風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)探析

伍釗宏

（湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411102）

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電具有清潔環(huán)保和可再生性等優(yōu)勢(shì)，在全世界得到了快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電起步晚，后勁足。隨著2006年1月1日《中華人民共和國(guó)可再生能源法》的實(shí)施，國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)迅速崛起，裝機(jī)數(shù)量迅速增長(zhǎng)，到2020年已有十幾萬(wàn)臺(tái)。然而，隨著裝機(jī)數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組倒塌、損壞以及燒毀等重大事件隨之出現(xiàn)。重大事件的發(fā)生導(dǎo)致了人力、物力以及財(cái)力等方面的巨大損失。因此，發(fā)生事故后排查、分析以及總結(jié)事故原因以預(yù)防事故再次發(fā)生變得尤為重要。在重大事件中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組飛車事故最突出，其中飛車事故中變槳系統(tǒng)故障是主要原因。因此，探討及分析變槳系統(tǒng)，探尋一種經(jīng)濟(jì)科學(xué)、穩(wěn)定可靠以及精準(zhǔn)安全的變槳系統(tǒng)勢(shì)在必行。本文從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳系統(tǒng)組成入手，探析兩種基本的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)。

1 變槳系統(tǒng)基本組成的分類

1.1 控制回路的分類

控制回路分為兩種：一種是由PLC控制模塊、直流驅(qū)動(dòng)以及緊急變槳模塊構(gòu)成控制回路；另一種是由交流驅(qū)動(dòng)構(gòu)成控制回路，其交流驅(qū)動(dòng)集合了PLC控制、驅(qū)動(dòng)以及緊急變槳模塊功能。

1.2 變槳電機(jī)的分類

變槳電機(jī)分為兩種：一種是直流電機(jī)，功率較??；另一種是交流電機(jī)，功率較大。

1.3 緊急變槳后備電源的分類

緊急變槳后備電源分為兩種：一種是直流電池柜，由化學(xué)電池構(gòu)成；另一種是直流電容柜，由儲(chǔ)能電容構(gòu)成。

2 變槳系統(tǒng)分析

2.1 變槳系統(tǒng)的選取

變槳系統(tǒng)有多種，本文選用直流變槳系統(tǒng)和交流變槳系統(tǒng)兩種具有代表性的典型變槳系統(tǒng)。

2.1.1 直流變槳系統(tǒng)

直流變槳系統(tǒng)是一種早期的變槳系統(tǒng)，由PLC控制模塊、直流驅(qū)動(dòng)以及緊急變槳模塊做控制回路，由直流電機(jī)做變槳電機(jī)，由直流電池做緊急變槳后備電源。在直流變槳系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，PLC向驅(qū)動(dòng)和緊急變槳模塊發(fā)出使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出直流控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，而緊急變槳模塊通過(guò)24 V控制直流電機(jī)剎車。控制回路的3個(gè)部分相互配合，從而控制直流電機(jī)正常運(yùn)行。在直流變槳回路緊急變槳時(shí)，直流電池直接作用于直流電機(jī)，使電機(jī)在大直流電下緊急收槳。直流變槳系統(tǒng)如圖1所示[1]。

圖1 直流變槳系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.1.2 交流變槳系統(tǒng)

交流變槳系統(tǒng)是現(xiàn)在比較常用的一種變槳系統(tǒng)，由交流驅(qū)動(dòng)做控制回路，交流電機(jī)做變槳電機(jī)，直流電容做緊急變槳后備電源。交流變槳系統(tǒng)無(wú)論是在正常工作還是緊急變槳，都是通過(guò)交流驅(qū)動(dòng)控制輸出交流電的大小，從而實(shí)現(xiàn)交流變槳電機(jī)在不同電流下以不同的速度變槳。交流變槳系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 交流變槳系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.2 變槳系統(tǒng)性能分析

2.2.1 變槳系統(tǒng)控制分析

直流緊急變槳系統(tǒng)速度和交流緊急變槳系統(tǒng)速度分別為：

可以看出，緊急變槳時(shí)，交流變槳為穩(wěn)定的額定轉(zhuǎn)速，直流變槳系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速由變槳電池決定，額定轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。緊急變槳時(shí)，交流變槳系統(tǒng)的直流后備電流先通過(guò)交流驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娏?，再穩(wěn)定傳給交流電機(jī)，不會(huì)形成瞬時(shí)大電流而燒壞電機(jī)，可見(jiàn)交流控制回路的控制可靠穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。直流變槳系統(tǒng)在緊急收槳時(shí)由于沒(méi)有通過(guò)驅(qū)動(dòng)，緊急變槳不好控制。雖然直流緊急收槳回路中在直流電機(jī)和后備電池之間有過(guò)流電阻，但由于后備電池瞬時(shí)電流不可控，直流變槳系統(tǒng)在緊急變槳時(shí)仍時(shí)常出現(xiàn)直流變槳電機(jī)燒壞的現(xiàn)象[2]。由于直流緊急變槳時(shí)失去了驅(qū)動(dòng)控制，變槳電機(jī)大多數(shù)情況下會(huì)沖過(guò)第二個(gè)限位開(kāi)關(guān)才能停止，很容易對(duì)限位開(kāi)關(guān)及變槳齒輪造成機(jī)械損傷。而在控制方面，直流變槳回路還有個(gè)致命的弱點(diǎn)，即3個(gè)變槳電機(jī)統(tǒng)一由一個(gè)PLC控制，如果發(fā)生事故且PLC不能正?？刂谱儤獣r(shí)，3個(gè)葉片極有可能都不會(huì)緊急收槳而發(fā)生飛車事故。交流變槳控制回路3個(gè)交流驅(qū)動(dòng)則分別控制，相互獨(dú)立，如有一個(gè)驅(qū)動(dòng)不能收槳，另外兩個(gè)驅(qū)動(dòng)收槳不會(huì)受影響?，F(xiàn)在的交流變槳控制系統(tǒng)在其他方面也有改進(jìn)，如表1所示。

表1 交流變槳控制系統(tǒng)其他方面改進(jìn)表

2.2.2 變槳系統(tǒng)電機(jī)分析

交流變槳電機(jī)和直流變槳電機(jī)對(duì)比如表2所示?？梢钥闯?，交流變槳電機(jī)比直流變槳電機(jī)功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造更方便，成本更低。在剎車、角度反饋以及散熱上，交流變槳電機(jī)更勝一籌，且其外部電源使用的是應(yīng)用廣泛的交流電源。直流電機(jī)需要用電刷和轉(zhuǎn)向器進(jìn)行電流和電壓的轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。國(guó)內(nèi)的電刷和轉(zhuǎn)換器的制造工藝不高，電刷和轉(zhuǎn)換器之間常有電火花出現(xiàn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器容易氧化甚至絕緣，因此直流電機(jī)頻頻發(fā)生故障。在風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組中，直流電機(jī)功率小，能平滑控制電機(jī)速度，一般用于小功率和葉片短的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在風(fēng)大、功率大以及葉片長(zhǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，交流變槳電機(jī)應(yīng)用廣泛。

表2 直流電機(jī)與交流電機(jī)對(duì)比表

2.2.3 變槳系統(tǒng)后備電源分析

變槳系統(tǒng)后備電源電容器、電池的特性和性價(jià)對(duì)比如表3所示。由表3可以看出，電容器充放電更快且更穩(wěn)定，不易老化和損壞，重量輕，更換方便，性價(jià)比高。化學(xué)電池由有害化學(xué)物質(zhì)組成，退出運(yùn)行后對(duì)環(huán)境污染大，不利于回收[3]。

表3 電容器與化學(xué)電池對(duì)比表

3 結(jié) 論

目前，交流變槳系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，很多直流風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)都已將變槳系統(tǒng)整改為交流變槳系統(tǒng)。特別是在大風(fēng)速地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用的都是交流變槳系統(tǒng)。大量實(shí)踐應(yīng)用表明，交流變槳系統(tǒng)極大地延長(zhǎng)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行壽命，節(jié)約了運(yùn)行成本，提高了運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行安全性。