编码器在风电行业中的应用

2011-03-11 23:12:15来源: 互联网
一、引言

随着煤炭、石油等常规能源的逐渐枯竭,人类越来越重视对新能源(非常规能源)的开发利用。新能源是指传统能源之外的各种能源形式,如
太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。其中风能以其独特优势而备受青睐。相对其他新能源相比,风能具有三大优势:第一,储量大、分布广;第二,可利用性强,成本相对较低;第三,绿色能源,不污染环境。

作为一种利用风能的清洁能源,
风电环境保护日益重要的今天,发挥着越来越重要的作用。近年来,全球风能市场每年以超过40%的速度快速发展,而中国也凭借丰富的风场资源和政府对新能源开发的大力支持,成为继欧美之后全球最重要的风能市场,这给中国风能装备制造业带来了发展机遇。我国风能资源丰富,理论储量为16亿千瓦,实际可利用量达2.5亿千瓦,具有极大的发展潜力。同时在国家的新能源发展规划中,将风力发电作为重点扶持行业,使我国风电行业拥有了更广阔的发展前景。

因此风电这几年一直保持着成倍增长,2008年风电机组增长率受到GDP影响,但也超过了80%,国产化的比率已经超过70%。风能产业要想健康持续的增长,就要完成产业体系的建设,产业链的建设。宜科公司抓住了机遇,适时开发出了顺应需求的产品路线和解决方案,并被成功应用于多个风电场中。

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二、水平轴风力涡轮机组成

基于对风能的更高效率采集及利用,目前风电行业主要采用水平轴风力涡轮机,其组成如右图所示:

转子叶片:捕获风能并将其转换为转轴的转动能;
转轴:将转动能转化为发电机的动能;
变速箱:用于增加转子中心和发电机之间的转轴速度;
发电机:利用转轴的转动能,通过电磁原理发电;
偏航控制器(未显示):移动转子使其与风向保持一致;
制动装置:在出现电力超载或系统故障时停止转轴旋转;
塔架:支撑转子和发动机箱,并将整个装置位置提升;

三、风力发电的控制系统

风力发电系统作为风能发电领域的核心环节,其技术革新至关重要。目前主要采用恒速恒频和变速恒频风力发电机系统两大类。在风力发电中,当风力发电机组与电网并网时,要求风电的频率与电网的频率保持一致,即恒频。恒速恒频即在风力发电过程中,保持风车的转速(也即发电机的转速)不变,从而得到恒频的电能。在风力发电过程中让风车的转速随风速而变化,而通过其它控制方式来得到恒频电能的方法称为变速恒频。

由于风能与风速的三次方成正比,当风速在一定范围变化时,如果允许风车做变速运动,则能达到更好利用风能的目的。风车将风能转换成机械能的效率可用输出功率系数CP来表示,CP在某一确定的风轮周速比λ(桨叶尖速度与风速之比)下达到最大值。恒速恒频机组的风车转速保持不变,而风速又经常在变化,显然CP不可能保持在最佳值。变速恒频机组的特点是风车和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。由于风车的转速可变,可以通过适当的控制,使风车的周速比处于或接近最佳值,从而最大限度地利用风能发电。因此变速恒频风力发电系统以其风能利用系数高,能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力,以及可以改善系统的功率因数等突出优势,在风力发电行业越来越受欢迎。

变速恒频控制的功能是保证上网电能的质量,因此必须对发电机的转速进行测量并反馈到控制器,实现闭环控制。目前对发电机转速的检测主要采用旋转编码器。同时由于发电机的功率大,会产生轴电流,如果编码器与发电机不绝缘,则轴电流会被引入编码器,进而损坏编码器。宜科公司的EV88P系列编码器采用独特的机械设计理念,确保产品的抗振动抗冲击性能,采用欧洲先进的电气设计技术,确保产品在-40~85℃的温度条件下可靠输出,同时采用先进的绝缘处理技术,有效防止轴电流对编码器的损坏。EV88P系列编码器,以其优异的性能特点及稳定运行,已在华北地区某风电设备制造厂取得成功应用,在风场的稳定运行得到客户的认可。

四、风力发电的变桨距控制系统

在风电技术发展方面,风力发电机单机容量朝着大型化发展,兆瓦级风力机已经成为风力发电市场的主流产品。目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制技术。变桨距控制是通过沿桨叶的纵轴控制叶片旋转,依据风速的变化随时调节桨距角,控制风轮的能量吸收,保持一定的输出功率。变桨距控制的优点是能够确保高风速段的额定功率,额定功率点以上输出平稳、在额定点具有较高的风能利用系数、提高风力机组起动性能与制动性能、提高风机的整体柔性度、减小整机和桨叶的受力状况。在并网过程中,变桨距控制还可实现快速无冲击并网。变桨距控制系统与变速恒频技术相配合,最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。

变桨距控制系统的执行机构主要有两种,液压变桨距执行机构和电动变桨距执行机构。其中,电机变桨执行机构是利用电机对桨叶进行控制,结构紧凑、控制灵活、动作可靠,不存在液压执行机构中的非线性、漏油、卡塞等现象。电机变桨距控制机构可对每个桨叶采用一个伺服电机进行单独调节。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相啮合,直接对桨叶的桨距角进行控制。旋转编码器将桨距角的变化反馈给控制器,进而对电机进行闭环PID负反馈控制。

宜科公司的EB58系列增量编码器、EAS58系列模拟量输出绝对值编码器和EAM58系列SSI输出绝对值编码器以其优异的抗机械振动性能和-40℃温度条件下稳定的电气输出性能,为广大风电客户提供了性价比优异的传感器解决方案。其中,EB58系列编码器用于变桨系统中伺服电机信号反馈,控制桨叶角度控制,同时应用EAS58或EAM58系列编码器对变桨角度给予绝对位置信息反馈。EB58和EAS58系列编码器均在华北某风电设备制造厂得到成功应用,并得到客户极大的认可。

五、结束语

风力发电技术已日趋成熟,在可再生的绿色能源的开发领域中占有突出的地位,具有重要的开发利用价值。尤其是在偏远的山区、牧区和海岛等地区,风力发电可为当地居民的生活和生产提供洁净的能源,缓解能源供应紧张的局面。

以往投资商和运营商更多关注的是购买产品的价格,而在整个寿命周期里边,维护成本占40%到70%,主要取决于产品质量。越来越多的风电用户将关注的重心转移到如何提高产品质量,增强可靠性,同时降低维护成本。宜科这样拥有浓厚的技术积淀和优秀产品质量的公司,能够使得中国的风电产业链更加充实和完善,帮助风电设备制造厂商们提升产品质量,并将维护成本减到最少。

[1] 徐甫荣.大型风电场及风电机组的控制系统[J].电气传动自动化,2003,25(6):5~11.
[2] 马宏飞,徐殿国,苗立杰. 几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析[J]. 电工技术杂志,2000, (10).
[3] 刘其辉,贺益康,赵仁德. 变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制[J]. 电力系统自动化,2003,27(20):62~67

关键字:变桨控制系统  变速恒频控制系统  增量编码器  绝对值编码器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2011/0311/article_792.html
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