风机变桨控制柜可行性方案风电.docx
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风机变桨控制柜可行性方案风电
一、趋势判断和需求分析
1、国外现状、水平和发展趋势
在2007年前后，我国风电设备的关键零部件产能严重不足，一些关键零部件存在较大的供需矛盾，严重依赖进口。
而且进口关键零部件的订货周期长、价格高，关键零部件掣肘我国风电产业的发展。
随着整机制造企业的迅速增加，更加激化了关键零部件与整机生产不相匹配的矛盾。
在这种现状下，能否控制成本将成为企业在激烈竞争中能否胜出的关键。
而控制成本的关键在于外购率，而那些只做系统整合，不能够自己生产风机主要零部件的企业，很难将成本降低。
而那些可以制造发电机、叶片、齿轮箱、控制系统的企业，无疑在成本整合上更具优势。
风机制造企业需要不断的提高自己的零部件自制率。
下表按照风机零部件构成比例列出了目前的现状。
图表风机零部件构成比例
零部件
成本占比
国产自制状态
性能描述
塔架
26.30%
已自制
通常为卷钢制成
风轮叶片
22.20%
未自制
采用复合材料，经特殊设计的模具制造加工
齿轮箱
12.91%
已自制
提高峰轮轴的低转速发电机所需的高转速
变频器
5.01%
已自制
将发电机的直流电转变为交流电
变压器
3.59%
已自制
将来自单机的电力转变为电网所需的高电压
发电机
3.44%
已自制
将机械能转换为电能。
偏航环
2.80%
已自制
采用刚材制成，以支撑整个动力传动系统
变桨距系统
2.66%
未自制
调整叶片角度，使风能利用最大化
主轴
1.91%
已自制
将风轮转向力传递到齿轮箱
轮毂
1.37%
已自制
采用铸铁制造，提供插放叶片的位置
机舱壳
1.35%
已自制
质轻的玻璃钢箱体覆盖于机组系统之外
制动系统
1.32%
已自制
根据需要采用碟刹令机组停止运行
偏航系统
1.25%
已自制
使机舱旋转至迎风方向的结构
风轮轴承
1.22%
未自制
用来抵抗风力所产生的负载
螺钉
1.04%
已自制
将各个主要部件固定，须适应于极限负载
电缆
0.96%
已自制
在风电场中将单机相连至子电站
2、知识产权状况和技术标准状况
由上表可以看出变桨距控制系统是确保风机能量捕获，合理抵抗载荷的基本设备。
由于其在风机整机中至关重要的作用，使得目前能独立提供产品的只有SEG和LUST两家国外公司。
国规模化的企业约有近10家，但均为组装厂家，没有核心技术，无法在同一水平线上竞争。
3、经济建设和社会发展需求
能源和环境是21世纪所关注的最重要的两个主题。
随着经济不断发展,必然引起石油、煤炭等自然资源枯竭、环境污染及地球温室效应的加重。
人们必须把握经济增长、环境保护和能源供给这三位一体的“3E”之间的平衡关系。
风电市场竞争激烈，已经是不争的事实，在此时，能否控制成本将成为企业在激烈竞争中能否胜出的关键。
而控制成本的关键在于外购率，那些只做系统整合，而那些不能够自己生产风机主要零部件的企业，很难将成本降低。
而那些可以制造发电机、叶片、齿轮箱、控制系统的企业，无疑在成本整合上更具优势。
风机制造企业需要不断的提高自己的零部件自制率。
4、科学技术价值、特色
联合研发国产大功率风机新型变桨控制器的科学价值在于：
掌握大功率风机变桨控制器的设计技术。
掌握大载荷动态位置换的控制算法。
掌握大功率风机变桨控制器的制造工艺。
二、研究容和技术关键
1、项目总目标
项目研究的总体目标是研制一套适合工程应用的产品化的大功率风机变桨控制器系统。
具有如下优点：
★精度高、响应快速性能优越。
★同步齐、一致性好性能稳定。
★结构合理接口标准便于产业化。
★性价比合理便于商业化运作。
2、项目关键技术
1、驱动器动态载荷的算法
在经典的算法中增加了加速度扰动量，按照日本安川公司提供的大动态载荷模型来完善算法，算法的基本流程如下图所示：
2、电池状态的实时监控
电池状态的实时监控关键在于将三个桨叶的电池充放电控制系统独立，改变LUST的三个桨叶的电池充放电控制有一套系统分时完成的状况，提高了紧急状态下的安全系数。
因为终归有一个系统能让桨叶回到顺桨位置，使风机回到安全状态。
充放电控制分为三种模式：
主控命令、自动监控和手动应急。
其功能框图如下，状态监控的信号包括：
电流、电压、电池温度、柜体温度、主控命令要求、电池柜状态、手动应急要求、充放电动作、安全链信号等。
3、安全链逻辑的控制流程
安全链设计的原则有以下四条：
★硬件主安全链有安全继电器和PLC逻辑构成。
★电池状态监控器提供第二个独立的安全回路（DC24V）。
★交流电源故障时，电池状态监控器提供直流电源。
（DC24V）
★尽量少用电池能量，延长电池寿命。
安全链逻辑框图如下：
4、组合安装的工艺流程
★防止任意旋转时松动紧固件。
★模块可以方便地整体拆卸。
★所有部件安装必须考虑风机特殊工况。
★所有接线按排必须与原使用系统保持一致。
★安装尺寸必须与原使用系统保持一致。
3、项目技术路线
技术路线为以现有成熟技术为基础，结合国际交流合作的成果，通过联合开发形成样机。
最终独立掌握关键技术。
在上述的国际交流合作总则中，日本安川公司由于其驱动技术特别是大动态载荷模型算法在日本国及国际上的领先地位和大量国外应用实例（如宝钢等）成为国际交流合作的首选对象。
项目具体合作的技术路线如下：
1、通过与日本安川国际交流合作，联合开发变桨距控制的驱动器核心技术——动态载荷的模型算法。
掌握算法模型的建立过程、运算分析思路，动态大载荷大惯量的处理方法。
最终形成完整的算法和参数体系。
2、通过与日本安川国际交流合作，由日本安川提供驱动器的功率模块，控制模块自主设计，形成性价比极高的驱动器系统。
3、电池组状态的实时监控采用成熟的磷酸锂铁电池，功率密度大，输出瞬时功率强，形成可靠的后备电池系统。
4、安全链控制采用成熟的PLC技术，主要由硬件来进行安全链保护，以此作为确保系统安全的基本条件。
5、组合安装的工艺流程尽量参考成熟的国外产品，以严格的工艺和质量控制来达到近乎苛刻的可靠性保证。
4、项目创新点
1、伺服驱动器的动态载荷算法,提高位置定位精度和响应时间.
在经典的算法中增加了加速度扰动量，按照日本安川公司提供的大动态载荷模型来完善算法，算法实施的效果示意如下图所示，左边为实施前效果，右边为实施后效果。
2、增加电池监控的硬件保护体系,保护功能齐全、安全链冗余度大。
电池状态的实时监控关键在于将三个桨叶的电池充放电控制系统独立，改变LUST的三个桨叶的电池充放电控制有一套系统分时完成的状况，提高了紧急状态下的安全系数。
因为终归有一个系统能让桨叶回到顺桨位置，使风机回到安全状态。
电池监控功能包括：
独立充放电控制，24V冗余控制，直流电路转换，独立安全链回路。
充放电回路互为冗余，互为监控自动切换主回路，安全可靠性强。
电池监控控制功能框图如下
3、增加两种总线结构,提高通讯的可靠性。
采用双总线（CAN/ProfiBus）冗余设计如下图所示，避免了原先LUST的单一总线（ProfiBus）不稳定。
5、项目主要技术容
1、驱动器动态载荷的算法
在经典的算法中增加了加速度扰动量，按照日本安川公司提供的大动态载荷模型来完善算法，算法的基本流程如下图所示：
2、电池状态的实时监控
电池监控功能包括：
独立充放电控制，24V冗余控制，直流电路转换，独立安全链回路。
充放电回路互为冗余，互为监控自动切换主回路，安全可靠性强。
充放电控制分为三种模式：
主控命令、自动监控和手动应急。
其功能框图如下，状态监控的信号包括：
电流、电压、电池温度、柜体温度、主控命令要求、电池柜状态、手动应急要求、充放电动作、安全链信号等。
电池端子面必须确保任意旋转时始终朝上。
电池模块可以方便地整体拆卸。
所有部件安装必须考虑风机特殊工况。
3、安全链逻辑的控制流程
安全链设计的原则有以下四条：
★硬件主安全链有安全继电器和PLC逻辑构成。
★电池状态监控器提供第二个独立的安全回路。
★交流电源故障时，电池状态监控器提供直流电源。
★尽量少用电池能量，延长电池寿命。
安全链逻辑框图如下：
4、组合安装的工艺流程
★防止任意旋转时松动紧固件。
★模块可以方便地整体拆卸。
★所有部件安装必须考虑风机特殊工况。
★所有接线按排必须与原使用系统保持一致。
★安装尺寸必须与原使用系统保持一致。
5、带载测试平台
★模拟主控应能满足如下功能：
完成与变桨系统的通讯，要同时考虑Profibus和CANopen两种通讯接口方式。
给变桨系统发送变桨的位置，变桨速度等指令显示变桨系统的各种状态。
★加载驱动控制器的功能：
接收加载信号。
把加载信号转换成扭矩，并送给加载电机。
接收扭矩传感器的值，并显示此值。
接收加载电机的各种状态值。
★叶片角度模拟和限位开关触发装置。
为了使变桨带载测试平台更加真实，更能贴近实际的变桨运行状态。
在此系统中增加了变桨限位开关触发装置和桨叶编码器旋转装置。
本装置主要伺服驱动器从控制器或加载驱动器接收加实际转速，通过可调速比进行速度同步，做到实时与加载电机转速线性同步。
三、执行年限和计划进度
年度
月份
主要工作容
节点目标
2011
8月—9月
设计变桨控制器设备电路原理和逻辑流程
原理图、状态图成文并评审
9月—10月
制作变桨控制器样机
提供整个系统测试的样机
10月—11月
研究相关技术及调试性能指标，并且开始工程应用
提供测试试验报告
10月—12月
工艺文件，验收材料
项目验收会
四、成果形式和考核指标
考核指标：
●角度控制围：
0～92度
●额定扭矩：
31.8Nm
●最大扭矩：
100Nm
●制动力矩：
82Nm
●额定功率：
6KW
●建立制动扭矩的最大时间：
50ms
●释放制动扭矩的最大时间：
100ms
五、预期效果和风险分析
1．经济效益和产业化前景
根据中国风能协会提供的统计数据，截止2007年底，我国（地区除外）新增风电机组3155台，新增装机容量达3446MW，同比增长156.4%；2007年底累计风电机组6469台，装机容量达6050MW，风电场158个，分布于21个省（市、区和特别行政区），较06年增加了6个省市（、、、和），累计装机容量同比增长132.33%，07年共计上网电量约52亿KWH。
2007年，我国新增风力发电装机容量344.6万千瓦，比2000年增加了336.96万千瓦，平均每年增加48.14万千瓦。
风机制造企业分为三个梯队，金凤科技、华锐、电气在2008年年产100万千瓦以上，属于第一梯队；明阳、运达、电气、湘电等属于第二梯队，年产量在10-25万千瓦；其他还没有实现批量化生产的属于第三梯队。
根据电气配计划，按照风电的产能变桨控制器需求可达300余套。
总产值达到10000万元人民币，利润可达到1000元人民币。
根据其他风机整机厂商的市场的8%计算，按照5MW机组折算变桨控制器需求为400余套。
总产值达到12000万元人民币，利润可达到1200元人民币。
2．对环境影响程度及资源综合利用
没有影响
3．技术风险和市场风险
技术上处于全新的自主联合开发，存在一定的技术风险，特别是由于风能特性的不确定因素导致整体方案的变动。
市场上的竞争将随着风电行业竞争的激烈变得更加白热化，而且预计将会十分残酷激烈。
六、经费预算
初步估算：
电池柜的成本应在8万人民币左右
控制器部分6万人民币左右
电机及驱动在8万人民币左右
柜体、继电控制以及接插件在2.5万人民币左右
1、制造总成本（单位：
元人民币）
名称
数量
单价
小计
电池盒
3
23723.00
71169.00
电控箱
3
57126.42
171379.27
接线人工
3
1000.00
3000.00
245548.27
2、器件单列成本：
电控箱
部件名称
组件件名称
零件名称
型号、厂家
数量
单价
小计
备注
1#电控箱
配电组件
主开关断路器1Q1
3相400V/63A
1
768.00
768
（施耐德）
400V浪涌吸收1R1
1
21.50
21.5
230V浪涌吸收1R2
1
21.50
21.5
1#开关断路器1F1
3相400V/C25A
1
247.00
247
（施耐德）
2#开关断路器1F2
3相400V/C25A
1
247.00
247
（施耐德）
3#开关断路器1F3
3相400V/C25A
1
247.00
247
（施耐德）
电源相序检测1F4
1A1/鉴相、欠压等
1
1686.00
1686
（倍福）
控制断路器1F5
单相230V/C16A直流
1
183.00
183
（施耐德）
控制继电器1K1
230V直流中继
1
183.00
183
（施耐德）
驱动部件
启动电阻2R1、2R2
3Ω/100W
2
270.00
540
分流电阻2R3、2R4
33Ω/400W
2
800.00
1600
放电电阻2R5、2R6
18Ω/400W
2
800.00
1600
主回路导向桥堆2V1
3相单用1600V/50A
1
327.00
327
（三肯）
低压穿越桥堆2V2
单相1600V/50A
1
175.00
175
（三肯）
直流隔离桥堆2V3
单相1600V/50A
1
175.00
175
（三肯）
1#主变桨驱动器2A1
3相单用40A/12KW
1
6400.00
6400
（安川）
控制部件
CAN终端电阻3R1
120Ω
1
0.00
0
4输入模拟量模块
EL4553
1
1673.00
1673
（倍福）
16输入开关量模块
EL2008
1
654.50
654.5
（倍福）
8独立输出开关量模块
EL1008
1
595.00
595
（倍福）
终端模块
EL9011
1
47.60
47.6
（倍福）
低压穿越断路器2F1
B6A直流
1
77.90
77.9
（施耐德）
上电松闸继电器4K1
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
驱动上电继电器4K2
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
启动风冷继电器4K3
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
启动加热继电器4K4
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
刹车导向桥5V1
1600V/5A压敏电阻
1
88.00
88
刹车交流断路器5F1
B6A直流
1
77.90
77.9
（施耐德）
刹车一级断路器5F2
C10A直流
1
185.30
185.3
（施耐德）
刹车二级断路器5F3
B6A直流
1
77.90
77.9
（施耐德）
风冷加热断路器5F4
B6A直流
1
77.90
77.9
（施耐德）
整流模块电路5G2
300V/1A
1
295.00
295
电池电压监测6U1
过充、欠压等
1
2275.00
2275
（DFS）
电池24V断路器6F1
B6A直流
1
77.90
77.9
（施耐德）
电源24V断路器6F2
B16A直流
1
252.30
252.3
（施耐德）
直流24V断路器6F3
B10A直流
1
161.40
161.4
（施耐德）
直流母线保险丝6F4
40A
1
70.00
70
（施耐德）
电池充电断路器6F6
B6A直流
1
77.90
77.9
（施耐德）
电池供电主开关6Q1
400V/160A直流
1
1873.00
1873
（施耐德）
隔离二极管6V1
1000V/20A
1
25.00
25
隔离二极管6V2
1000V/20A
1
25.00
25
刹车释放继电器7K1
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
启动控制继电器7K2
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
驱动工作继电器7K3
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
风冷工作继电器7K4
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
电源故障继电器7K5
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
加热工作继电器7K6
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
电池工作继电器8K1
230V中继直流
1
179.00
179
（施耐德）
电池分流继电器8K2
230V中继直流
1
179.00
179
（施耐德）
电池松闸继电器8K3
230V中继直流
1
179.00
179
（施耐德）
91度限位继电器8K4
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
96度限位继电器8K5
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
限位旁路继电器8K6
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
安全链继电器8K7
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
故障松闸继电器8K8
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
充电器14G1
AC500V
1
4058
4058
（DFS）
充电电源断路器14F1
C10A直流
1
185.30
185.3
（施耐德）
充电输出断路器14F2
B10A直流
1
161.40
161.4
（施耐德）
1#充电继电器15K1
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
2#充电继电器15K2
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
3#充电继电器15K3
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
充电关断继电器15K4
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
UPS激活继电器15K5
24VDC直流
1
98.00
98
（施耐德）
触摸屏16A1
CP6608-0001-0000
0.33
15,913.80
5251.554
（倍福）
ETHERCAT模块16A2
EK1100
0.33
1,666.00
549.78
（倍福）
数字输入16A3
EL2008
0.33
654.50
215.985
（倍福）
数字输入16A4
EL2008
0.33
654.50
215.985
（倍福）
数字输入16A5
EL2008
0.33
654.50
215.985
（倍福）
数字输入16A6
EL2008
0.33
654.50
215.985
（倍福）
数字输入16A7
EL2008
0.33
47.60
15.708
（倍福）
数字输出16A8
EL2008
0.33
595.00
196.35
（倍福）
数字输出16A9
EL2008
0.33
595.00
196.35
（倍福）
CAN_OPEN主站16A10
EL6751
0.33
4,420.00
1458.6
（倍福）
PROFIBUS从站16A11
EL6731-0010
0.33
5,338.00
1761.54
（倍福）
叶片轴信号端子
G1/BG10
1
111.70
111.7
harting
叶片轴限位端子
HI1/BG6
1
111.70
111.7
harting
电机组件
直流串励电机2M1
单相6KW、26A、288V
1
5798.00
5798
（安川）
电机转速编码器2M1
SSI/GM400
1
2500.00
2500
（GE）
刹车电磁铁2M1
288VDC/50W/0.17A
1
447.00
447
（安川）
刹车释放风机2M1
288VDC/50W/0.08A
1
344.00
344
（安川）
加热器2M1
230VAC/50W/0.22A
1
225.00
225
（安川）
叶片组件
叶片轴承编码器3B1
SSI/GM400/绝对值
1
2500.00
2500
（GE）
风机组件
风冷电机5M1
230VAC/140W/0.61A
1
0.00
0
（安川）
柜体
六面体
不锈钢
0.33
14500
4785
（威图）
合计
57126.42
电池柜
部件名称
组件件名称
零件名称
型号、厂家
数量
单价
小计
备注
1#电池盒
电池组件
电池组件
288V/200AH/40A/15°～70°
1
20140.00
20140
（DFS）
端子组件
接线端子组件
M1、BG16
1
1106.00
1106
harting
加热组件
加热电阻
250W
1
750.00
750
加热风扇
1
150.00
150
温保继电器
220V/10A
1
43.00
43
传感器组件
PT1001R2
PT100
1
101.00
101
NTC1R3
NTC10K
1
233.00
233
柜体
不锈钢密封
1000×1000×800
1
1200.00
1200
合计
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