兆瓦级风机变桨系统的电磁兼容研究
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摘要
变桨距风力发电机组由于能够在较宽的风速范围内运行,成为兆瓦级风力发电机组普遍采用的形式。变桨风力发电机组通过变桨距控制系统可以调整叶片的桨距角,优化风轮出力,改善风机的输出功率特性,并消除因空气密度变化和叶片表面粗糙度对功率输出的影响。但是变桨距系统的内部各种元件工作相互影响,电磁干扰问题已经成为影响变桨系统稳定运行的一个重要因素。
本文着重以大型兆瓦级风力发电机组的变桨距控制系统为研究对象。
首先,文中通过对变桨系统在风电场中运行故障分析,找到影响电动变桨距系统正常运行的主要干扰源、干扰耦合路径及敏感设备,分析其成因。
其次,通过在风电场实地测量,检测了风力发电设备各个子系统的地线阻抗和DP总线屏蔽层上的地线电阻是否符合要求,通过加装辅助接地线降低雷击过电压的幅值。然后,在不同的静态负载下测量了伺服电机工作时直流母线上的传导干扰情况,测量了电容器在不同的变桨速度下充放电的时间,以确定电容器使用的频繁程度,并分析降低电磁兼容故障概率的可能性。在手动和自动变桨模式下,测量了伺服电机正反转时光电编码器的波形,以观测电机的转速,分析电磁干扰对电机速度测量的影响。
最后,本文比较了两种变桨距系统的设计结构引发电磁兼容上的差异,通过在现场的应用,找到适用于变桨距系统的最佳主电路设计结构。本文还从硬件上设计了变桨距的供电电源进线,重新地设计了相应的电源EMI滤波器及信号滤波器。为了提高对来自电网的瞬态干扰抑制能力,采用了压敏电阻实现了交流电源的多级浪涌保护,解决了风力发电机的变桨距系统由于传输线的传导干扰引发的故障。从软件上通过改进风机主控软件中涉及到变桨系统的控制策略,以降低伺服变桨的频繁程度,力图从根源上彻底地解决变桨系统的电磁兼容问题。变桨距系统的电磁抗干扰的效果还需要在风电场的实际运行中得以检验。
Variable-pitch wind turbine has been became one of the most mainstream forms on MW wind turbine, it can be achieved in a wide range of wind speed. Variable-pitch system can adjust the angles of blade, and optimize the efforts of wind round to improve the output of wind-power characteristics, and eliminate the changes in air density and surface roughness on the blades. However, internal components in the variable pitch system have been interference each other. Electromagnetic interference (EMI) problem have been one of the most serious problem, Variable-pitch wind turbine can not work properly.
First of all, the paper analysis the failures of variable-pitch system in the wind mill, and find main sources of interference and interference coupling paths and sensitive equipments, that could affect normal operation.
Secondly, measure the grounding resistance of various subsystems in the wind turbine, and measure the ground resistance of DP bus shield in the wind mill. In the laboratory, measure the interference waves of DC bus when servo motor works in different static loads. And then measure the time of charge and discharge in different variable motor speeds, in order to determine the capacity of ultra-capacitor and try to reduce the rates of EMC. Measure the waveform of encoder in the mode of manual and automatic.
Finally, compare two variable pitch structures that cause the problem of electromagnetic compatibility, in order to find the best design structure. This article also design the improvement of hardware, redesign the corresponding power supply and EMI filter signal filter, in order to suppress the power grid from the transient interference. And design multi-level surge protection of AC power, to resolve the wind turbine system of variable pitch system by electromagnetic interference after the transmission lines. The paper also changes the PLC software that controls the blade speeds, in order to reduce the frequency of pitch and the problems of electromagnetic compatibility. But the improvement of variable-pitch system could test in the wind mill.
本文着重以大型兆瓦级风力发电机组的变桨距控制系统为研究对象。
首先,文中通过对变桨系统在风电场中运行故障分析,找到影响电动变桨距系统正常运行的主要干扰源、干扰耦合路径及敏感设备,分析其成因。
其次,通过在风电场实地测量,检测了风力发电设备各个子系统的地线阻抗和DP总线屏蔽层上的地线电阻是否符合要求,通过加装辅助接地线降低雷击过电压的幅值。然后,在不同的静态负载下测量了伺服电机工作时直流母线上的传导干扰情况,测量了电容器在不同的变桨速度下充放电的时间,以确定电容器使用的频繁程度,并分析降低电磁兼容故障概率的可能性。在手动和自动变桨模式下,测量了伺服电机正反转时光电编码器的波形,以观测电机的转速,分析电磁干扰对电机速度测量的影响。
最后,本文比较了两种变桨距系统的设计结构引发电磁兼容上的差异,通过在现场的应用,找到适用于变桨距系统的最佳主电路设计结构。本文还从硬件上设计了变桨距的供电电源进线,重新地设计了相应的电源EMI滤波器及信号滤波器。为了提高对来自电网的瞬态干扰抑制能力,采用了压敏电阻实现了交流电源的多级浪涌保护,解决了风力发电机的变桨距系统由于传输线的传导干扰引发的故障。从软件上通过改进风机主控软件中涉及到变桨系统的控制策略,以降低伺服变桨的频繁程度,力图从根源上彻底地解决变桨系统的电磁兼容问题。变桨距系统的电磁抗干扰的效果还需要在风电场的实际运行中得以检验。
Variable-pitch wind turbine has been became one of the most mainstream forms on MW wind turbine, it can be achieved in a wide range of wind speed. Variable-pitch system can adjust the angles of blade, and optimize the efforts of wind round to improve the output of wind-power characteristics, and eliminate the changes in air density and surface roughness on the blades. However, internal components in the variable pitch system have been interference each other. Electromagnetic interference (EMI) problem have been one of the most serious problem, Variable-pitch wind turbine can not work properly.
First of all, the paper analysis the failures of variable-pitch system in the wind mill, and find main sources of interference and interference coupling paths and sensitive equipments, that could affect normal operation.
Secondly, measure the grounding resistance of various subsystems in the wind turbine, and measure the ground resistance of DP bus shield in the wind mill. In the laboratory, measure the interference waves of DC bus when servo motor works in different static loads. And then measure the time of charge and discharge in different variable motor speeds, in order to determine the capacity of ultra-capacitor and try to reduce the rates of EMC. Measure the waveform of encoder in the mode of manual and automatic.
Finally, compare two variable pitch structures that cause the problem of electromagnetic compatibility, in order to find the best design structure. This article also design the improvement of hardware, redesign the corresponding power supply and EMI filter signal filter, in order to suppress the power grid from the transient interference. And design multi-level surge protection of AC power, to resolve the wind turbine system of variable pitch system by electromagnetic interference after the transmission lines. The paper also changes the PLC software that controls the blade speeds, in order to reduce the frequency of pitch and the problems of electromagnetic compatibility. But the improvement of variable-pitch system could test in the wind mill.
引文
[1]中国风能发展战略论坛论文选[J].中国工程院“中国可再生能源发展战略研究”项目组,2006年12月.
[2]叶杭冶.风力发电机组的控制技术.北京:机械工业出版社[M],2006.
[3]大卫A·韦斯顿(加)著.王守三、杨自佑译.电磁兼容原理与应用(原书第2版)[M].北京:机械工业出版社,2006.
[4]王守三编译.电磁兼容的实用技术、技巧和工艺[M].北京:机械工业出版社,2007.
[5]米切尔·麦迪奎安.电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术[M].北京:机械工业出版社,2002.
[6]李洪亮.计算机电磁兼容技术的研究[D].山东大学,2007.
[7]袁海.兆瓦级风力机变桨距控制系统的研究[D].上海交通大学,2007.
[8]容旭巍,汪至中,荆龙.风力机电动变桨伺服系统的控制[J].机械与电子,2008年第3期
[9]ATECH.Freqcon1.5MW变桨电路图.Project V77 13302.001.
[10]周小全,王智勇.精密导电滑环主要检测参数的分析[J].
[11]周旭.电子设备防干扰原理与技术[M].北京:国防工业出版社,2005
[12]李定宣.开关稳定电源设计与应用[M].北京:中国电力出版社,2006
[13]Wei Song and Brad Lehman.Dual-Bridge DC-DC Converter:A New Topology of No Dead time DC-DC Converters[C].IEEE.2002.
[14]谭文静.电动汽车超级电容控制器的研究[D].西安交通大学,2004年.
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[16]王育槐.变频调速系统电磁兼容性设计及电磁优化算法[D].浙江大学,2004年.
[17]冯永祥.提高导电滑环灌胶质量的方法和措施[J].第14卷第2期.
[18]ZIVAN.NG5-NG7-NG9 BATTERY CHARGER.2006.
[19]ZIVAN v.r.1.Wind Mill Application-Tests and Explanations.2007.
[20]MC_16v_48v_使用手册_v1.2.Maxwell,2003.
[21]Zapispa.of AC-2 INVERTER User Manual.2006.www.zapispa.it.
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[23]刘龙江,白志峰,曹秉刚.一种电动汽车用的超级电容控制器[J].电子元器件应用 2003年5月.
[24]裴雪军,张凯,康勇,陈坚.基于EMI滤波器的逆变器传导电磁干扰的抑制[J].电气传动,2007年第37卷第12期.
[25]陈训龙,郑洪波.电源EMI滤波器的技术参数及其应用[J].电气时代.2007年第9期
[26]王建渊,钟彦儒,伍文俊变频器EMC设计及典型试验方法研究[J]电力电子技术 2007年12月第41卷第12期.
[27]郭凤仪,王智勇,李颖.不同保护电路对继电器电寿命的影响及实验研究[J].中国电机工程学报.第31期第27卷,2007年11月.
[28]张子蓬,王淑青,刘辉.SSI接口的绝对值角度编码器值的读出方法研究[J]
[29]向艳稳,修吉平.光电编码器信号抗干扰算法[J].计算机测量与控制.2003.11(8)
[30]绝对型增量型编码器选型使用注意事项,http://www.cncproduct.com..2006年.
[31]邓方,陈杰,陈文颉,池澄.一种高精度的光电编码器检测方法及其装置[J].北京理工大 学学报第27卷第11期.
[32]国家质量技术监督局.GB T17626.2-1998 电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验,北京,1998-12-31发布.
[33]国家质量技术监督局.GB T17626.4-1998 电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉群抗扰度试验,北京,1998-12-31发布.
[34]BRITISH STANDARD EN61000-4-4:2004 Part4-4:testing and measurement techniques-electrical fast transient/burst immunity test.
[35]国家质量技术监督局.GB T17626.5-1999 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验,北京,1998-12-31发布.
[36]国家质量技术监督局.GB T17626.11-1999电磁兼容 试验和测量技术 电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验,北京,1998-12-31发布.
[37]电磁兼容推荐标准风力发电机控制系统中的抗扰度试验.
[38]BRITISH STANDARD EN61000-4-5:1995 Part4-5:testing and measurement techniques-surge immunity test.
[39]BRITISH STANDARD EN61000-4-11:2004 Part4-11:testing and measurement techniques-voltage dips,short interruption and voltage variations immunity tests.
[40]商用及工业用设备的电压跌落测试[J].电磁干扰与兼容.2008年1月.
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[45]秦晓辉.微机保护电磁兼容研究及变电站内电磁干扰的传播途径[D].华北电力大学.2003年.
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[48]钱照明,程肇基.电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术[M].杭州.浙江大学出版社,2000.12.