兆瓦级风机变桨系统的电磁兼容研究

论文摘要

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。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 序
• 1 引言
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 定桨距和变桨距系统发电机组的特点
• 1.3 变桨距系统的类型
• 1.3.1 电液变桨距系统
• 1.3.2 电动变桨距系统
• 1.4 电动变桨距系统的结构和电磁兼容问题
• 1.5 课题研究的主要工作和内容
• 2 变桨系统的故障和电磁兼容分析
• 2.1 变桨系统的电磁兼容故障类型
• 2.1.1 变桨距系统的常见干扰源
• 2.2 电源线上的传导干扰分析
• 2.2.1 轮毅滑环引发的电源传导干扰
• 2.2.2 超级电容器上的传导干扰
• 2.2.3 断路器和继电器引发的电源传导干扰
• 2.3 电容充电器的电磁兼容分析
• 2.3.1 电容充电器输出电流的检测问题
• 2.3.2 电容充电器结构问题
• 2.4 交流伺服系统的电磁兼容分析
• 2.5 PLC控制系统中的电磁干扰分析
• 2.5.1 PLC接地系统混乱时的干扰
• 2.5.2 位置反馈环节的电磁兼容分析
• 2.6 本章小结
• 3 变桨距系统的电磁兼容测试
• 3.1 控制系统的地线阻抗测量
• 3.1.1 机组的地线阻抗测试
• 3.1.2 现场总线屏蔽层的地线阻抗测试
• 3.2 变桨系统中的抗传导干扰敏感度测试
• 3.2.1 电快速群脉冲抗扰度试验（EFT）
• 3.2.2 浪涌冲击抗干扰度试验（SURGE）
• 3.2.3 电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验（DIPS）
• 3.3 电源线上的传导干扰测量
• 3.4 不同负载下的直流母线的电流波动
• 3.5 不同负载下电容器的充放电时间测量
• 3.6 伺服电机速度的检测
• 3.7 本章小结
• 4 变桨系统的改进设计
• 4.1 变桨系统结构的改进设计方案
• 4.2 电容充电器设计的改进
• 4.2.1 电容充电器的主电路改进
• 4.2.2 电容充电器的检测环节的改进
• 4.2.3 电容充电器和电容器的容量匹配
• 4.3 EMI滤波器的设计
• 4.3.1 三相电源 EMI滤波器的设计
• 4.3.2 电源 EMI滤波器的安装
• 4.3.3 抑制电源线中的快速瞬变脉冲串干扰
• 4.4 继电器和电磁阀的抗干扰措施
• 4.5 变桨电源的防雷保护设计
• 4.5.1 防雷压敏电阻的选用
• 4.5.2 变桨系统的交流电源多级保护
• 4.6 系统软件改进性设计
• 4.6.1 桨距角调节的软件改进
• 4.7 本章小结
• 5 结论
• 参考文献
• 附录A
• 作者简历
• 学位论文数据集