風力發電機組變槳系統優化設計與實現

唐嘉

（大唐華銀（湖南）新能源有限公司，湖南 長沙 410000）

針對風機的變槳系統而言，其不僅是風電機組的核心制動設備，同時還是吸收風能的重要部件，能實現氣動剎車及調節風輪輸入功率等功能，因而能夠為風電機組高效、可靠運行提供切實保障。但在現實運行過程中，變槳系統也是出現故障最多的電子器件。電動變槳距機組內部配套的變槳控制系統的結構有伺服機構、變槳控制器、后備電源及位置反饋傳感器等。本文就此系統的具體優化設計策略作一探討。

1 變槳系統的基本構成

通常來講，變槳系統主要有如下構成：直流電機3臺，電池柜3個，軸控制柜3個，中心控制柜1個，以及其它附件。在中心控制柜中，其主要集成了充電器、變槳控制器以及能夠實現變槳控制器功能的繼電器與輔助接觸器等。而在整個軸控制柜當中，則主要集成了伺服驅動器及能夠對伺服機構進行有效控制的繼電器與輔助接觸器。而在電池柜當中，則為一電池組，由閥控式鉛酸蓄電池（12V）組成，共計24塊，全密封設計，因而能夠避免出現漏酸情況，防止腐蝕設備與污染環境，此外，還專門安裝有風扇、加熱器，能夠使電池溫度始終維持在合理范圍內。針對編碼器、電池柜、中控柜、變槳電機、軸控柜間的連接而言，則由所設置的電纜來實現，而滑環負責機艙控制系統與變槳系統間的連接。通過機艙主控制器與滑環之間的連接，能使變槳中控柜根據實際需要，從風機機艙控制系統中得到控制信號，或是得電，而對于滑環來講，則借助于滑道與刷針的接觸，來實現數字信號的傳遞，以及動力電源的傳送，其包含15路24V信號電路、400V主電源、串口通訊線路與230V不間斷后備電源。

2 變槳系統工作的原理

針對變槳系統而言，其核心功能有二，其一為安全停機，其二為調節功率，如果處于調節功率模式，則其基本的工作原理是：機艙主控制器依據當前的實際風速，并與機組設定轉速和發電機實際轉速之間所存在的差值相結合，通過系統化的PI計算，便能得到準確的變槳角度設定值，另外，還能借助于串口通訊線，向變槳控制器傳送相關變槳指令，當變槳控制器對相關設定值予以接收后，結合編碼器，實時反饋角度，通過PI計算，得到變槳速度設定值，結合A編碼器反饋變槳速度，通過PI計算得到變槳驅動電壓，如此一來，便能夠獲得一個典型的閉環控制，以此來最大程度保障系統控制的有效性、可靠性與穩定性；此外，將1個冗余B編碼器設置在槳葉的旋轉回路上，并把它當作備用的旋轉角度測量；基于此模式下，編碼器、變槳驅動器、變槳控制器與變槳電機便組成了一個高性能的位置隨動控制系統，然后以SSI串行通訊的方式，利用A編碼器把絕對式編碼器所測得的位置信號，以一種合理方式持續傳送至變槳控制器；此外，還能以正余弦信號方式，持續向變槳驅動器傳送旋變所測得的角度信號，且將電機速度計算出來，作為系統的反饋形成閉環控制；針對整個控制器來講，均選用的是PI控制。對于B編碼器而言，則將其當作位置信號的相應冗余反饋，通過修改參數，來選擇將B或者A作為主反饋。

如果是處于一種安全停機模式下，那么其工作原理是：如果在一種緊急情況下，比如系統電源斷電、電網故障或是超過安全風速等，系統根據當前情況，會以一種自動方式，切換至更加安全的后備蓄電池供電模式，此時，動力則由蓄電池提供，且還能控制電流，確保風機可以安全且及時地回槳，如果發生緊急停機情況，或者是極端風況時，此時的變槳控制系統便會立刻將與外部系統連接的電源斷開，從之前的自動模式向蓄電池供電回槳模式轉換，這樣一來，便能夠讓葉片轉至風機事先設定的安全位置上（91°）。如果葉片已經回至安全位置，則借助于91°位置處所安裝的限位開關，將蓄電池供電予以中斷，達到事先緊急變槳的目的。針對三支葉片來講，由于受各電機與伺服控制，如果其中的一支葉片控制發生故障，且對其它兩支葉片變槳工作不會造成影響，則能夠為整個系統的可靠性與安全性，提供切實保障。

3 風力發電機組變槳系統優化設計與實現

3.1 變槳系統后備電源的優化

（1）關于蓄電池電壓監控的優化。為了能夠最大程度優化蓄電池電壓監控，需進行如下測算：其一，通過利用BLADED軟件進行仿真，獲得實際載荷，機組順槳一次所需要的變槳能量是55619.1J。針對順槳來講，其所需時間一般為13s。因此，電機順槳所需能量：55619.1J/0.85（電機效率）×0.9（機械傳動效率），即72704J。所以電池在13s內，需要提供＞72704J的能量。其二，依據風機的總體設計要求，如果是順槳，那么對于變槳系統而言，則需提供的順槳速度為7°/s。由于變槳電機實為一種直流電機，因此，電機電壓與電機轉速之間便呈現正比關系，而電機電流與電機扭矩之間則呈正比關系。電機參數為：額定轉矩為24Nm，額定電流、電壓、轉速分別為30A、250VDC、2410RPM。依據相關條件，且與變槳系統相結合，得知總傳動比是1704，當處于順槳狀態時，槳電機的工作轉速需達到1989RPM，與之相對應的工作電壓是205VDC。

（2）充電器報警的監控優化。針對充電器內部來講，因其所選用的蓄電池，在具體的電壓采樣電阻方面，容易出現損傷，且自身并不存在太大優化價值，因此，可采取如下方式實施優化：首先，將報警回路安裝在硬件上，目的在于借助日常風機蓄電池，當其處于正常工作狀態時，其會有浮充狀態的基本特性，把充電器所輸出的相應電流，持續傳輸至單相電流檢測模塊當中；其次，為使充電回路始終保持較好的穩定性與可靠性，在軟件上，實現自檢充電器，針對軟件與硬件，達成雙冗余保護，優化方案就是將一個周期性檢測子程序加入到軟件中，以此來更好的監測充電器斷線情況，也就是針對變槳控制器，在每日12點時，或者是在每次回槳到指定的限位開關時，對變槳充電器開展1次斷線檢測，時間為1min。

3.2 編碼器的優化

（1）針對電子式計圈編碼器而言，由于其內部的電路、電子器件有著比較弱的電路抗沖擊能力，而對于那些采用機械式的計圈編碼器來講，其所選用的是齒輪結構來計數，當處于失電狀態時，不會出現角度丟失的情況；此外，外部電源也不會對其造成太大影響，因此，從根本上來講，在實際選型與使用中，可選用機械式的計圈絕對式編碼器。

（2）對于采用電子式的計圈編碼器而言，其在具體的計圈上，容易受到外界環境的干擾，把內部電子的輸出報警當作數字輸入報警點，劃歸至變槳控制器的指定端口，除此之外，還需要對槳通訊協議進行修改，將報警信息加入到數據幀當中；還需指出的是，針對編碼器內部，還需專門且重新設計PCB電路，主要是將抗干擾電容設置在芯片2、4管腳上。

在具體的軟件方面，可采取如下優化措施：

（1）針對上述（1），為了能夠使變槳控制器在兼容性與開放性方面得到強化，且最大程度滿足數據傳輸在精確度方面的要求，在軟件功能上，將同步時鐘校準機制取消，改變為在各次數據傳輸過程中，專門針對單次通訊實施校驗，也就是在對應的變槳通訊協議中，或者是在編碼器中，修改傳輸數據的格式，將單次數據傳輸CRC校驗碼引入其中，用于時鐘校準的替換，如果經CRC校驗，并且沒有通過，那么此時的編碼器時鐘，便會根據實際情況重新發送，數據此時也會再次輸出。

（2）針對上述（2），在進行采樣時，可采用新的算法，用于技術是否加1進行判斷，具體為：將消抖濾波功能加入到編碼器的內部芯片軟件當中，準確來講，就是加入到采樣功能段內，具體做法就是專門設置1個濾波計數器，把每次的采樣值對比于現階段的有效值；當處于初始化狀態時，把輸入信號設置成兩個狀態，即“0”與“1”，對一個采樣存儲器進行初始化操作，保存采樣值。若采樣值狀態不變，則將計數器清零；若發生改變，則那么計數器加1，且對計數器是否≥上限N進行判斷，如果沒有達到，則默認維持原狀。

4 結語

綜上，在世界各國的未來能源戰略架構中，可再生能源作為重要發展方向，受到各國的高度重視，且其作用日益突出，其中占據絕對優勢的便是風能。在我國，伴隨國家對新能源的日益支持，其在我國的整體裝機容量呈現持續增大趨勢。因此，需注重風力發電機組的建設與維護工作，尤其是其中的變槳系統，時刻對其進行全面升級與優化，切實發揮其效能，推動整個風力發電機組的高質量運轉。