基于接近開關(guān)的電動變槳系統(tǒng)葉片角度校準(zhǔn)方案

王振威 劉佳偉

（固安華電天仁控制設(shè)備有限公司，河北 廊坊 065500）

0 引言

隨著世界能源與環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，風(fēng)能已成為使用最為廣泛和發(fā)展最快的可再生能源之一[1-2]。風(fēng)電機(jī)組葉輪直徑已呈現(xiàn)尺寸不斷增大的趨勢[3]，僅陸上機(jī)型，已由1.5MW機(jī)組72m提升到當(dāng)前3.XMW機(jī)組156m。隨著風(fēng)電機(jī)組葉輪直徑的不斷增大，葉片角度校準(zhǔn)方案的可靠性與準(zhǔn)確性受到越來越多的關(guān)注。

1 變槳系統(tǒng)介紹

1.1 變槳系統(tǒng)功能與分類

變槳系統(tǒng)是變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，其功能是在額定風(fēng)速附近，依據(jù)風(fēng)速的變化實(shí)時調(diào)節(jié)葉片角度，控制吸收的機(jī)械能，在保證獲得最大能量（與額定功率對應(yīng)）前提下，減少風(fēng)力對風(fēng)電機(jī)組的沖擊[4]；在停機(jī)時，變槳系統(tǒng)將槳葉調(diào)整到順槳位置，實(shí)現(xiàn)空氣動力學(xué)制動剎車，使風(fēng)電機(jī)組安全停運(yùn)。

目前，在變槳系統(tǒng)技術(shù)路線方面，國際上存在液壓和電動兩種技術(shù)體系。液壓變槳系統(tǒng)是通過控制液壓單元的液壓缸驅(qū)動連桿裝置來推動槳葉，以實(shí)現(xiàn)變槳[5]。電動變槳系統(tǒng)則是通過減速機(jī)構(gòu)和傳動裝置，由伺服電動機(jī)來推動槳葉以實(shí)現(xiàn)變槳[6]。

1.2 電動變槳系統(tǒng)的構(gòu)成

電動變槳系統(tǒng)一般包括伺服電動機(jī)、控制器、電動機(jī)驅(qū)動器、不間斷電源、變槳減速機(jī)、傳感器等[7]，其中傳感器主要分為限位開關(guān)、接近開關(guān)和冗余編碼器。

電動變槳系統(tǒng)工作時，可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組主控所給的位置或速度指令控制伺服驅(qū)動器進(jìn)行輸出，伺服驅(qū)動器將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為電流和頻率信號進(jìn)一步控制伺服電動機(jī)運(yùn)行，伺服電動機(jī)通過減速機(jī)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩向低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)變。最終，變槳減速機(jī)齒輪通過與葉根軸承的嚙合，控制葉片實(shí)現(xiàn)角度變化[8]。

1.3 葉片角度校準(zhǔn)的意義

變槳電動機(jī)通過減速機(jī)與葉根軸承相結(jié)合，形成一種可靠的機(jī)械連接方式，在風(fēng)電機(jī)組服役過程中，葉片角度會頻繁變換以適應(yīng)實(shí)時變化的風(fēng)速，同時伴隨著機(jī)械連接的磨損。磨損后的減速機(jī)或軸承將引起三支葉片角度不一致，造成風(fēng)電機(jī)組氣動不平衡現(xiàn)象。據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，氣動不平衡將會影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率，也會產(chǎn)生風(fēng)電機(jī)組額外問題，例如會對變槳系統(tǒng)、傳動鏈、偏航系統(tǒng)等關(guān)鍵部件帶來損傷[9]。所以，準(zhǔn)確的葉片角度校準(zhǔn)技術(shù)對風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的意義。

1.4 葉片角度校準(zhǔn)技術(shù)簡介

針對葉片角度校準(zhǔn)，變槳廠商需要解決兩方面的難題：①校準(zhǔn)方案需要長期有效，即能夠在設(shè)計(jì)壽命20年內(nèi)準(zhǔn)確地檢測出預(yù)定的角度偏差；②校準(zhǔn)方案需要考慮足夠的設(shè)計(jì)裕量，確保變槳系統(tǒng)具備一定的容錯機(jī)制，避免由于角度校準(zhǔn)故障誤報(bào)而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。

當(dāng)前，電動變槳系統(tǒng)采用的葉片角度校準(zhǔn)技術(shù)主要有冗余編碼器方案和接近開關(guān)方案。兩種方案會在變槳系統(tǒng)電動機(jī)的末端安裝絕對值編碼器[10]，并將該編碼器的反饋值稱為默認(rèn)角度值。此外，為校準(zhǔn)葉片實(shí)際角度，在葉根軸承上安裝傳感器（冗余編碼器或接近開關(guān)），該傳感器反饋值稱為校準(zhǔn)角度值。當(dāng)變槳系統(tǒng)中默認(rèn)角度值與校準(zhǔn)角度值偏差超過設(shè)計(jì)極限時，系統(tǒng)將報(bào)故障。

1.5 葉片角度校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況

隨著國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的不斷市場化，整機(jī)廠家為提升風(fēng)電機(jī)組性能品質(zhì)，對變槳系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了明確的定義。根據(jù)國標(biāo)GB/T 2900.99—2016《電工術(shù)語 可信性》，定義了平均故障間隔時間（mean time between failure, MTBF），其統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法為（不含故障處理時間）

根據(jù)現(xiàn)有我公司已并網(wǎng)的一萬余套變槳系統(tǒng)，2016年前并網(wǎng)且變槳系統(tǒng)MTBF低于24個月的風(fēng)場，總故障中有14.6%的故障為葉片角度校準(zhǔn)故障誤報(bào)導(dǎo)致。

2 基于接近開關(guān)的葉片角度校準(zhǔn)方案

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在中國發(fā)展已近十余年，基于冗余編碼器的葉片角度校準(zhǔn)方案最早進(jìn)入市場，并被業(yè)內(nèi)所接受。但隨著國內(nèi)風(fēng)電平價上網(wǎng)政策的逐步推進(jìn)，冗余編碼器物料成本高、現(xiàn)場維護(hù)難度大的問題被進(jìn)一步放大。因此，本文提出了更為優(yōu)化的基于接近開關(guān)的角度校準(zhǔn)方案，其具體設(shè)計(jì)過程如下。

2.1 葉片角度范圍預(yù)估

GH Bladed為一款工業(yè)級的風(fēng)電機(jī)組仿真計(jì)算軟件，可為風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與控制提供可參考的解決方案[11]。結(jié)合GB/T 18451.1—2012《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 設(shè)計(jì)要求》，以某廠家2.5MW140機(jī)組為例，可將設(shè)計(jì)載荷工況中正常發(fā)電工況（選取DLC1.2，正常運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組壽命期內(nèi)仿真載荷數(shù)據(jù)[12]）的葉片角度信息進(jìn)行匯總，得到葉片角度運(yùn)行范圍主要在0～20°之間，具體如圖1所示。

圖1 正常發(fā)電下葉片角度分布

根據(jù)圖1概率分布，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組停機(jī)位置，本文選取葉根軸承上0°、15°、88°安裝接近開關(guān)進(jìn)行葉片角度校準(zhǔn)測試。

2.2 接近開關(guān)角度讀取

由于風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)前會確認(rèn)葉片軸承與葉片角度零位標(biāo)尺是否正確，因此本文默認(rèn)并網(wǎng)前葉片角度值正常，葉根軸承與減速機(jī)狀態(tài)為初始未磨損狀態(tài)。

試驗(yàn)中在葉根軸承停機(jī)位置安裝金屬擋塊，可隨葉片一起轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)金屬擋塊與接近開關(guān)位置，使接近開關(guān)在電動機(jī)自帶編碼器（或旋轉(zhuǎn)變壓器）反饋位置0°、15°、88°范圍時被觸發(fā)，具體角度讀取步驟如下：

（1）將葉片角度調(diào)整至停機(jī)角度（一般90°）。

（2）葉片由停機(jī)位置向負(fù)角度方向運(yùn)行。

（3）葉片由停機(jī)位置向負(fù)角度運(yùn)行過程中，記錄三個接近開關(guān)的被觸發(fā)瞬間的角度值，分別為onα、βon、θon（°）。

（4）在記錄以上三個角度值后，葉片由負(fù)角度向停機(jī)角度運(yùn)行。

（5）葉片由負(fù)角度向停機(jī)角度運(yùn)行過程中，記錄三個接近開關(guān)的被觸發(fā)瞬間的角度值，分別為αoff、βoff、θoff（°）。

（6）根據(jù)以上步驟，得到三個接近開關(guān)將被觸發(fā)的角度范圍，分別是[αoff,αon]、[βoff,βon]、[θoff,θon]。

2.3 基于接近開關(guān)的角度校準(zhǔn)邏輯

在得到三個接近開關(guān)被觸發(fā)角度范圍后，變槳系統(tǒng)將對應(yīng)觸發(fā)角度值保存至系統(tǒng)內(nèi)掉電保存區(qū)。此后，葉片每次經(jīng)過對應(yīng)角度范圍時判斷是否檢測到對應(yīng)的接近開關(guān)信號，基于接近開關(guān)的角度校準(zhǔn)邏輯如圖2所示。

圖2 基于接近開關(guān)的角度校準(zhǔn)邏輯

3 角度校準(zhǔn)方案的測試與優(yōu)化

3.1 角度校準(zhǔn)方案的測試

根據(jù)以上步驟，對實(shí)際葉片讀取三個接近開關(guān)對應(yīng)角度值。

1）當(dāng)接近開關(guān)與金屬擋塊之間的正對距離保持基本一致時，三個位置接近開關(guān)的被觸發(fā)角度范圍較為穩(wěn)定，基本在2.3°～2.5°之間，具體見表1～表3。

表1 0 °位置接近開關(guān)角度讀取值

表2 15 °位置接近開關(guān)角度讀取值

表3 88 °位置接近開關(guān)角度讀取值

2）保持相同采樣頻率（20ms采樣一次）下，對同一接近開關(guān)進(jìn)行測試，當(dāng)增大葉片轉(zhuǎn)動速度后，接近開關(guān)的被觸發(fā)角度波動增大，如圖3所示。

經(jīng)確認(rèn)，該現(xiàn)象為設(shè)備采樣周期與轉(zhuǎn)速共同影響的結(jié)果，即接近開關(guān)被觸發(fā)時刻位于前后相鄰兩個采樣周期之間導(dǎo)致，被觸發(fā)角度的偏差公式為

式中：λ為被觸發(fā)角度的偏差（°）；T為采樣周期（s）；v為葉片轉(zhuǎn)動速度（°/s）。

3）保持相同采樣頻率，以同一葉片轉(zhuǎn)動速度在高、低溫下測試，接近開關(guān)被觸發(fā)角度范圍發(fā)生飄移，如圖4所示。

3.2 角度校準(zhǔn)方案的優(yōu)化

根據(jù)以上測試結(jié)果，由于受接近開關(guān)固有特性、環(huán)境溫度、采樣周期及葉片轉(zhuǎn)動速度的影響，若以[αoff,αon]、[βoff,βon]、[θoff,θon]來定位三個接近開關(guān)的角度范圍，將在后續(xù)每次校準(zhǔn)中產(chǎn)生偏差。因此，本文提出對應(yīng)的修正方案，優(yōu)化步驟具體如下。

圖4 不同溫度下接近開關(guān)被觸發(fā)角度

1）通過葉片最大的轉(zhuǎn)動速度及變槳系統(tǒng)的采樣周期，根據(jù)式（2），得到速度差異下最大的被觸發(fā)角度偏差λmax，即

式中：λmax為速度差異下最大的被觸發(fā)角度偏差（°）；T為采樣周期（s）；vmax為葉片可設(shè)定的最大轉(zhuǎn)動速度（°/s）。

2）以葉片最大的轉(zhuǎn)動速度，進(jìn)行高、低溫測試。以0°位置接近開關(guān)為例，根據(jù)每次讀取的觸發(fā)角度αoni、αoffi，匯總計(jì)算得到不同溫度下被觸發(fā)角度的最大偏差，即

式中：?onmax和?offmax為對應(yīng)葉片運(yùn)行方向下，被觸發(fā)角度的最大偏差（°）；?max為最高葉片轉(zhuǎn)動速度下由于溫度差異導(dǎo)致的最大被觸發(fā)角度偏差（°）。

3）以0°位置接近開關(guān)為例，根據(jù)以上步驟，可進(jìn)一步限定接近開關(guān)的角度校準(zhǔn)范圍為[αoff+?offmax,αon??onmax]。

4）根據(jù)步驟3），若在角度范圍[αoff+?offmax,αon??onmax]內(nèi)未檢測到0°接近開關(guān)被觸發(fā)，則可判定為葉片角度存在偏差，需要校準(zhǔn)。由步驟1）可知，本方案的校準(zhǔn)精度可達(dá)到λmax+?max以內(nèi)。

3.3 角度校準(zhǔn)方案的現(xiàn)場實(shí)測分析

根據(jù)以上校準(zhǔn)方案，選用OMRON品牌EM—X8B1—M1型號接近開關(guān)，以2.0MW12X機(jī)組為試驗(yàn)樣本，選取新疆哈密與吉林通榆現(xiàn)場機(jī)組進(jìn)行方案驗(yàn)證，接近開關(guān)與金屬擋塊實(shí)物安裝如圖5所示。

圖5 接近開關(guān)與金屬擋塊實(shí)物安裝圖

1）新疆哈密風(fēng)場，測試期間風(fēng)機(jī)輪轂內(nèi)環(huán)境溫度在?7℃～15℃范圍內(nèi)，以同一葉片轉(zhuǎn)速（6°/s），20ms采樣周期進(jìn)行測試，取0°接近開關(guān)數(shù)據(jù)見表4，角度范圍在2.359°～2.493°。

表4 新疆哈密風(fēng)場0°接近開關(guān)角度讀取值

根據(jù)式（3）可知，在以上測試條件下，由于葉片轉(zhuǎn)速與采樣周期原因，可能造成的最大角度偏差為0.12°。

根據(jù)式（4）與式（5）可知，?onmax為0.143°，?offmax為0.176°，其中包含溫差與轉(zhuǎn)速共同造成的被觸發(fā)角度偏差。

根據(jù)不同溫度下角度數(shù)據(jù)可知，溫度的差異造成了接近開關(guān)感應(yīng)距離的變化，從而進(jìn)一步影響對應(yīng)的被觸發(fā)角度范圍。

2）吉林通榆風(fēng)場，測試期間風(fēng)機(jī)輪轂環(huán)境溫度為?12℃，以不同葉片轉(zhuǎn)速2°/s、4°/s、6°/s，20ms采樣周期進(jìn)行測試，取0°接近開關(guān)數(shù)據(jù)見表5，角度范圍基本穩(wěn)定在2.103°～2.231°。

表5 吉林通榆風(fēng)場0°接近開關(guān)角度讀取值

根據(jù)式（3）可知，相同采樣周期但不同葉片轉(zhuǎn)速下，被觸發(fā)角度偏差的λmax值將隨著葉片轉(zhuǎn)速的提高而增大，2°/s～6°/s對應(yīng)的λmax值在0.04°～0.12°。

結(jié)合以上實(shí)測數(shù)據(jù)，葉片轉(zhuǎn)速在2°/s下?onmax值為0.012°，?offmax值為0.008°；葉片轉(zhuǎn)速在6°/s下?onmax值為0.085°，?offmax值為0.019°。實(shí)測結(jié)果在計(jì)算對應(yīng)的λmax范圍以內(nèi)。

4 結(jié)論

根據(jù)以上測試結(jié)果，使用基于接近開關(guān)的葉片角度校準(zhǔn)方案，在各工況下的被觸發(fā)角度范圍較為穩(wěn)定，在測試和使用上具備可行性。其中，接近開關(guān)具體位置的安裝需要結(jié)合設(shè)計(jì)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行定位；接近開關(guān)被觸發(fā)角度范圍，在實(shí)際使用中需要獲取最大被觸發(fā)角度偏差量加以修正。