变浆距双馈型风力发电机组的结构和原理-訾恒编著

时间: 2024-07-21 01:45:24 |   作者: 产品视频

  经过定浆距风机的运行实践，设计人员对风力发电机组的运行工况和各种受力状态有了更深入的了解，变浆距风机的先天优势重新进入设计人员的视线，变浆距风机的设计重新被重视起来，当前的变浆距风力发电机慢慢的变成了市场的主流，目前投入商业运行的变浆距双馈型机组有很多，但其结构和原理大同小异，其中丹麦维斯塔斯的V90系列应用比较广泛，市场占有率较高，结构也很典型。这一章将以Vestas的V90-1.8/2.0MW风机为例来学习变浆距双馈型机组的结构和原理。

  控制类型:微处理器监控所有风机功能,备选远程监控。输出调节及优化通过OptiSpeed®和OptiTip®桨距调节实现。

  概述：变浆距风力发电机是在定浆距风力发电机成功运用的基础上发展起来的机型，它的桨叶角度能调节，以达到最佳的叶尖速比，使得风力机的风能利用率大幅度的提升。变浆距风机相对于定浆距风机的优势是十分明显的，当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，可以使功率输出保持稳定。在风力发电机启动时需要较大的气动扭矩，也一定要通过变浆系统的动作以获得足够的气动转矩。其实风机设计人员最初设计的风力发电机都是倾向于变浆距的，但是由于技术条件有限，控制管理系统、变浆系统不成熟，在极端条件下往往不能满足风力发电机的安全运行条件。所以变浆距风机在很长一段时间里得不到发展。

  当风速高于5m/s但低于额定风速时，控制管理系统无需对浆距角做定位以获取最大气动转矩的控制，浆距角将直接从90º逐渐减小到0º。控制管理系统根据风速值大小选择浆距角减小的快慢，起动完成后，浆距角停止在最大开浆位置，以实现最大风能捕获。

  伺服电动机与减速机和传动小齿轮连接在一起，固定在轮毂上，电动机带动减速机旋转减少转速增加了扭矩，通过减速机的输出轴小齿轮与变浆距轴承的内齿圈啮合驱动变浆距轴承的内圈和叶片一起旋转，实现变浆的目的。变浆减速机的原理与上一章所讲的偏航减速机结构和原理相似，都是通过行星齿轮或行星齿轮和其它齿轮配合进行减速。

  变浆距风力发电机的运行控制大体上分为三种情况，即风力发电机的起动状态、欠功率状态和额定功率状态。

  风机未并网时，控制管理系统根据当前风机状态和实际风速给定浆距角和变浆的速度。变距风轮的桨叶在静止时，浆距角为90º，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上相当于一块阻尼板。

  当机组无故障且满足起动风速为3-5m/s时，控制管理系统将浆距角定位至接近45º的啮合角，以提高起动扭矩。随着发电机转速的上升，系统控制叶片的浆距角由45º向0º逐渐减小，直到发电机转速增加到并网转速值。起动完成之后，桨叶停止在浆距角为0º的最大开浆位置，以实现对风能的最大捕获。但在风速过低时，系统不对浆距角进行调节，以节约能量。

  维斯塔斯在叶片设计方面具有优势，其叶片重量一直是最轻的。V90风机在这一方面实现了新的突破。其叶片是由玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维组成。每个叶片包含两个叶片外壳，粘合到一个支撑梁上。V90新型叶片采用了几种轻质材料，特别是承重翼梁采用了碳纤维材料。碳纤维不仅比以前叶片中的玻璃纤维轻，而且强度大、刚度好，可显著减少材料用量。虽然V90风机的扫风面积比V80多27%，但其叶片重量实际上与较短的V80叶片基本相同。V90叶片的外形就空气动力学而言比以往的风机更优越。通过优化总负荷对风机的影响与年发电量之间的关系，维斯塔斯研发出了具有全新的平面外形和曲线叶片的翼面不仅提高了风机效率，同时降低了叶片前缘对尘土的敏感度，优化了连续翼面厚度之间的几何关系。桨叶上装有接闪器，防止雷电损坏桨叶。

  电动变浆系统一般是三叶片独立变浆系统，单个叶片变浆机构一般来说包括控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速机、传感器、角度限位开关、蓄电池、变压器等组成。伺服驱动器驱动伺服电机实现变浆角度的控制，传感器用于测量电机的转速和当前的浆距角，蓄电池是保证停电时变浆系统动作的备用电源。

  此外金风的直驱系列风机采用了电机齿形带变浆的形式，也可归类为电机变浆的一种形式，在下一章中将详细叙述。

  变浆距风力发电机组与定浆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。早期的变浆距风力发电机，当功率在额定功率以下时，控制器将叶片浆距角控制在0º附近不做变化，其气动性能等同于定浆距风力发电机组，当功率超过额定功率时，变浆机构方开始工作，调整叶片浆距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。但是，大型风力发电机组的叶片重量很大，要操纵如此巨大的部件响应风速的快速变化几乎是不可能的，但是变速型风力发电机能够最终靠改变风轮的转速，以吸收瞬时增大的风能，达到更高的风能利用率。

  液压单独变浆执行机构的3个液压缸布置在轮毂内，每一个叶片都有一个液压缸，以曲柄滑块的运动方式分别给3个叶片提供变浆驱动力，独立变浆过程彼此独立，当一组变浆机构发生故障时，其余两组变浆机构仍旧能通过变浆完成气动制动，其控制可靠灵活，安全冗余较大，但它需要三套相同的控制执行机构，成本比较高，此外3叶片还需要保证精确的同步变距，以避免3叶片的浆距角差异。

  四个电动偏航齿轮使偏航小齿轮旋转，它们与装在塔架顶部带齿的大偏航环啮合。偏航轴承系统为具有内置摩擦的滑动轴承系统。

  玻璃纤维增强的机舱壳为机舱内所有部件提供防雨、防雪、防尘、防晒等保护。中心开口提供从塔架到机舱的通道。机舱内有一架800kg维护用起重机，其吊重能力可以被扩大到能提升7,500kg的主要部件。

  液压统一变浆机构通过1个液压缸驱动3个叶片同步变浆，液压缸放置在机舱里，三个桨叶上有三个带长槽的摇臂，摇杆卡在摇臂中连接在万象盘上，活塞杆穿过主轴与轮毂内部的同步盘连接，动作时液压油驱动活塞缸活塞运动，从而推动推杆、同步盘运动，同步盘通过转轴、连杆、长转轴推动偏心盘转动，偏心盘带动叶片进行变距。维斯塔斯早期采用的就是这种液压统一变浆系统。

  变浆系统存在一个技术难点就是如何在机舱和轮毂之间传输控制通讯信号、电能和液压动力。维斯塔斯V90风机的旋转传输单元通过一种带流体轴承的双向低摩擦旋转液压接头从液压站向轮毂传输液压动力。通过非接触环单元传输网络通讯信号。通过旋转变压器把低压电传输给轮毂。通过滑环装置从机舱向轮毂传输高压电。三个系统都安装在齿轮箱后侧与风轮中心同心的突出的中空轴上，并随着叶轮转动。旋转变压器位于距离齿轮箱最近的位置，其定子固定在齿轮箱箱体上。转动的Arc-net非接触通讯系统，用来传递轮毂与控制管理系统之间的来往信号，装在旋转变压器的外侧，并罩有筒形外壳。在中空轴末端，液压旋转耦合单元用螺栓固定在转接器上，而转接器则用螺钉紧固在中空轴末端。液压旋转耦合单元的定子则用液压软管固定。高压Hyac－Heat变浆系统储能器加热器电能传输和变浆系统控制信号传输装置的滑环装置装在液压旋转耦合单元转接头上，并固定在旋转Arc-net传输装置的固定壁上。

  概述：变浆距执行结构的作用是使叶片绕着轴承旋转，根据控制管理系统的指令改变叶片的浆距角，从而改变风力发电机组的气动性能，变浆距执行机构按驱动机构形式大体上分为两种，一种是液压变浆式，一种是电动变浆式，即以伺服电机驱动减速机实现变浆调节。按叶片变浆又可分为单叶片独立变浆和多叶片共同变浆两种。电动变浆多用在单叶片独立变浆风机上，液压变浆适用较为广泛可单用也可多用。液压变浆具有转动力矩大，重量较轻，刚度较大，定位精确，执行机构动态响应速度快等优点，但液压变浆距机构控制环节多，机构较复杂，成本比较高，油密封和润滑要求比较高。电机变浆机构紧凑，控制灵活可靠，不存在密封要求，但电机重量偏重，转矩较小。

  在高风速时，OptiSpeed和桨距调节使功率在不同的空气温度和密度下从始至终保持额定出力。在低风速时，OptiTip（最佳浆距）系统和OptiSpeed通过选择最佳转速和桨距角来优化出力。

  风机通过全顺桨叶片实现制动。变速箱高速轴上装有机械刹车单元。由一台基于微处理器的控制器VMP控制器（维斯塔斯多处理器控制器）监控风机的所有功能。控制管理系统与变压器都装在机舱内。叶片位置由液压/机械变桨系统调节，该系统可使叶片旋转95°，同时也为盘式制动器系统提供压力。在急停操作模式下，风机通过全顺桨叶片（空气动力制动装置）实现制动。

  维斯塔斯是进入中国市场的第一家风机供应商，拥有20%的全球市场占有率，是世界风能解决方案的领先供应商。已在全球六大洲66个国家和地区安装了43,000多台风机。维斯塔斯拥有中国最大的风力发电制造厂，生产发电机、叶片、机舱、轮毂和控制管理系统。已经在中国三个不同的省份拥有五家风机制造工厂。维斯塔斯V80/V90-1.8/2.0MW风机是维斯塔斯公司目前的主力机型，属于桨距调节的上风向风机，配有主动偏航和三叶片风轮。V90-1.8/2.0MW风机采用了先进的叶片设计和技术，其叶片的重量与V80-2.0MW风机叶片的重量相同，但叶片的扫掠面积增加了27%。其机舱采用的是V80的设计，但齿轮箱和传动系统都有所改进，可承受来自转子的更大的负荷。因此，V80和V90风机的主要构造区别不大，所以我们之后的介绍以V90系列为例。

  概述:上一章我们已学习了定浆距风力机的风轮构成，变浆距风机的风轮和定浆距风机的风轮主体机构是相似的，区别是变浆距风机的桨叶的迎角是能调节的，因此轮毂上应该装有变浆轴承、变浆执行机构和变浆控制管理系统。

  变浆距轮毂为铸造结构，叶片与轮毂的连接部分装有用来调节叶片桨距的轴承，在轮毂内还装有浆距调节的执行机构和控制管理系统，其它部分和金风系列相似不再累述。变浆轴承是一个四点球轴承，带有内外密封，用螺栓连接到风轮轮毂上。专用螺纹插件将叶片与变浆轴承连接起来。对于电机驱动的齿轮式变浆机组，轴承会带有内齿，和变浆减速器齿轮咬合，实现变浆。此外金风直驱式机组采用了一种电机驱动齿形带的方式变浆，轴承部分需配合齿形带。

  V90-1.8/2.0MW风机风机风轮直径为90米，额定功率为1.8/2.0MW。独特的OptiSpeed（最佳转速）功能（控制系统中详细的介绍）可使风轮变速运转。所有的V90风机都配有独特的维斯塔斯桨距调节系统。通过该系统，叶片桨距角可不断根据当前风况调到最佳角度，从而优化了风机出力和噪声水平。

  主轴通过变速箱将动力传递到发电机。变速箱为行星齿轮和斜齿轮组合变速箱。动力从变速箱通过一个免维护复合联轴器传递到发电机。发电机为专用绕线转子四极异步发电机。