風力發(fā)電機槳葉柔性控制技術(shù)淺析及現(xiàn)場應(yīng)用

程云強

【摘 要】風力作為可再生能源，在國家戰(zhàn)略中具有重要的地位，我國風力資源豐富，總據(jù)估計，我國風能總量約為32億千萬，其中陸上可開發(fā)風能資源儲量為2.53億千瓦。為推動充分利用風能，我國政府陸續(xù)出臺了一系列優(yōu)惠措施，推動了我國風電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。針對大功率風機機械沖擊問題，提出了槳葉柔性控制技術(shù)。該控制方法極大地降低風力發(fā)電機組運行時機組的機械載荷和機械沖擊，大大延長了機組的壽命，并增強了機組的可靠性。

【關(guān)鍵詞】變槳系統(tǒng) 柔性控制 振動 直流變槳系統(tǒng)

1 引言

在風力發(fā)電設(shè)備中，作為電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件變槳控制系統(tǒng)，通過接受風機控制器的槳葉控制命令，實時準確的調(diào)整槳葉位置，確保風力發(fā)電機組正常發(fā)電。目前國內(nèi)大多數(shù)變槳控制系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的被動變槳控制技術(shù)，即僅根據(jù)風機控制器的槳葉控制命令來調(diào)整槳葉的位置。采用此種變槳控制系統(tǒng)的風機啟動時載荷較大，停止時，振動劇烈，機械沖擊巨大，嚴重影響大部件的壽命。因此在國內(nèi)各大風力發(fā)電場均出現(xiàn)過風機在停機時出現(xiàn)葉片折斷、甚至倒塌的報道。

2 現(xiàn)場問題分析

目前國內(nèi)的大型風力發(fā)電機組在遇到的大多數(shù)故障時，均采用電池收槳。站在整個風機運行的角度，有很多故障可以引發(fā)變槳系統(tǒng)電池收槳。電池收槳作為一種安全措施，其目的在于讓風機快速停機，避免飛車。但電池收槳（直流變槳）作為一種不可控收槳方式，必須在電氣硬件上通過嚴密設(shè)計保證其收槳速度在葉片載荷能夠承受的范圍內(nèi)；站在整個風機運行的角度，必須保證收槳速度關(guān)聯(lián)的塔筒卸荷速率造成的塔筒晃動控制在安全載荷范圍內(nèi)。

3 問題解決方案

為解決如上問題，山西某風電企業(yè)提出了柔性槳葉控制方案。該方案的主要思路是在風機安全的狀況下，通過調(diào)整槳葉收槳速度來實現(xiàn)降低機組的機械沖擊為目標的一種先進的控制方法。通過對風機葉片進行調(diào)研，目前國內(nèi)外風力發(fā)電機組的槳葉能承受的最大變槳速率基本上都是8°/S。在仿真測試過程中采用了兩種收槳方法，一種是采用變化的收槳速度，首先采用了在0-32°區(qū)間采用8°/S的收槳速度，然后逐漸降低槳葉收槳速度。另外一種方法是直接采用電池收槳。具體見圖1。

圖1 電池收槳與柔性收槳曲線對比圖

從圖1中兩種收槳方式的對比曲線可知，電池收槳在6秒鐘內(nèi)將槳葉從0度收至90度。而變化速率的收槳方法是先將槳葉從0度收至32度，避免風機飛車，然后逐級降速用12秒的時間將槳葉收至限位開關(guān)。整個收槳過程持續(xù)18秒，相比于電池收槳，收槳過程在避免飛車情況發(fā)生的前提下，盡可能慢速的停機。當變槳程序檢測到變槳驅(qū)動鏈器件故障時，將自動從柔性收槳切換到電池收槳，保證葉片安全收回。

4 現(xiàn)場改造

為驗證該方案的可行性，所屬該公司的晉西北區(qū)域某風場進行了專項改造，改造情況如下：

4.1 調(diào)整變槳減速齒輪箱傳動比

依據(jù)葉片廠家的設(shè)計要求，葉片調(diào)槳速度不能超過8°/s，超過該速度，將對葉片的壽命產(chǎn)生巨大的影響，同時由于葉片的收槳過快，將引起變槳剎車系統(tǒng)的壽命，同時由于劇烈的振動，將大大影響葉片，塔筒，變槳減速齒輪箱的傳動鏈系統(tǒng)的壽命。根據(jù)現(xiàn)有的減速比數(shù)據(jù)，同變槳減速機齒輪箱廠家討論，采用更換一級減速比的方式，以此增大速比提高驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，降低變槳速度。具體改造如下：

4.1.1 原設(shè)計參數(shù)

變槳減速機型號：BJ1500C 型；速比：109.66；轉(zhuǎn)速：0～2500r/min。

4.1.2 調(diào)整后參數(shù)

（1）變更輸入第一級，總速比為：142.44～175.86 范圍都可以，本次在速比132：1 的減速機上。（2）安裝后實際速比為：151.45，滿足使用要求。（3）接口完全和BJ1500C 型變槳減速機保持一致。（4）轉(zhuǎn)速：0～2500r/min。（5）正常輸出扭矩：3200N.m。

4.2 提升驅(qū)動性能

（1）提升變槳驅(qū)動器性能（表1所示）。（2）提升變槳電機驅(qū)動能力和效率（表2-3所示）。（3）重新下載收槳程序，最大程度降低高速電池收槳的損害。（4）改變主控的加載策略，優(yōu)化主控加載曲線程序，平穩(wěn)提升發(fā)電功率。通過更換驅(qū)動性能更優(yōu)的驅(qū)動器和變槳電機，徹底提升變槳系統(tǒng)驅(qū)動鏈的驅(qū)動能力和抗沖擊能力。在驅(qū)動線路中配合32A的熱繼（ABB TA25DU32）（原來采用24A的熱繼）既保護線路和設(shè)備的安全，又能充分發(fā)揮驅(qū)動器和電機的性能。

表1 變槳系統(tǒng)技術(shù)改造前后驅(qū)動器性能對比

變槳驅(qū)動器 SSB（ DCtransD-030） 重新選型的電機

額定電流 30A 40A

持續(xù)工作最大電流 30A 40A

峰值電流 60A 90A（持續(xù)10s）

表2 變槳系統(tǒng)技術(shù)改造前后變槳電機性能對比

變槳電機 SSB（GHTIF 0720.2625.81） 重新選型的電機

額定功率 5.3kW 6.3kW

額定電流 25A 30A

額定扭矩 20N.m 30N.m

過載扭矩 60N.m 90N.m

表3 幾種同類型變槳電機效率對比

SSB變槳電機 LUST變槳電機 重新選型的電機

測試電流 25A 25A 25A

標稱功率 5.3KW 5.2KW 4.2KW

額定電流 25A 25A 20A

測試實際轉(zhuǎn)速 2410rpm 2410rpm 2410rpm

測試電流、實際轉(zhuǎn)速（2410rpm）條件下電機輸出力矩 16.2N.M 20.1N.M 19.8 N.M

16.2N.M 19.9N.M 20.0N.M

2倍過載電流實際轉(zhuǎn)速條件下電機輸出力矩 42.5N.M 58 N.M 52.3N.M

42.5N.M 58 N.M 53.1N.M

5 改造效果測試

5.1 整機振動情況測試

經(jīng)過現(xiàn)場測量，整機振動加速度降低到80°/s2，風機的振動加速度降低到大約為電池收槳的50%。

5.2 收槳速度測試

槳葉收槳速度對比，電池收槳時槳葉的實際收槳速度一直為13°/s～17°/s，同一時刻三個槳葉的收槳速度波動較大。為變槳系統(tǒng)改造后收槳速度。可以看出，通過改造，槳葉收槳速度在不斷變化，收槳速度最高為7°/s，且同一時刻三個槳葉的收槳速度波動較小。

5.3 改造后變槳系統(tǒng)故障率情況

選取最早進行改造的5臺機組（#34、#35、#47、#56、#62號風機）進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)采集時間區(qū)段：2013年11月1日至2014年4月30日。其中，34號風機于2013年1月30日完成變槳程序升級，35號風機于2013年2月1日完成變槳程序升級，47號風機于2013年2月2日完成變槳程序升級，56號風機于2013年2月7日完成變槳程序升級，62號風機于2013年1月29日完成變槳程序升級。經(jīng)過統(tǒng)計，34號風機2012年11月1日至2013年1月30日共發(fā)生變槳類故障97次，2013年2月1日至2013年4月30日，共發(fā)生變槳類故障6次；35號風機2012年11月1日至2013年2月1日，共發(fā)生變槳類故障32次，2013年2月2日至2013年4月30日，共發(fā)生變槳類故障3次；47號風機2012年11月1日至2013年2月2日，共發(fā)生變槳類故障40次，2013年2月3日至2013年4月30日，共發(fā)生變槳類故障4次；56號風機2012年11月1日至2013年2月7日，共發(fā)生變槳類故障61次，2013年2月8日至2013年4月30日，未發(fā)生變槳類故障；62號風機2012年11月1日至2013年1月29日，共發(fā)生變槳類故障45次，2013年1月30日至2013年4月30日共發(fā)生變槳類故障2次。從以上數(shù)據(jù)可以看出，通過改造，機組變槳故障率顯著降低，變槳系統(tǒng)運行可靠。

6 結(jié)語

通過大量研究并對在役機組實行柔性可控技術(shù)進行驗證。實現(xiàn)目標：（1）降低機組的機械振動和沖擊 。可以通過儀器儀表檢測。（2）變槳控制系運行可靠，直接減少變槳控制系統(tǒng)的電氣故障和部件故障。

參考文獻：

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