風機變槳系統分析和研究

趙亞亮 余 康 蘇 杰 羅冉冉

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

近年來，隨著全球面臨的資源枯竭和人類環保意識的增強，風能作為一種可再生、綠色能源越來越受到人們關注。在可再生新能源中，風力發電是世界上公認的最接近商業化的可再生能源技術，所以許多國家開始著手開發風能，風力發電已經發展成為一個比較成熟的產業[2]。伴隨著我國“十二五”計劃的出臺，我國風能開發利用進出了一個嶄新的階段。

變速變槳距風力發電機組成為大型風力發電機組研發和應用的主流機型。與定槳距風力發電機組相比，變槳距風力發電機組具有在額定功率點以上輸出功率平穩、相同功率機組額定風速低、不受氣流密度變化等環境因素影響和良好的啟動和制動性能等優點。變槳距風力機是指整個葉片繞葉片中心軸旋轉，使葉片功角在一定范圍內變化，以便調節輸出功率不超過設計容許的值。在機組出現故障時，需要緊急停機，一般應先使葉片順槳，這樣機組結構中受力小，可以保證機組運行的安全可靠性。本文依托華電天仁公司的變槳系統，對其進行了比較詳細的介紹。

1 變槳系統的功能原理

風電變槳控制系統是MW級以上風力發電機組控制和保護的重要裝置，是風機停機的主剎車系統。在風機啟動過程中，變槳系統控制槳葉的角度以實現風機依靠風力自行啟動；在風機正常運行過程中，變槳系統控制槳葉的角度以實現達到額定風速后風機維持滿負荷穩定運行，不過載；在風機正常或緊急停機時，變槳系統控制槳葉轉到預定安全位置，實現空氣動力剎車，確保風機安全停運。該變槳系統的總體結構如圖1所示。

圖1 總體結構圖

包括三個相對獨立的變槳軸箱，分別編號為軸箱A、軸箱B和軸箱C，以及與各軸箱連接的伺服電機、位置傳感器和限位開關。每個軸箱單獨控制一個槳葉，軸箱與軸箱、軸箱與電機之間通過電纜連接。電機通過減速箱連接至槳葉法蘭齒輪。 電機減速齒輪和法蘭齒輪裝置為輪轂部件。

系統的原理結構如圖2所示。

圖2 原理結構圖

2 控制方案的設計

天仁 1.5G變槳系統采用三柜制設計理念,系統包括三個基本相同的控制柜，它采用了先進的交流伺服控制技術和超級電容電源后備技術，動態響應能力強，定位精度高，具有集成度高、可靠性高、壽命長、結構簡單、使用維護方便、環境適應能力強等特點。

2.1 安全鏈與EFC

風機的安全系統是失效-安全控制模式，由于獨立安全鏈的存在，不會導致任何葉片向小的槳距角方向變距或導致風機加速度旋轉[3]。所有的觸發停機的觸點都是串聯的。華電天仁風機安全鏈串入三個軸箱PLC OK 8K3觸點回路,當有故障發生時，安全鏈斷開，進入緊急模式；EFC緊急順槳信號分別接入三個軸箱的繼電器，當發生EFC時，繼電器失電，風機順槳。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力發電機的端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網而繼續維持運行,甚至還可為系統提供一定無功以幫助系統恢復電壓的能力。具有低電壓穿越能力的風力發電機可躲過保護動作時間,故障切除后恢復正常運行。這可大大減少風電機組在故障時反復并網次數,減少對電網的沖擊。

當變槳系統交流失電或故障時，整個變槳系統切為超級電容供電，8s后進入緊急模式，變槳系統順槳到安全位置。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實現低電壓穿越功能，維護電網安全穩定運行。

3 校零與teach操作

3.1 校零

1）變槳系統正常上電，與風機主控通信正常后，將軸箱全切為手動模式。

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

3）編碼器校零短接，觀察當前 Pitch system 上槳葉角度值是否變為 0，如果是則校零成功，此時當前零位值會保存在碼盤中。

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。重復以上操作將另外兩個槳葉校零。

由于零位值記錄在碼盤中，調試校零后，運行維護過程中，不需重新校零。 電機碼盤損壞的情況下，更換碼盤后電機對應的槳葉需要按上述步驟重新校零。

3.2 teach操作

1）將變槳系統三個軸箱都切為手動，以太網連接上 PLC，打開 Internet Explorer 瀏覽器。

2）點擊Positionteachdrive右側軟按鈕后，變槳先帶動葉片轉至92°，然后由92°開槳至-2°，在此過程中PLC分別記錄90°和 3°～5°傳感器對應的 Switchon和Switchoff值。接著變槳系統自動順槳回89°。

3）Teach完成后，點擊進入pitch system界面（詳見調試界面說明），觀察 sensor pos teached 狀態是否為 True,如為True則表示 Teach成功，Fasle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）過大導致Teach不成功。

4）按上述步驟完成其他兩軸的Teach操作。

4 結論

隨著不可再生資源的耗費過快以及為了更好的節能減排，低碳生活，新能源的開發利用顯得尤為重要。而風力發電已經成為發展最迅速、最有潛力的新能源之一，風電中變槳系統是風機能夠充分利用風能的重要組成部分。本文比較詳細的介紹了華電天仁的1.5GW變槳系統的原理和特點。該變槳系統具有完善的安全措施及操作功能，有著可靠性高、響應速度快、易于維護等優點。

[1]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京∶機械工業出版社,2002.

[2]遲遠英,張少杰,李京文.國內外風電發展現狀[J].生產力研究,2008(18),75-76.

[3]徐興康,朱蘊,李新育.MW 級風機獨立安全鏈中基于FPGA的超速保護設計與實現[J].傳感器與檢測技術,2007,29(5),50-52.

[4]崔新維.風力發電技術基礎[M].北京∶科學技術出版社,2005,5.

[5]牛山泉.風電技術[M].北京∶科學出版社.2009,6.