双驱电动变桨系统关键技术研究_杨忾.pdf

双驱电动变桨系统关键技术研究杨忾，李雨蒙（东方电气风电股份有限公司，四川 德阳 ）摘要：我国海上风电正向着机组大型化的方向发展，随着功率等级的不断提高，叶根载荷也相应增大，对变桨系统的输出功率、驱动能力提出更高要求。采用个电机驱动叶片进行调桨的电动双驱变桨方案可以有效减小对变桨轴承的冲击，延长轴承寿命，大幅度提高变桨系统可靠性和整机性能。关键词：风力发电机组；变桨系统；双驱；同步控制中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：引言风电作为一种清洁高效的新能源，是我国能源体系的重要组成部分。从目前我国海上风电的发展趋势来看，风电新增装机量和单机容量将大幅度提升，机组大型化优势逐渐显现，具有广阔的市场空间。海上风电相比陆上风电，具有风能资源丰富、主导风向稳定、有利于机组稳定运行、单机容量大幅度提高、噪声限制小、环境负面影响小、不占用土地资源等优势。大力发展海上风电，不仅可以满足东部地区用电需求，陆、海风电相结合，还会加快我国绿色发电的步伐。全球风电场建设已出现从陆地向海上发展、机组大型化发展的趋势，目前亚太地区投运机组容量已经突破 ，各大整机商也已经开始布局 等级海上机组的开发。变桨系统作为风力发电机组控制系统的重要组成部分，具有调节风轮输入功率、气动刹车等功能，直接关系着风电机组的性能和安全。目前，海上风电的变桨系统主要有条技术路线，分别是液压变桨路线和电动变桨路线。液压变桨系统液压变桨系统原理如图所示。液压变桨系统主要由液压缸、液压动力泵、液压管路、比例阀、电磁阀、蓄能器及套独立的变桨装置等组成。图 液压变桨系统原理液压变桨由液压动力泵提供工作动力，液压油作为传递介质（通过电液滑环从机舱传输到轮毂），电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。目前，主要有西门子歌美飒、金风科技等整机商采用液压变桨技术路线，该技术路线在欧洲应用相对广泛。液压变桨系统具有稳定性高、故障次数少、组成部件和布置较简洁等特点，但是单次故障停机时间长，维护难度较大，油缸存在漏油风险，密封件、阀部件易损坏，价格昂贵且供货周期较长。而且液压变桨系统的核心技术被国外少数厂家把控，国内缺乏相应专业技术人员和相关系统运行管理经验。电动变桨系统 单电机驱动变桨系统电动变桨系统控制原理如图所示。电动变桨系统主要由伺服驱动器、变桨电机、控制器、充电器、超级电容后备电源等组成，采用桨距角闭环 调节完成对每自动控制电工技术个桨叶的桨距角控制。交流伺服驱动系统驱动带转速和角度反馈的伺服电机，伺服电机与减速齿轮箱连接，通过变桨齿轮箱输出小齿轮与轮毂轴承内齿圈相连，带动桨叶转动，根据风力的大小实时调整桨叶角度，实现对每个桨叶桨距角的控制。在风机轮毂轴承内齿圈上装有一个接近开关，用以检验电机自带的旋转变压器是否工作正常。在风机轮毂内法兰边上装有个限位开关，起限位作用，当连接在变桨轴承上的撞块触发后，变桨系统停止动作。图电动变桨系统原理目前，国内的整机厂商大多采用电动变桨技术路线，有完整的产业链，相应产品已经大批量成熟应用，相关运行管理经验丰富，备品备件管理方便，价格相对便宜。随着海上风电大型化的发展，及以上功率等级海上风电机组的载荷显著增大，传统的单电机驱动变桨系统的应用存在一定局限。首先，单电机驱动叶片调桨的作用力全部作用于减速箱驱动小齿和变桨轴承相接触的单个或几个齿面，应力过于集中，过大的载荷会导致轴承齿存在断裂风险，对轴承强度等提出更高的要求，对轴承刚度影响大，增加成本。其次，当前没有能够满足 以上功率等级风电机组变桨系统出力需求的，已经成熟应用的专用伺服驱动器、变桨电机等核心器件，需要联合驱动器、变桨电机厂商进行定制化开发。这些定制产品没有经过批量运行验证，可靠性难以保证，对变桨系统甚至整机的安全性来说存在巨大系统性安全风险，且定制化开发周期较长，难以适应白热化的市场竞争。最后，由于机组功率等级的增大，变桨电机、驱动器、控制柜体等部件的体积、重量等也将增大，个别部件重量将达到几百千克，受制于风机轮毂的有限空间，将对后期维护造成极大困难。双电机驱动变桨系统双电机驱动变桨系统是在传统单电机驱动变桨系统基础上发展而来的一种新型变桨系统。个变桨电机分别通过变桨减速箱连接到变桨轴承，共同驱动变桨轴承转动以控制风机叶片变桨。整个变桨系统包含个伺服驱动器、个变桨电机、组独立的作为后备电源的超级电容，以及限位开关、接近开关、重载线束等其他附件，同轴个驱动器共直流母线并与超级电容连接。双电机驱动变桨系统可以较好地适配 及以上功率等级的风力发电机组，相较于传统单电机驱动变桨系统，轴承单点受力可以减小一半，有效降低轴承齿面应力，延长变桨轴承寿命，提高风电机组的安全可靠性。除此之外，双电机驱动变桨系统中的单个电机或驱动器可以选用已经成熟应用的器件，且 体 积、重 量 相 应 减 小，提 高 了 变 桨 系 统 的 可 维护性。另一方面，双电机驱动叶片调桨时如果个电机出力不同步，载荷分配不均衡，就可能会造成系统某个驱动单元过载，反而影响系统寿命。同时，双电机驱动变桨系统的结构更为复杂，会带来控制逻辑设计、抱闸冗余控制等问题。双电机驱动变桨系统关键技术 同步控制双电机驱动变桨系统的核心在于实现同轴个变桨的速度和出力同步。如果电机出力不同步，就可能在风机极端载荷下出现变桨系统部分过载导致机组停机，变桨系统的长期出力不平衡还可能在长期运行中导致变桨轴承偏磨等问题，影响轴承寿命；如果电机速度不能迅速达到同步，就会直接导致变桨速度波动，目前超大型海上风机采用的百米级叶片，其叶根处微小转速波动也会导致整个叶片所承受 的 载 荷 剧 烈 变 化，存 在 叶 片 断 裂 甚 至 倒 机 的风险。同步控制虽然已经在数控机床、物流等行业应用得比较广泛，但风电机组变桨系统控制领域的双驱同步控制又有其独有的特点。传统的同步控制大多是沿同一方向运动，载荷相对稳定，但风电机组的输入风速是实时变化的，变桨系统需要实时响应风机主控系统的位置指令，且叶根载荷也会随风力不停变化，甚至出现交变载荷。在任何工况下，变桨系统都要对主控指令作出毫秒级响应，处于一个频繁的来回调桨，电机不停换向的工作状态。同轴的个驱动单元必须采用主从方式，主驱动器响应主控系统指令，从驱动器响应主驱动器指令。主从控制方式决定了从驱动器的动作相对主驱动器一定是滞后的，从驱动器对主驱动器的跟随快慢决定了整个系统的同步性能。要实现主从的同步控制功能，至少需要在主从驱动器之间进行力矩、转速、控制指令等信息的交互，因此主从信息交互速率很大程度上决定了同步性能。主从之间的通信采用工业现场总线或驱动器内置通信板卡，通信周期至少达到 才能保证信息交互的实时性。目前，双驱变桨的同步控制有种方法。第一种方法是采用力矩同步方式，主驱动器工作在位置模式，从驱动器工作在带速度限幅的力矩模式，主驱动器接收风机主控系统下发的位置指令，并将力矩给定和转速限幅的控制指令下发给从机，从机响应主机下发的指令并将状态信息反馈给主机。第二种方法是采用转速同步方式，主机将位置环计算的速度给定发给从机作为从机的速度环输入，主从机各自速度环计算出电流环给定值交互后作为主从电流环的输入进行控制。上述种控制方法都可以实现同轴双电机的力矩和转速同步，但不同风电机组的轮毂大小、轴承齿间隙、减速箱变比等不尽相同，因此同步控制相关 电工技术自动控制 参数需要针对不同的机组进行适应性整定，以实现最佳同步效果。抱闸冗余控制双电机驱动变桨系统采用个驱动器驱动台电机的方式，若是继续采用个驱动器控制台电机抱闸的一对一方式，那么单个驱动器控制端子或回路失效时，其所对应的电机将处于刹车状态，另一台电机的驱动能力不足以克服刹车力矩驱动叶片紧急收桨，由抱闸控制引起的无法收桨的概率将是传统单电机驱动方案的倍。为了避免上述情况，双电机驱动变桨系统还必须解决双电机抱闸冗余控制的问题，保证电机抱闸的有效控制。抱闸冗余控制有外围电路和驱动器内部集成种方式。外围电路方式传统单电机驱动变桨系统所适配的伺服驱动器抱闸控制端子仅能控制台电机抱闸，要实现双电机抱闸的冗余控制，就需要增加个专门的抱闸冗余控制电路，如图所示。图双驱抱闸冗余控制原理双电机驱动变桨系统采用抱闸冗余控制电路，实现主、从驱动器均能同时释放台电机抱闸的功能。驱动器输出控制回路为两路冗余，即 继电器和 继电器并联，当 和 继电器任意一个得电时，抱闸回路接触器均闭合，（控制电机输出的回路为一路）继电器得电，并且 输出直接分到个抱闸，均能同时打开台电机的抱闸，有效降低了电机抱闸回路失效的风险。同理，只有在主、从驱动器同时输出关闭抱闸指令时，即 和 同时失电时，继电器失电，此时电机关闭抱闸。由此实现主、从驱动器均可以释放台电机的抱闸，解决传统一对一抱闸控制带来的系统安全隐患。、均 采 用 固 态 继 电 器，寿 命 长、开 关 迅 速、抗冲击振动能力强，更能适应变桨系统旋转、振动的严苛工作环境。台电机抱闸动作回路各并联个火花抑制器，在提高电机抱闸响应效率的同时，可以有效保护固态继电器。内部集成方式采用外围电路的方式虽然可以实现双电机抱闸的冗余控制，但是由于引入了额外的控制回路，整个系统复杂度提升，可靠性也会随之降低。采用伺服驱动器内部集成的方式将外围控制电路集成到驱动器内部，同时提升驱动器抱闸控制端子的输出能力，个电机抱闸控制回路同时接入个驱动器控制端子即可实现个驱动器同时控制打开个电机刹车的功能。相比于外围电路方式，驱动器内部集成方式的结构更加简单，系统器件更少、故障点少、可靠性更高。但是内部集成方式需要与驱动器厂商进行定制化开 发，开 发 周 期 长，且 对 伺 服 驱 动 器 的 可 靠 性 要 求更高。安全顺桨控制对于传统单电机驱动变桨系统，如果某个轴驱动器或者电机发生致命故障，就将通过驱动另外支叶片顺桨停机，但该故障轴所在叶片将不能顺桨，目前所有的单电机驱动系统均存在该隐患。双电机驱动系统由于同轴有个驱动单元，因此在某个轴的单个驱动单元失效的情况下，能够通过另一个驱动单元实现顺桨，保证支叶片均能回到风暴位置，大幅度提高整个机组的安全性。正常情况下，主驱动单元工作在位置模式，从驱动单元工作在力矩模式或速度模式，在从驱动单元失效的情况下，主驱动单元将通过 节所述控制回路或驱动器内部集成控制端子同时打开同轴个变桨电机抱闸，仅通过主变桨电机驱动叶片顺桨，这种情况和单电机驱动系统的安全顺桨类似。当主驱动单元失效时，从机根据安全冗余控制算法判定主机故障后，将自动切换到独立的速度模式，通过 节所述控制回路，同时打开个抱闸，仅通过从驱动单元驱动叶片顺桨。值得注意的是，在单个驱动单元故障，另一个驱动单元出力顺桨的过程中，故障的驱动单元在收桨完成，触发限位开关前都处于输出关闭状态，以避免其突然介入引起的力矩、转速冲击对变桨系统或机组造成损伤。在工程上，同轴个驱动单元同时发生致命故障的概率是极低的，可以忽略不计，因此采用双驱变桨方案的风机将不会存在因驱动器或电机故障而导致其所在叶片无法顺桨到安全位置的情况。结语本文所述的双电机驱动变桨系统能够实现个驱动单元的同步控制，可有效减小变桨轴承齿面受力，延长轴承寿命，提高 系 统 的 可 靠 性 和 安 全 性。目 前，适 用 于 级海上机组的双驱变桨系统已经实现批量交付投运，经过长期运行测试，性能表现优异。双驱变桨系统在未来 以上功率等级的海上风电机组应用也已经形成了（下转第 页）自动控制电工技术数，提高了本文模型的预测精度。以上实验结果验证了本文模型通过对 优化算法、注意力机制、与 的结合，较好地进行了锂电池的 预测。结语进行锂电池 的准确预测在复杂设备智能故障诊断领域中占有重要的地位。为提高锂电池 的预测准确度，本文提出了 优化下 锂电池 预测方法。该方法利用了 在特征提取上的优势以及 神经网络在时间序列预测方面的优势，通过 优化算法对模型的超参数进行优化，并引入注意力机制帮助网络捕获较重要的信息。通过对比实验及消融实验，证明了本文模型相对于 、和 等模型具有的优势，以及 优化算法、注意力机制和双向 网络的有效性。综上，优化下 锂电池 预测方法具有较高的预测准确度和应用价值。参考文献 施文骏基于数据驱动的电动汽车锂电池寿命预测方法研究杭州：浙江大学，王凡，史永胜，刘博亲，等基于注意力改进 的锂离子电池健康状态估计储能科学与技术，（）：刘运鑫，姚良忠，周金辉，等基于 的锂电池储能装置 与 联合预测全球能源互联网，（）：张少凤，张清勇，杨叶森，等基于滑动窗口和 神经网络的锂离 子 电 池建 模方 法 储 能科学 与 技 术，（）：楚瀛，陈一凡，米阳一种基于注意力机制的 锂电池健康状态估算 电源技术，（）：，王英楷，张红，王星辉基于 的锂离子电池 预测储能科学与技术，（）：戴彦文，于艾清基于健康特征参数的 组合锂电池 估计储能科学与技术，（）：魏新尧，佘世刚，容伟，等基于布谷鸟算法优化 神经网络的锂电池 健 康 状 态 预 测计 算机测量与控制，（）：，肖仁鑫，李沛森，李晓宇，等 基于蚁群神经网络算法的电池健康状态估计 电源技术，（）：郑永飞，文怀兴，韩昉，等基于电池外特征的粒子群神经网络电池健康状态预测科学技术与工程，（）：吴铁洲，刘思哲，张晓星，等 基于 神经网络的锂离子电池 估算电池，（）：，（）：，：杨晓文，尹洪红，韩燮，等基于蚁狮优化的极限学习机的网格分割方法 激光与光电子学进展，（）：单欣欣 基于蚁狮优化 的智能家居入侵检测的研究武汉：湖北工业大学，南敬昌，杜晶晶，高明明基于蚁狮算法优化的 功放行为模型研究微波学报，（）：曾国辉，杜涛，黄勃，等基于蚁狮优化算法 分数阶 的 矢量控制电力电子技术，（）：，刘立邦，杨颂，王志坚，等基于改进 的焦炭质量预测化工学报，（）：肖旰，周莉，李敬兆，等基于 融合 的高压电缆故障诊断电子测量技术，（）：王春辉基于神经网络的锂离子电池 和 预测研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，李鹏，李立伟，杨玉新基于 的锂电池健康状态预测储能科学与技术，（）：徐宏东，高海波，林治国，等基于 模型的锂离子电池 预测 电池，（）：（上接第 页）先发优势，具有广阔的市场空间和前景。参考文献 费望龙，龚佳兴，杨岱璋，等风力发电机液压变桨系统设计 液压气动与密封，（）：吴光宇 兆瓦级风电机组变桨距系统设计 大电机技术，（）：王绍平，王冰，沈王平，等风电机组液压变桨距系统鲁棒控制策略研究机床与液压，（）：贾文爽风力发电机组液压变桨系统研究长春：吉林大学，汪超，沈黎明，战茜 基于 的变桨轴承受力分析计量与测试技术，（）：，电工技术新能源系统与设备