風(fēng)電機(jī)組偏航平臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探討

武鵬，杜春峰，程海龍

（河北新天科創(chuàng)新能源技術(shù)有限公司，河北 張家口 075000）

1 引言

偏航系統(tǒng)作用在于當(dāng)風(fēng)速矢量的方向變化時(shí)，能夠快速平穩(wěn)地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，以便風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能。開發(fā)風(fēng)電機(jī)組偏航平臺(tái)，可以讓學(xué)員深入了解偏航系統(tǒng)原理，熟悉和掌握偏航系統(tǒng)部件與功能，獨(dú)立自主地完成系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試，使其具備解決常見運(yùn)行故障的能力。

2 偏航平臺(tái)控制原理

偏航控制系統(tǒng)執(zhí)行部件包括驅(qū)動(dòng)裝置、偏航電機(jī)等。實(shí)際應(yīng)用中，主控系統(tǒng)發(fā)出命令控制驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行。本平臺(tái)為模擬實(shí)際工況，利用倍?？刂茊卧邮掌较到y(tǒng)外部輸入，進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理后，控制偏航系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。人機(jī)界面可用于用戶系統(tǒng)設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、啟停、上下限等設(shè)置，具體見圖1所示。

圖1 偏航實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)框圖

3 偏航系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 偏航實(shí)訓(xùn)臺(tái)

操作臺(tái)作為偏航系統(tǒng)的控制中心，實(shí)驗(yàn)和培訓(xùn)都通過該操作臺(tái)來完成，設(shè)置為手動(dòng)、自動(dòng)兩種偏航方式，自動(dòng)方式由HMI進(jìn)行控制，偏航電機(jī)由皮帶輪與齒輪盤進(jìn)行連接，電

機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪盤運(yùn)行。風(fēng)向標(biāo)安裝于齒輪盤上，風(fēng)向標(biāo)的偏向會(huì)以模擬信號(hào)的形式反饋到PLC控制器。齒輪盤的鐵齒上裝有定位孔，齒輪盤安裝平臺(tái)附近裝有定位傳感器，齒輪盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)位置，定位傳感器可以感應(yīng)到轉(zhuǎn)過的齒數(shù)，并將齒輪盤的位置反饋至模擬量輸入模塊?？刂破鞲鶕?jù)風(fēng)向標(biāo)指示的位置和當(dāng)前齒輪盤的位置做運(yùn)算，得出運(yùn)行方向，并按一定速度指示偏航驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行，當(dāng)齒輪盤的位置到達(dá)風(fēng)向標(biāo)指示位置，停止運(yùn)行，完成風(fēng)向跟蹤，偏航實(shí)訓(xùn)臺(tái)具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 偏航實(shí)訓(xùn)臺(tái)設(shè)計(jì)圖

3.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

偏航系統(tǒng)一般包括感應(yīng)風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo)、偏航電機(jī)、偏航行星齒輪減速器、偏航制動(dòng)器（偏航阻尼或偏航卡鉗）、回轉(zhuǎn)體大齒輪等。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用變頻器驅(qū)動(dòng)偏航電機(jī)，電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)齒輪盤旋轉(zhuǎn)，齒輪盤上的風(fēng)向標(biāo)模擬對(duì)風(fēng)角度。為實(shí)現(xiàn)偏航系統(tǒng)諸多功能，通過PLC控制器來實(shí)現(xiàn)偏航系統(tǒng)的邏輯控制。

（1）輸入信號(hào)。平臺(tái)的控制柜的輸入包括：左/右偏航、自動(dòng)/手動(dòng)切換、極限位置等按鈕；人機(jī)界面上可設(shè)置菜單；風(fēng)向標(biāo)、解纜信號(hào)、測(cè)速信號(hào)等直接輸入PLC相應(yīng)模塊。如圖3所示。

圖3 控制器輸入信號(hào)

（2）驅(qū)動(dòng)裝置。偏航電機(jī)的驅(qū)動(dòng)早期有采樣直接啟動(dòng)的控制方式，由于直接啟動(dòng)電機(jī)電流大、沖擊強(qiáng)，有方案提出用軟啟動(dòng)器作為偏航電機(jī)控制器。軟啟動(dòng)器也存在不能調(diào)速，無法穩(wěn)定控制電機(jī)力矩等缺點(diǎn)。為消除偏航系統(tǒng)存在缺陷，平臺(tái)選用變頻器啟動(dòng)偏航電機(jī)，并根據(jù)偏航電機(jī)容量，對(duì)變頻器進(jìn)行選型，利用變頻器輸出力矩可控、輸出電壓頻率可調(diào)、負(fù)載大小任意調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)，保持轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)偏航系統(tǒng)性能優(yōu)化提升。

（3）控制單元。由于偏航系統(tǒng)的邏輯控制復(fù)雜，輸入信號(hào)較多，信號(hào)種類也很多。利用PLC邏輯控制器來模擬偏航系統(tǒng)輸入信號(hào)處理較為方便?？刂茊卧獙?shí)現(xiàn)的功能包括但不限于：與觸摸屏通信、數(shù)字量輸入信號(hào)處理、數(shù)字量輸出信號(hào)處理、模擬量輸入、模擬量輸出等。端子排布順序和位置如表1所示。

表1

4 偏航平臺(tái)功能模擬設(shè)計(jì)

4.1 對(duì)風(fēng)實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)臺(tái)HMI中點(diǎn)擊啟動(dòng)，觸摸屏界面中會(huì)顯示機(jī)艙角度、風(fēng)向角度和偏差角，并對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，選取風(fēng)速給定模式和風(fēng)況，當(dāng)偏差角度低于目前風(fēng)況條件下偏航角度，會(huì)保持在偏航待機(jī)狀態(tài)。利用HMI界面或風(fēng)向旋鈕給定風(fēng)向值，偏差角度超過目前風(fēng)況條件下自動(dòng)偏航角度設(shè)定值，偏航系統(tǒng)啟動(dòng)10s后進(jìn)入到順、逆時(shí)針自動(dòng)對(duì)風(fēng)狀態(tài)。如果偏差角不超過目前風(fēng)況條件下停止偏航角度，系統(tǒng)會(huì)停止順、逆時(shí)針自動(dòng)對(duì)風(fēng)，然后進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)。

4.2 自動(dòng)偏航與手動(dòng)偏航

自動(dòng)偏航是根據(jù)風(fēng)速、平均風(fēng)速等觀察25s偏航角度絕對(duì)值和偏航限定位置的關(guān)系，判斷是否滿足自動(dòng)偏航要求。偏航系統(tǒng)故障，10s內(nèi)平均風(fēng)速小于3m/s或者大于25m/s時(shí)禁止自動(dòng)偏航。緊急停機(jī)和安全鏈停機(jī)執(zhí)行失敗后觸發(fā)故障緊急停機(jī)超時(shí)，進(jìn)行90°偏航。未觸發(fā)更高級(jí)別偏航程序的故障代碼基礎(chǔ)上，通過人機(jī)界面或者開關(guān)手動(dòng)偏航。

4.3 偏航穿越

偏航在堵轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)經(jīng)過一段時(shí)間的堵轉(zhuǎn)大電流，在此期間電流大而發(fā)熱，斷路器在接收到回路中的熱量后會(huì)判斷此電流可以維持多長(zhǎng)時(shí)間后脫扣（大約10s中會(huì)脫扣）根據(jù)此特性，在偏航中做程序優(yōu)化，時(shí)刻檢測(cè)偏航啟動(dòng)時(shí)的速度，在偏航啟動(dòng)中，如果啟動(dòng)的速度在很長(zhǎng)時(shí)間中啟動(dòng)不起來，就判定堵轉(zhuǎn)。堵轉(zhuǎn)后將偏航停止。穿越的過程中進(jìn)行計(jì)數(shù)，連續(xù)計(jì)數(shù)3次報(bào)速度低故障，會(huì)跳偏航馬達(dá)故障提醒維護(hù)人員進(jìn)行上機(jī)檢查。

4.4 偏航解纜

點(diǎn)擊HMI中“開始解纜”按鈕，偏航系統(tǒng)自動(dòng)向逆時(shí)針方向解纜，解纜狀態(tài)指示燈被點(diǎn)亮。機(jī)艙角度臨近0°時(shí)不再進(jìn)行解纜。在風(fēng)機(jī)停機(jī)模式下，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)開關(guān)，啟動(dòng)一級(jí)解纜二級(jí)解纜，HMI界面可實(shí)時(shí)顯示偏航扭纜位置絕對(duì)值和偏航解纜位置設(shè)定值。

4.5 傳感實(shí)驗(yàn)

在上電后3s時(shí)間內(nèi)，采用電位計(jì)對(duì)模擬信號(hào)接收橫塊提供4～20mA電流信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄目前機(jī)艙初始位置。經(jīng)過3s的延時(shí)以后，由接近開關(guān)狀態(tài)改變情況計(jì)算出偏航條件下機(jī)艙位置，記錄電位器旋轉(zhuǎn)角度、接近開關(guān)變化情況、機(jī)艙偏航角度、模擬量數(shù)值。

4.6 限位器

采用手動(dòng)調(diào)試的方式，確定出正北限位信號(hào)、左（右）極限限位信號(hào)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)外齒圈和行程限位器齒輪比如果對(duì)應(yīng)設(shè)定值，則對(duì)左（右）極限信號(hào)進(jìn)行定義，小齒輪向?qū)?yīng)方向旋轉(zhuǎn)足夠圈數(shù)。

4.7 偏航角度辨識(shí)

偏航風(fēng)向標(biāo)代表風(fēng)向信號(hào)，其輸出為電壓或電流模擬信號(hào)，模擬信號(hào)的范圍代表偏航的角度，其對(duì)應(yīng)關(guān)系通過 PLC算法實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)出的風(fēng)電機(jī)組偏航平臺(tái)，有著很強(qiáng)的仿真與技能培訓(xùn)能力，操作起來十分簡(jiǎn)便，通過系統(tǒng)的培訓(xùn)可以提高學(xué)員對(duì)偏航系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，掌握內(nèi)部電氣元件原理與性能，可以有效提高作業(yè)人員的實(shí)踐能力?？梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)制定出風(fēng)電機(jī)組維修保養(yǎng)計(jì)劃，對(duì)減少機(jī)組運(yùn)行成本發(fā)揮著重要作用。