而使风力机具有最佳的刹车性能。在发电机与电网断开之前,可以通过桨距调节其输出功率至0kW ,这意味着当风力机与电网断开时没有力矩作用于传动系统,增加了系统的安全性。特别是在需要紧急停车时,定桨距风力机停车过程通常是偏航、断电、下闸。动作时间长、对系统冲击大。而变桨距风力机停车过程是开桨到最大节距角,以增大空气阻力,实现气动刹车。变桨距系统能够起到主动调节(保持额定功率)和优化(在小于额定风速时优化功率)功率的作用。在低风速时,桨叶可以调整到合适的节距角确保叶轮具有最大起动力矩,这意味着风机能够在更低风速下开始发电,无需把发电机作为电动机使用。当并入弱电网时能够限制风力机的输出功率。通过简单地改变桨距控制系统的参数,能够永久或暂时地调节风力机的额定功率,不必重新设计风力机,使其具有多种额定功率。也就是说,风力机的灵活性更强。在特殊规定或季节性噪音限制时,这一点非常重要,它能够确保更好的容量系数(实际发电量/满发时发电量)。变桨距风力发电机组可以在高风速段保持额定功率。无论安装地点的空气密度多少,桨距控制系统都能使桨叶角度调到最佳值,从而达到额定功率。这意味着变桨距风电机组对温度和海拔高度的变化而引起空气密度的变化并不敏感。在高风速段时变桨距风力机发出的噪音更低。风速越高,桨叶角度越大,这意味着叶尖发出的噪音越小。此外,在低风速段,选择合适的桨叶角度也可以减少噪音。因此,定桨距风力发电机具有如下几个缺点:一是风力机转速不能随风速而变,从而降低了对风能的利用率;二是当风速突变时,巨大的风能变化将通过风轮传递给主轴、齿轮箱等部件,在其上产生很大的负载波动冲击;三是并网时可能产生较大的电流冲击。

而变桨距风力发电机可以克服上述定桨距风力发电机的缺点,在很宽的风速范围内保持最佳叶尖速比,从而提高风力机的运行效率和系统稳定性。变桨距风力发电机在变桨距的同时通过配合使用双馈发电机或永磁风力发电机,可以减轻风速突变产生的转距波动,减轻传动机构承受的扭矩波动,提高齿轮箱寿命,减少传动系统故障率。此外,可结合对电机的励磁控制,实现无电流冲击的软并网,使机组运行更加平稳安全

[2]2.1变桨矩调节原理

变桨矩风机的叶片与轮毂之间采用非刚性联结方式,这时叶片可以绕叶片纵梁进行桨矩调节,使得叶片相对于风向有不同的攻角。当风速持续变化时,叶片的桨矩角始终保持在最佳的角度,从而使风电机组在不同风速下始终保持其风轮的最佳转换效率,使输出功率达到最大值。

风机吸收风能产生的输出功率为:

P =1ρπC P R 2V 3 式(2.14) 2

式中:P 为输出功率;价为风能利用系数;C P 为空气密度;R 为风轮半径;V 为风轮正面风速。

风机将产生的能量转换为机械能传递给负载,机械能表达式为

P m =T ⋅ω=P 式(2.15)

式中:P m 为机械能;T 为风机扭矩;ω为风机角速度。

这里的扭矩T 是由负载决定的。这样由式(2.14)和(2.15)得

ω=

。 1ρπC P R 2V 3/T 式(2.16) 2

1.2 变桨距控制过程

变桨距控制主要是对这两个工况进行控制:(1)风速低于额定风速;(2)风速高于额定风速。具体分析如下:

变速变桨距风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现:在额定风速以下时,保持最优桨距角不变,采用最大功率跟踪法,通过变流器调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化,使风能利用系数保持最大,风机一直运行在最大功率点:在额定风速以上时,通过变桨距系统改变桨距角来限制风轮获取能量,使风力发电机组保持在额定功率发电。而对于定桨距风力发电机组,在此风速高于额定的风速范围内,由于其桨距角不能改变,只能通过风机的失速特性来降低风能的吸收,因此在风速高于额定时不能维持额定功率输出,输出功率反而会下降。

变桨距风电机组的运行过程可以划分为以下四个阶段:

① 风速小于切入风速;

② 风速在切入风速和额定风速之间;

③ 风速在额定风速和切出风速之间;

④ 风速大于切出风速。

在风速小于切入风速时,机组不产生电能,桨距角保持在90°;在风速高于切入风速后,桨距角转到0°。机组开始并网发电,并通过控制变流器调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化,使风能利用系数保持最大,捕获最大风能;在风速超过额定值

后,变桨机构开始动作,增大桨距角,减小风能利用系数,减少风轮的风能捕获,使发电机的输出功率稳定在额定值;在风速大于切除风速时,风力机组抱闸停机,桨距角变到90°。以保护机组不被大风损坏[3]。

1.3 变桨距风力机组的运行状态分析

变桨距风力发电机根据变距系统所起的作用可分为三种运行状态,即风力发电机组的起动状态、欠功率状态和额定功率状态。

1.3.1 启动状态

变桨距风轮的桨叶在静止时,节距角为90°,此时气流对桨叶不产生转矩,整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时,桨叶向0°方向转动,直到气流对桨叶产生一定的攻角,风轮开始起动。为了使控制过程比较简单,早期的变桨距风力发电机组在转速达到发电机同步转速前对桨叶节距角并不加以控制。在这种情况下,桨叶节距只是按所设定的变距速度将节距角向0°方向打开,直到发电机转速上升到同步速附近,变桨距系统才开始投入工作。转速控制的给定值是恒定的,即同步转速。转速反馈信号与给定值进行比较,当转速超过同步转速时,桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度,反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一定时间后发电机即并入电网。

1.3.2 欠功率状态

欠功率状态是指发电机并入电网后,由于风速低于额定风速,发电机在额定功率以下的低功率状态运行。在早期的变桨距风力发电机组中,对欠功率状态不加控制。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同,其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。而目前的变桨距风力大电机会自动调节桨距角的变化使风机运行在最佳状态。

1.3.3 额定功率状态

当风速达到或超过额定风速后,风力发电机组进入额定功率状态。在传统的变桨距控制方式中,这时将转速控制切换到功率控制,变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制,则当控制信号的给定值是恒定的,即额定功率。功率反馈信号与给定值进行比较,当功率超过额定功率时,桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度,反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。由于变桨距系统的响应速度受到限制,对快速变化的风速,通过改变节距来控制输出功率并不理想。因此,为了优化功率曲线,最新

设计的变桨距风力发电机组在进行功率控制的过程中,其功率反馈信号不再作为直接控制桨叶节距的变量。变桨距系统由风速的低频分量和发电机转速控制,风速的高频分量产生的机械能波动,通过迅速改变发电机的转速来进行平衡,即通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制,当风速高于额定风速时,允许发电机转速升高,将瞬变的风能以风轮动能的形式储存起来;速转降低时,在将动能释放出来,使功率期限达到理想的状态。

1.4 变桨距控制的特点

1.4.1 输出功率特性

变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比,具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠桨叶的气动性能。当功率在额定功率以下时,控制器将桨叶节距角置于零度附近,不作变化,可以认为等同于定桨距风力发电机组,发电机的功率根据桨叶的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时,变桨距机构开始工作,调整桨叶节距角,将发电机的输出功率限定在额定值附近。

1.4.2 风能利用率

变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比,在相同的额定功率点,额定风速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组,一般在低风速阶段的风能利用系数较高。当风速接近额定点,风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的升高,功率上升己趋平缓,而过了额定点以后,桨叶开始失速,风速升高,功率反而有所下降。对于变桨距风力发电机组,由于桨叶节距可以控制,无需担心风速超过额定点后的功率控制问题,可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。

1.4.3 额定功率

由于变桨距风力机的桨叶桨距角是根据风力机输出功率的反馈信号来控制的,它不受气流密度变化的影响。故无论是由于温度变化还是由于海拔引起的空气密度的变化,变桨距系统都能够通过调节桨叶桨距角,使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力机来说,具有明显的优越性。大大扩大了风力机的使用区域和使用时间。

1.4.4 启动与制动性能

变桨距风力机在低风速时,桨叶桨距角可以调节到合适的角度,使桨叶具有最大的起动力矩,从而使变桨距风力机比定桨距风力机更容易起动。在风速很高或者风力机出现故障时,这时一般需要紧急停机,这时一般先使桨叶顺桨,这样风力机受力最小,不需要很大的制动力矩。

1.4.5对机械部件的影响

定桨距风力机的桨叶的桨距角是固定的,即桨叶按照桨距角固定的安装在轮毅上。在风带高于额定风速时,它是根据桨叶的失速特性或者使用叶尖扰流器来使风力机的输出功率限定在额定功率附近。这种情况下,噪声常常会突然增加,引起风力机的振动和机械部件的受力增大,并且导致运行不稳定等现象。而使用变桨距风力机可以通过调节桨叶的桨距角,从而改变风力机受力情况,以达到减少机械部件损耗和振动。

第二章 变桨矩系统的原理与结构

2.1变桨矩调节原理

变桨矩风机的叶片与轮毂之间采用非刚性联结方式,这时叶片可以绕叶片纵梁进行桨矩调节,使得叶片相对于风向有不同的攻角。当风速持续变化时,叶片的桨矩角始终保持在最佳的角度,从而使风电机组在不同风速下始终保持其风轮的最佳转换效率,使输出功率达到最大值。

风机吸收风能产生的输出功率为:

P =1ρπC P R 2V 3 式(2.14) 2

式中:P 为输出功率;价为风能利用系数;C P 为空气密度;R 为风轮半径;V 为风轮正面风速。

风机将产生的能量转换为机械能传递给负载,机械能表达式为

P m =T ⋅ω=P 式(2.15)

式中:P m 为机械能;T 为风机扭矩;ω为风机角速度。

这里的扭矩T 是由负载决定的。这样由式(2.14)和(2.15)得

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3)中文摘要(300字左右)、关键词

4)外文摘要、关键词

5)目次页(附件不统一编入)

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8)致谢

9)附录(对论文支持必要时)

2. 论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3. 附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。

4. 文字、图表要求:

1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写

2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画

3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印

4)图表应绘制于无格子的页面上

5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档

5. 装订顺序

1)设计(论文)

2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订

教研室(或答辩小组)及教学系意见

摘 要

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。传统的化石燃料虽能解决能源短缺的问题,却给环境造成了很大的破坏,而风能具有无污染、可再生、低成本等优点,所以其受到世界各国的重视。

可靠、高效的风力发电系统的研发己经成为新能源技术领域的热点。然而,因为风能具有不稳定性、能量密度低和随机性等特点,同时风电厂通常位于偏远地区甚至海上,自然条件比较恶劣,因此要求其控制系统必须能够实现自动化运行,并且要求控制系统有高可靠性。所以对风力发电机组尤其是大型风电机组的控制技术及风力发电后期的维护和检修就具有相当重要的意义。

本文首先在对风力发电原理,风电机组研究的基础上从变桨距风力机空气动力学研究入手,分析了变桨距控制的基本规律,再结合目前国内主流的变桨距控制技术分别设计出了液压变桨距控制,电动变桨距控制的方案,变桨距风机的维护和检修,最后在此基础上提出了一种较为理想的控制策——半桨主动失速控制。

关键词:变桨距控制,维护,检修

目录

一 顶岗实习简历 ...................................................................................................................... 1

二 顶岗实习目的 ...................................................................................................................... 1

三 顶岗实习单位简介 .............................................................................................................. 2

四 顶岗实习内容 ...................................................................................................................... 3

第一章 变桨距系统 .................................................................................................................. 3

1.1变桨距与定桨距 .................................................... 5

1.1.1定桨距 ....................................................... 5

1.1.2 变桨距 ...................................................... 5

1.1.3定桨距与变桨距的比较 ......................................... 5

1.2 变桨距控制过程 .................................................... 7

1.3 变桨距风力机组的运行状态分析 ...................................... 8

1.3.1 启动状态 .................................................... 8

1.3.2 欠功率状态 .................................................. 8

1.3.3 额定功率状态 ................................................ 8

1.4 变桨距控制的特点 .................................................. 9

1.4.1 输出功率特性 ................................................ 9

1.4.2 风能利用率 .................................................. 9

1.4.3 额定功率 .................................................... 9

1.4.4 启动与制动性能 ............................................. 10

1.4.5对机械部件的影响 ............................................ 10

第二章 变桨矩系统的原理与结构 ..................................................................................................... 10

2.1变桨矩调节原理 ................................................... 10

2.2变桨矩系统分类 ................................................... 11

2.3 风力发电机组变桨矩驱动装置比较和选择 ............................ 14

2.3.1 液压变桨与电动变桨技术比较 ................................. 14

第三章 变桨系统日常维护 ................................................................................................................... 15

3.1 变桨轴承的基本维护 ............................................... 15

3.2 变桨驱动电机的基本维护 ........................................... 15

3.3 限位开关的基本维护 .............................................. 15

3.4 变桨主控柜和电池柜的基本维护 ..................................... 15

第四章 故障原因分析及维修 .............................................................................................................. 16

4.1变桨控制系统常见故障原因及处理方法 ............................... 16

4.2 叶片没有到达限位开关动作设定值 ................................... 16

4.3 某个桨叶91°或95°触发 .......................................... 17

4.4 变桨电机温度高 ................................................... 17

4.5 变桨失效 ......................................................... 17

4.6 变桨机械部分常见故障原因及处理方法 ............................... 18

4.7 变桨系统飞车的原因分析及预防 ..................................... 18

五 结语 .................................................................................................................................... 20

参考文献: .............................................................................................................................. 21

致 谢 .......................................................................................................................................... 1

一 顶岗实习简历

二 顶岗实习目的

风力发电专业顶岗实习是为社会培养风电人才。经过3年的专业学习,本人基本具有了风力发电相关专业的理论基础和基本检修等能力。为更好地从事风力发电行业,通过实习来达到锻炼自己专业知识的目的,使得尽早与就业市场接轨,只有这样才能在毕业后更快更好地适应社会,为经济建设服务。

实习和毕业实习报告书撰写的时间如下:

(1)2013年4月20日~2013年8月15日,在金风科技新疆总装厂进行顶岗实习;

(2)2015年6月11日~2015年6月12日,书写毕业实习报告书,并与指导教师进行沟通。检查合格,由指导教师签收顶岗实习报告;

(3)2015年6月15日~2015年6月16日,上交实习报告进行答辩。

三 顶岗实习单位简介

新疆金风科技股份有限公司(“金风科技”)是全球领先的风电设备研发及制造企业以及风电整体解决方案提供商。公司拥有自主知识产权的直驱永磁技术,代表着全球风力发电领域最具成长前景的技术路线,两次荣获美国麻省理工学院《科技评论》杂志评选出的“全球最具创新能力企业50强”。公司目前是全球最大的直驱永磁风机研制企业,同时在深圳证券交易所 (股票代码:002202) 和香港联合交易所(股票代码:2208) 上市。

金风科技以“为人类奉献白云蓝天,给未来创造更多资源”为企业使命。公司生产的产品不仅得到国内市场的高度认可,还进入了欧、美、澳、非等海外市场。成为国内第一、国际领先的风电制造商及风电整体解决方案提供商,同时也是全球最大的直驱永磁机组设备制造商。

3.1地理位置

金风科技股份有限责任公司位于新疆乌鲁木齐黑龙江路19号,为乌市开发区一期。这里交通便利,便于公司产品流出与原材料的流入。

3.2目前行业发展地位

金风科技股份有限责任公司现有职工4162人,公司以“为人类奉献白云蓝天,给未来创造更多资源”为企业使命,目前在地区行业中处于第一的地位,在全国处于第一的地位,始建于1998,经过16年的建设,截至2013年12月31日,金风科技全球累计装机容量超过19GW ,装机台数超过14,000台,相当于每年可为社会节约标准煤约1300万吨,减少二氧化碳排放约3900万吨,相当于再造了约2100万立方米森林。 2013年1月28日,金风科技自主研发的2.5MW 直驱永磁风力发电机组荣获“2011年度国家能源科技进步奖”一等奖。 2013年6月21日, 金风科技获得首届新疆维吾尔自治区人民政府质量奖。

四 顶岗实习内容

在此实习期间,我主要从事风力发电机组机舱的安装与调试岗位的工作,初期通过师傅的详细的介绍和细致的讲解,我了解了自己在大学所学的风力发电基础, 风力发电机组原理与应用、风力发电机组运行维护与调试等课程对此岗实习是有帮助的,这在极大程度上纠正了我学习专业知识没有多大用处的错误观念,加大了我对专业知识的学习兴趣,并形成了对自身存在的问题进行思考并改正的优良习惯。通过自我思考我发现我还欠缺综合运用知识解决实际问题、缺乏创新性思维等能力。但是在实习过程中,我在老师的指导下, 也尝试着利用自己的所学知识,对实习工作进行了一定的思考和分析,并总结如下:

第一章 变桨距系统

变桨距也就是调节桨距角。在风电机组中,通过对桨距角的主动控制可以克服定桨距被动失速调节的许多缺点。桨距角最重要的应用是功率调节,桨距角的控制还有其他优点。当风轮开始旋转时,采用较大的正桨距角可以产生一个较大的启动力矩。停机的时候,经常使用90°的桨距角,因为在风力机在刹车制动时,这样做使得风轮的空转速度最小,也能起到保护桨叶的作用。

在额定风速以下时,风力发电机组应该尽可能多地捕捉较多的风能,所以这时没有必要改变桨距角,此时的空气动力载荷通常比在额定风速之上时小,因此也没有必要通过变桨距来调节载荷。然而,恒速风力发电机组的最佳桨距角随着风速的变化而变化,因此对于一些风力发电机组,在额定风速以下时,桨距角随风速仪或功率输出信号的变化而缓慢地改变桨距角度。

在额定风速以上时,变桨距控制可以有效的调节风力发电机组吸收功率及叶轮产生的载荷,使其不超过设计的限定值。然而,为了达到良好的调节效果,变桨距控制应该对变化的情况作出迅速的响应。这种主动的控制器需要精确地设计,因为它会与风力发电机组的动态特性产生相互影响。当达到额定功率时,随着桨距角的增加攻角会减小,攻角的减小将使升力和力矩减小。此时气流仍然附着在桨叶上。高于额定功率时,桨距

角所对应的功率曲线与额定功率曲线相交,在交点处给出了所必需的桨距角,用以维持该风速下的额定功率。

这样无论在额定风速以下还是以上具有变桨距控制的风电机组就能输出额定的功率,也就是说其能输出稳定的电压。这样其产生的电能就能很容易并入电网从而被消耗

[1]。

1.1变桨距与定桨距

1.1.1定桨距

定桨距是指桨叶固定安装在轮毂上,其桨距角(桨叶上某一点的弦线与转子平面间的夹角)不能改变,风力机的功率调节完全依靠桨叶的气动特性。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性,当风速高于额定值时,气流的攻角增大到失速条件,使桨叶的表面产生涡流,效率降低,以达到限制转速和输出功率的目的定桨距失速控制型风力发电机组的输出功率随风速的变化而变化,难以保证在额定风速之前最大,特别是在低风速段。这种机组通常设计有两个不同功率,不同极对数的异步发电机。大功率高转速的发电机工作于高风速区,小功率低转速的发电机工作于低风速区,由此来调整对分速度,追求最佳运行状态。当风速超过额定风速时,通过桨叶的失速或偏航控制降低对风速度,从而维持功率恒定。实际上难以做到功率恒定。这种机组的优点是调节简单可靠,控制系统可以大大简化;其缺点是桨叶重量大,轮毂、塔架等部件受力增加。

1.1.2 变桨距

变桨距是指安装在轮毂上的桨叶不是固定的,可以借助控制技术改变其桨距角的大小。机组在定桨距基础上加装桨距调节环节,使桨叶可绕自身轴转动,称为变桨距风力发电机组。变桨距调节型风力发电机为了尽可能提高风力发电机风能转换效率和保证风力发电机输出功率平稳,风力机可进行桨距调整。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠桨叶的气动特性,它要依靠与桨叶相匹配的桨叶攻角改变来进行调节。在额定风速以下时攻角处于零度附近,此时,桨叶角度受控制环节精度的影响,变化范围很小,可看作等同于定桨距风力发电机。在额定风速以上时,变桨距机构发挥作用,调整桨叶攻角,保证发电机的输出功率基本保持不变。变桨距调节的主要优点是:桨叶受力较小,可以做的比较轻巧。由于桨距角可以随风速大小而进行自动调节,因而能够尽可能多的捕获风能,又可以在高风速时保持输出功率平稳,不致引起发电机的过载,还能在风速过大(超出切出风速)时通过顺桨(桨叶的几何攻角趋于零升力的状态)防止对风力发电机组的损坏。其缺点是结构比较复杂,故障率相对较高。

1.1.3定桨距与变桨距的比较

对于定桨距风机,当功率达到最大功率后,由于它的失速特性,在高于额定风速时输出功率将下降。而变桨距风力机的输出功率达到最大值后,桨距系统仍能保持这一功

率水平。变桨距系统控制桨叶的转动,从而使风力机具有最佳的刹车性能。在发电机与电网断开之前,可以通过桨距调节其输出功率至0kW ,这意味着当风力机与电网断开时没有力矩作用于传动系统,增加了系统的安全性。特别是在需要紧急停车时,定桨距风力机停车过程通常是偏航、断电、下闸。动作时间长、对系统冲击大。而变桨距风力机停车过程是开桨到最大节距角,以增大空气阻力,实现气动刹车。变桨距系统能够起到主动调节(保持额定功率)和优化(在小于额定风速时优化功率)功率的作用。在低风速时,桨叶可以调整到合适的节距角确保叶轮具有最大起动力矩,这意味着风机能够在更低风速下开始发电,无需把发电机作为电动机使用。当并入弱电网时能够限制风力机的输出功率。通过简单地改变桨距控制系统的参数,能够永久或暂时地调节风力机的额定功率,不必重新设计风力机,使其具有多种额定功率。也就是说,风力机的灵活性更强。在特殊规定或季节性噪音限制时,这一点非常重要,它能够确保更好的容量系数(实际发电量/满发时发电量)。变桨距风力发电机组可以在高风速段保持额定功率。无论安装地点的空气密度多少,桨距控制系统都能使桨叶角度调到最佳值,从而达到额定功率。这意味着变桨距风电机组对温度和海拔高度的变化而引起空气密度的变化并不敏感。在高风速段时变桨距风力机发出的噪音更低。风速越高,桨叶角度越大,这意味着叶尖发出的噪音越小。此外,在低风速段,选择合适的桨叶角度也可以减少噪音。因此,定桨距风力发电机具有如下几个缺点:一是风力机转速不能随风速而变,从而降低了对风能的利用率;二是当风速突变时,巨大的风能变化将通过风轮传递给主轴、齿轮箱等部件,在其上产生很大的负载波动冲击;三是并网时可能产生较大的电流冲击。

而变桨距风力发电机可以克服上述定桨距风力发电机的缺点,在很宽的风速范围内保持最佳叶尖速比,从而提高风力机的运行效率和系统稳定性。变桨距风力发电机在变桨距的同时通过配合使用双馈发电机或永磁风力发电机,可以减轻风速突变产生的转距波动,减轻传动机构承受的扭矩波动,提高齿轮箱寿命,减少传动系统故障率。此外,可结合对电机的励磁控制,实现无电流冲击的软并网,使机组运行更加平稳安全

[2]2.1变桨矩调节原理

变桨矩风机的叶片与轮毂之间采用非刚性联结方式,这时叶片可以绕叶片纵梁进行桨矩调节,使得叶片相对于风向有不同的攻角。当风速持续变化时,叶片的桨矩角始终保持在最佳的角度,从而使风电机组在不同风速下始终保持其风轮的最佳转换效率,使输出功率达到最大值。

风机吸收风能产生的输出功率为:

P =1ρπC P R 2V 3 式(2.14) 2

式中:P 为输出功率;价为风能利用系数;C P 为空气密度;R 为风轮半径;V 为风轮正面风速。

风机将产生的能量转换为机械能传递给负载,机械能表达式为

P m =T ⋅ω=P 式(2.15)

式中:P m 为机械能;T 为风机扭矩;ω为风机角速度。

这里的扭矩T 是由负载决定的。这样由式(2.14)和(2.15)得

ω=

。 1ρπC P R 2V 3/T 式(2.16) 2

1.2 变桨距控制过程

变桨距控制主要是对这两个工况进行控制:(1)风速低于额定风速;(2)风速高于额定风速。具体分析如下:

变速变桨距风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现:在额定风速以下时,保持最优桨距角不变,采用最大功率跟踪法,通过变流器调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化,使风能利用系数保持最大,风机一直运行在最大功率点:在额定风速以上时,通过变桨距系统改变桨距角来限制风轮获取能量,使风力发电机组保持在额定功率发电。而对于定桨距风力发电机组,在此风速高于额定的风速范围内,由于其桨距角不能改变,只能通过风机的失速特性来降低风能的吸收,因此在风速高于额定时不能维持额定功率输出,输出功率反而会下降。

变桨距风电机组的运行过程可以划分为以下四个阶段:

① 风速小于切入风速;

② 风速在切入风速和额定风速之间;

③ 风速在额定风速和切出风速之间;

④ 风速大于切出风速。

在风速小于切入风速时,机组不产生电能,桨距角保持在90°;在风速高于切入风速后,桨距角转到0°。机组开始并网发电,并通过控制变流器调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化,使风能利用系数保持最大,捕获最大风能;在风速超过额定值

后,变桨机构开始动作,增大桨距角,减小风能利用系数,减少风轮的风能捕获,使发电机的输出功率稳定在额定值;在风速大于切除风速时,风力机组抱闸停机,桨距角变到90°。以保护机组不被大风损坏[3]。

1.3 变桨距风力机组的运行状态分析

变桨距风力发电机根据变距系统所起的作用可分为三种运行状态,即风力发电机组的起动状态、欠功率状态和额定功率状态。

1.3.1 启动状态

变桨距风轮的桨叶在静止时,节距角为90°,此时气流对桨叶不产生转矩,整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时,桨叶向0°方向转动,直到气流对桨叶产生一定的攻角,风轮开始起动。为了使控制过程比较简单,早期的变桨距风力发电机组在转速达到发电机同步转速前对桨叶节距角并不加以控制。在这种情况下,桨叶节距只是按所设定的变距速度将节距角向0°方向打开,直到发电机转速上升到同步速附近,变桨距系统才开始投入工作。转速控制的给定值是恒定的,即同步转速。转速反馈信号与给定值进行比较,当转速超过同步转速时,桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度,反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一定时间后发电机即并入电网。

1.3.2 欠功率状态

欠功率状态是指发电机并入电网后,由于风速低于额定风速,发电机在额定功率以下的低功率状态运行。在早期的变桨距风力发电机组中,对欠功率状态不加控制。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同,其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。而目前的变桨距风力大电机会自动调节桨距角的变化使风机运行在最佳状态。

1.3.3 额定功率状态

当风速达到或超过额定风速后,风力发电机组进入额定功率状态。在传统的变桨距控制方式中,这时将转速控制切换到功率控制,变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制,则当控制信号的给定值是恒定的,即额定功率。功率反馈信号与给定值进行比较,当功率超过额定功率时,桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度,反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。由于变桨距系统的响应速度受到限制,对快速变化的风速,通过改变节距来控制输出功率并不理想。因此,为了优化功率曲线,最新

设计的变桨距风力发电机组在进行功率控制的过程中,其功率反馈信号不再作为直接控制桨叶节距的变量。变桨距系统由风速的低频分量和发电机转速控制,风速的高频分量产生的机械能波动,通过迅速改变发电机的转速来进行平衡,即通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制,当风速高于额定风速时,允许发电机转速升高,将瞬变的风能以风轮动能的形式储存起来;速转降低时,在将动能释放出来,使功率期限达到理想的状态。

1.4 变桨距控制的特点

1.4.1 输出功率特性

变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比,具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠桨叶的气动性能。当功率在额定功率以下时,控制器将桨叶节距角置于零度附近,不作变化,可以认为等同于定桨距风力发电机组,发电机的功率根据桨叶的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时,变桨距机构开始工作,调整桨叶节距角,将发电机的输出功率限定在额定值附近。

1.4.2 风能利用率

变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比,在相同的额定功率点,额定风速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组,一般在低风速阶段的风能利用系数较高。当风速接近额定点,风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的升高,功率上升己趋平缓,而过了额定点以后,桨叶开始失速,风速升高,功率反而有所下降。对于变桨距风力发电机组,由于桨叶节距可以控制,无需担心风速超过额定点后的功率控制问题,可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。

1.4.3 额定功率

由于变桨距风力机的桨叶桨距角是根据风力机输出功率的反馈信号来控制的,它不受气流密度变化的影响。故无论是由于温度变化还是由于海拔引起的空气密度的变化,变桨距系统都能够通过调节桨叶桨距角,使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力机来说,具有明显的优越性。大大扩大了风力机的使用区域和使用时间。

1.4.4 启动与制动性能

变桨距风力机在低风速时,桨叶桨距角可以调节到合适的角度,使桨叶具有最大的起动力矩,从而使变桨距风力机比定桨距风力机更容易起动。在风速很高或者风力机出现故障时,这时一般需要紧急停机,这时一般先使桨叶顺桨,这样风力机受力最小,不需要很大的制动力矩。

1.4.5对机械部件的影响

定桨距风力机的桨叶的桨距角是固定的,即桨叶按照桨距角固定的安装在轮毅上。在风带高于额定风速时,它是根据桨叶的失速特性或者使用叶尖扰流器来使风力机的输出功率限定在额定功率附近。这种情况下,噪声常常会突然增加,引起风力机的振动和机械部件的受力增大,并且导致运行不稳定等现象。而使用变桨距风力机可以通过调节桨叶的桨距角,从而改变风力机受力情况,以达到减少机械部件损耗和振动。

第二章 变桨矩系统的原理与结构

2.1变桨矩调节原理

变桨矩风机的叶片与轮毂之间采用非刚性联结方式,这时叶片可以绕叶片纵梁进行桨矩调节,使得叶片相对于风向有不同的攻角。当风速持续变化时,叶片的桨矩角始终保持在最佳的角度,从而使风电机组在不同风速下始终保持其风轮的最佳转换效率,使输出功率达到最大值。

风机吸收风能产生的输出功率为:

P =1ρπC P R 2V 3 式(2.14) 2

式中:P 为输出功率;价为风能利用系数;C P 为空气密度;R 为风轮半径;V 为风轮正面风速。

风机将产生的能量转换为机械能传递给负载,机械能表达式为

P m =T ⋅ω=P 式(2.15)

式中:P m 为机械能;T 为风机扭矩;ω为风机角速度。

这里的扭矩T 是由负载决定的。这样由式(2.14)和(2.15)得


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