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風電變槳中的伺服有什么特別
來源: | 作者:轉載 | 發布時間: 2019-12-23 | 180 次瀏覽 | 分享到:

在風力發電系統中,使用伺服技術調節風機葉片的槳距角,也就是我們常聽到的“伺服變槳”,已經是目前行業內一種非常普遍的做法了。


PicSource:KEBA+LTI


那么,在風電變槳應用中的伺服會有怎樣的特別之處呢?本期,就和大伙簡單聊聊這個話題。

PicSource:KEBA+LTI | Pitch Control System


首先,既然風電變槳是在調節風機葉片的槳距角,那么,伺服在變槳應用中所起到的作用,就和它在很多其他行業一樣,也是為動態、精準的位置控制提供有效的動力輸出。相應的,其在系統架構中所處的位置,自然也就是屬于面向應用對象實體的傳動設備層級,上位與控制器相聯,輸入側接動力電源,輸出側通過交流伺服電機來驅動槳葉的旋轉。

?? 槳距角:Pitch Angle,指風機槳葉與旋轉平面之間的夾角


PicSource:KEBA+LTI


不過,考慮到變槳系統自身所處的嚴苛、惡劣的應用環境,及其復雜、特殊的運行工況,它所使用的伺服與一般自動化系統中的伺服產品相比,還是有諸多方面的不同之處的。




先說應用環境。


我們知道,風力發電機組通常都是運行在偏遠開闊的平原、高原、沿海和近海大陸架上的,這些地方極為復雜嚴苛的地理氣候條件,如:高海拔、多風沙、高溫、低溫、高濕度、鹽霧、腐蝕…等等,都是風電變槳系統中的伺服產品必須先要克服和適應的。尤其是較大的環境濕度和晝夜溫差,可能使槳葉在表面上產生凝露,它們會隨著風輪的轉動倒灌到葉根和輪轂里面,再加上輪轂內電氣柜上凝結的露水,和輪轂旋轉需要使用的潤滑油劑,這些都會對其中的伺服產品造成侵蝕和污染。

PicSource:KEBA+LTI | DriveStar


因此,風電變槳系統中使用的伺服,無論是驅動還是電機,它們都需要具備適應極端惡劣工作環境的能力,例如:

  • 運行環境溫度可低至 -30°C、高溫至 +60°C 甚至更高;

  • 能夠在海拔高達 3000 甚至 4000 米的工作環境中運行(需適當降容使用);

  • 可抵御鹽、霧、清潔劑、液壓油、潤滑劑…等污染物的侵蝕;

  • 伺服電機應具備 IP65 以上的防護等級,并標配油封,使用防護等級較高的線纜連接器;

  • 防護等級較低( IP20 )的伺服驅動器可采用冷板穿墻的方式進行安裝,以便在對其進行密閉(無風扇)封裝保護時,兼顧冷卻散熱特性;

  • ...


PicSource:KEBA LTI


變槳應用另一個重要的環境特點,就是其各類機電組件都是安裝在幾十米高的輪轂內的,且在工作時需要和風輪一同旋轉。一般來說,輪轂會以每分鐘十幾轉的速度轉動,加上風機塔筒受到的風力氣流影響產生的震動,這要求變槳系統能夠在一個持續振動的工作環境中長期保持穩定的運行狀態。因此,應用于風電變槳的伺服產品,包括:驅動器、電機、線纜、連接器…等等,都需要具備較一般自動化產品更強的耐振抗沖擊性能。目前應用于風電變槳領域的伺服電機,普遍都集成重載連接器,并且大部分都還在使用分辨率較低的旋變 Resolver 作為反饋,也就是因為這個道理。


PicSource:KEBA LTI


再來看運行工況。


風電變槳的目的,是為了根據風速的變化調節風力氣流對槳葉的攻角,從而讓風輪能夠持續獲得穩定的氣動轉矩和功率;而在風力較大時,它需要起到限制葉片力矩、減少發電機出力乃至制動剎車的作用。從某種意義上說,變槳機構其實是風電系統的一個安全裝置。因此,變槳應用中使用的伺服系統必須具備實時、安全、可靠…等這幾個方面的特性。


PicSource:KEBA+LTI


所謂實時,是指伺服系統驅動風機葉片旋轉的變槳動作,必須基于每次風速的改變而立即作出的,并且是動態連續不停頓的,這與一般自動化設備中有規律的周期性運動是不同的。風機運轉時,其葉片槳距角的范圍一般在 0 ~ 90°,考慮到葉片在各角度位置所受到的風阻大小的差異,伺服系統需根據從主機接收到的槳距角目標指令,結合當前所在的位置,計算出變槳動作所需的速度曲線,并以此為依據完成對風葉角度的調節。


PicSource:KEBA+LTI | PITCHmaster


變槳動作時,三個葉片須始終保持同步,之間的角度誤差一般應在 2° 以內,這通常是由變槳控制器與驅動器之間的通訊總線和位置反饋編碼器來提供保障的。

 

通訊方面,目測 CAN 總線是現在風電變槳行業的一大主流;


KEBA+LTI | PITCHmaster II


而在槳距角位置測量上,考慮到伺服電機與輪轂內齒之間幾百甚至上千的減速比,光依賴電機內部的伺服反饋往往是不夠準確的,伺服廠家通常會為用戶配備第二編碼器輸入端口,用于直接讀取風葉的槳距角反饋。




不過,風電機組的運轉并不總是一帆風順的,它有可能會受到來自風力過大、發電機異常、備用電源故障… 等各類意外狀況的威脅。在這種情況下,為了確保機組設備的安全,系統須先啟動收槳動作使風機減速停轉,然后讓葉片的槳距角回到零位,消除葉片對輪轂產生的氣動轉矩,才能斷電停機,這個過程通常為幾十秒。


KEBA+LTI | PITCHmaster II+


值得注意的是,上述這樣的安全功能通常是集成在驅動器內部的,其目的在于讓“收槳”動作可以不借助上位控制器由伺服驅動自主完成;不僅如此,為了讓風機即使在供電異常的情況下也能夠將槳葉收回到安全位置,變槳用伺服產品一般都會配有備用(直流)電源輸入端口;另外,上面提到的使用輔助編碼器準確的測量風葉槳距角,對于安全停機也是至關重要的。


KEBA + LTI | PitchOne


這其實還是可靠性的意思。目前主流廠家的產品,如:KEBA+LTI 的 PITCHmaster II和新款 PitchOne,在這方面都已經具備了 2oo3 的冗余性能和 PL D 甚至 PL E 的安全等級。


PicSource | KEBA+LTI


從應對嚴苛的氣候地理條件和持續振動的工作環境,到處理實時同步操作、測量角度位置反饋、實施安全控制策略...等,我們不難看出,在全生命周期都具備極度嚴格的可靠性,是風電變槳伺服區別于通用型伺服產品的關鍵所在。它不僅應確保風機在日常發電過程中長期穩定的無故障運行,還必須能在遇到緊急狀況時妥善的將槳葉收回到安全位置,從而幫助系統做到安全停機。


PicSource | KEBA+LTI


畢竟,風場往往處在偏遠的內陸、沿海地區或海上,而變槳伺服又總是運行在幾十甚至上百米高的風機輪轂中,運營維護的難度和成本都相當之高,且任何小小的意外都有可能會帶來不可估量的損失。

 
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