風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)分析和研究

趙亞亮 余 康 蘇 杰 羅冉冉

（1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003，2.北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司，北京 100085）

近年來，隨著全球面臨的資源枯竭和人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，風(fēng)能作為一種可再生、綠色能源越來越受到人們關(guān)注。在可再生新能源中，風(fēng)力發(fā)電是世界上公認(rèn)的最接近商業(yè)化的可再生能源技術(shù)，所以許多國(guó)家開始著手開發(fā)風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)比較成熟的產(chǎn)業(yè)[2]。伴隨著我國(guó)“十二五”計(jì)劃的出臺(tái)，我國(guó)風(fēng)能開發(fā)利用進(jìn)出了一個(gè)嶄新的階段。

變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研發(fā)和應(yīng)用的主流機(jī)型。與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有在額定功率點(diǎn)以上輸出功率平穩(wěn)、相同功率機(jī)組額定風(fēng)速低、不受氣流密度變化等環(huán)境因素影響和良好的啟動(dòng)和制動(dòng)性能等優(yōu)點(diǎn)。變槳距風(fēng)力機(jī)是指整個(gè)葉片繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片功角在一定范圍內(nèi)變化，以便調(diào)節(jié)輸出功率不超過設(shè)計(jì)容許的值。在機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，需要緊急停機(jī)，一般應(yīng)先使葉片順槳，這樣機(jī)組結(jié)構(gòu)中受力小，可以保證機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。本文依托華電天仁公司的變槳系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹。

1 變槳系統(tǒng)的功能原理

風(fēng)電變槳控制系統(tǒng)是MW級(jí)以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制和保護(hù)的重要裝置，是風(fēng)機(jī)停機(jī)的主剎車系統(tǒng)。在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程中，變槳系統(tǒng)控制槳葉的角度以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)依靠風(fēng)力自行啟動(dòng)；在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行過程中，變槳系統(tǒng)控制槳葉的角度以實(shí)現(xiàn)達(dá)到額定風(fēng)速后風(fēng)機(jī)維持滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，不過載；在風(fēng)機(jī)正常或緊急停機(jī)時(shí)，變槳系統(tǒng)控制槳葉轉(zhuǎn)到預(yù)定安全位置，實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力剎車，確保風(fēng)機(jī)安全停運(yùn)。該變槳系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

包括三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的變槳軸箱，分別編號(hào)為軸箱A、軸箱B和軸箱C，以及與各軸箱連接的伺服電機(jī)、位置傳感器和限位開關(guān)。每個(gè)軸箱單獨(dú)控制一個(gè)槳葉，軸箱與軸箱、軸箱與電機(jī)之間通過電纜連接。電機(jī)通過減速箱連接至槳葉法蘭齒輪。 電機(jī)減速齒輪和法蘭齒輪裝置為輪轂部件。

系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 原理結(jié)構(gòu)圖

2 控制方案的設(shè)計(jì)

天仁 1.5G變槳系統(tǒng)采用三柜制設(shè)計(jì)理念,系統(tǒng)包括三個(gè)基本相同的控制柜，它采用了先進(jìn)的交流伺服控制技術(shù)和超級(jí)電容電源后備技術(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)，定位精度高，具有集成度高、可靠性高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.1 安全鏈與EFC

風(fēng)機(jī)的安全系統(tǒng)是失效-安全控制模式，由于獨(dú)立安全鏈的存在，不會(huì)導(dǎo)致任何葉片向小的槳距角方向變距或?qū)е嘛L(fēng)機(jī)加速度旋轉(zhuǎn)[3]。所有的觸發(fā)停機(jī)的觸點(diǎn)都是串聯(lián)的。華電天仁風(fēng)機(jī)安全鏈串入三個(gè)軸箱PLC OK 8K3觸點(diǎn)回路,當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，安全鏈斷開，進(jìn)入緊急模式；EFC緊急順槳信號(hào)分別接入三個(gè)軸箱的繼電器，當(dāng)發(fā)生EFC時(shí)，繼電器失電，風(fēng)機(jī)順槳。控制模式如圖3所示。

圖3 安全鏈

2.2 低電壓穿越

低電壓穿越就是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)的端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網(wǎng)而繼續(xù)維持運(yùn)行,甚至還可為系統(tǒng)提供一定無功以幫助系統(tǒng)恢復(fù)電壓的能力。具有低電壓穿越能力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可躲過保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,故障切除后恢復(fù)正常運(yùn)行。這可大大減少風(fēng)電機(jī)組在故障時(shí)反復(fù)并網(wǎng)次數(shù),減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

當(dāng)變槳系統(tǒng)交流失電或故障時(shí)，整個(gè)變槳系統(tǒng)切為超級(jí)電容供電，8s后進(jìn)入緊急模式，變槳系統(tǒng)順槳到安全位置。完全滿足低電壓穿越（LVRT）的要求。這種控制策略能使變槳系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能，維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 校零與teach操作

3.1 校零

1）變槳系統(tǒng)正常上電，與風(fēng)機(jī)主控通信正常后，將軸箱全切為手動(dòng)模式。

2）在另外兩個(gè)槳葉在安全位置的前提下，將本槳葉手動(dòng)操作至機(jī)械零位（葉片角度刻度尺指示在零度））。

3）編碼器校零短接，觀察當(dāng)前 Pitch system 上槳葉角度值是否變?yōu)?0，如果是則校零成功，此時(shí)當(dāng)前零位值會(huì)保存在碼盤中。

4）將本軸箱操作回 89°，觀察 95°撞鐵滑塊是否在 90°傳感器附近。重復(fù)以上操作將另外兩個(gè)槳葉校零。

由于零位值記錄在碼盤中，調(diào)試校零后，運(yùn)行維護(hù)過程中，不需重新校零。 電機(jī)碼盤損壞的情況下，更換碼盤后電機(jī)對(duì)應(yīng)的槳葉需要按上述步驟重新校零。

3.2 teach操作

1）將變槳系統(tǒng)三個(gè)軸箱都切為手動(dòng)，以太網(wǎng)連接上 PLC，打開 Internet Explorer 瀏覽器。

2）點(diǎn)擊Positionteachdrive右側(cè)軟按鈕后，變槳先帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)至92°，然后由92°開槳至-2°，在此過程中PLC分別記錄90°和 3°～5°傳感器對(duì)應(yīng)的 Switchon和Switchoff值。接著變槳系統(tǒng)自動(dòng)順槳回89°。

3）Teach完成后，點(diǎn)擊進(jìn)入pitch system界面（詳見調(diào)試界面說明），觀察 sensor pos teached 狀態(tài)是否為 True,如為True則表示 Teach成功，F(xiàn)asle表示失敗。通常Teach失敗是由于傳感器本身故障或安裝間距（指的是傳感器表面至滑塊表面的間距，通常要求3～5mm）過大導(dǎo)致Teach不成功。

4）按上述步驟完成其他兩軸的Teach操作。

4 結(jié)論

隨著不可再生資源的耗費(fèi)過快以及為了更好的節(jié)能減排，低碳生活，新能源的開發(fā)利用顯得尤為重要。而風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為發(fā)展最迅速、最有潛力的新能源之一，風(fēng)電中變槳系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)能夠充分利用風(fēng)能的重要組成部分。本文比較詳細(xì)的介紹了華電天仁的1.5GW變槳系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)。該變槳系統(tǒng)具有完善的安全措施及操作功能，有著可靠性高、響應(yīng)速度快、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

[1]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2]遲遠(yuǎn)英,張少杰,李京文.國(guó)內(nèi)外風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀[J].生產(chǎn)力研究,2008(18),75-76.

[3]徐興康,朱蘊(yùn),李新育.MW 級(jí)風(fēng)機(jī)獨(dú)立安全鏈中基于FPGA的超速保護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與檢測(cè)技術(shù),2007,29(5),50-52.

[4]崔新維.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京∶科學(xué)技術(shù)出版社,2005,5.

[5]牛山泉.風(fēng)電技術(shù)[M].北京∶科學(xué)出版社.2009,6.