風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

邢作霞, 項(xiàng) 尚, 徐 健, 趙清松

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870;2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 遼寧 沈陽 110000)

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展,對于風(fēng)電機(jī)組的要求不斷提高,不僅要求其能夠發(fā)電,還要求保證發(fā)電質(zhì)量和風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性。由于風(fēng)無時無刻都處于變化狀態(tài)且具有隨機(jī)性強(qiáng)、密度低、不平穩(wěn)等特性[1],因此在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時想要最大程度捕獲風(fēng)能,就必須提高偏航系統(tǒng)的控制精度。偏航系統(tǒng)是水平軸式風(fēng)電機(jī)組不可缺少的部分,使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時風(fēng)力機(jī)正對風(fēng)的來流方向,提高風(fēng)能利用系數(shù),降低發(fā)電成本,并且有效地保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的安全[2-5]。國內(nèi)偏航系統(tǒng)限于理論研究,實(shí)驗(yàn)平臺相對較少,不能滿足學(xué)生對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的學(xué)習(xí)。

目前,創(chuàng)新已經(jīng)成為全社會的共識,特別是教育、教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐已經(jīng)成為自覺活動[6-8]。考慮到偏航系統(tǒng)對風(fēng)電機(jī)組的重要性,學(xué)生有必要掌握偏航系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制邏輯。本文搭建了基于偏航控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺,為學(xué)生創(chuàng)造一個能夠了解偏航控制系統(tǒng)的環(huán)境,對風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。

1 偏航系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

偏航系統(tǒng)一般分為主動偏航形式和被動偏航形式,被動偏航形式依靠風(fēng)力作為機(jī)艙偏航的動力,主動偏航形式依靠偏航驅(qū)動電機(jī)作為動力[9-11]。本文采取主動偏航方式,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。在進(jìn)行偏航實(shí)驗(yàn)時,風(fēng)力信號轉(zhuǎn)換為電信號,并傳輸給偏航控制器,偏航控制器控制變頻器，驅(qū)動偏航電機(jī)，偏航電機(jī)帶動機(jī)艙旋轉(zhuǎn)。偏航過程中系統(tǒng)備壓偏航,即液壓站的液壓油進(jìn)入液壓油缸,減小偏航系統(tǒng)壓力,防止偏航電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中沖擊載荷對偏航軸承的破壞;偏航結(jié)束后液壓站提高偏航系統(tǒng)壓力,保護(hù)偏航系統(tǒng)安全。

圖1 偏航系統(tǒng)框圖

2 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本偏航系統(tǒng)可用于風(fēng)電類企業(yè)和學(xué)校培訓(xùn)使用,可實(shí)現(xiàn)液壓站、液壓制動器、偏航電機(jī)、偏航軸承、偏航位置傳感器、偏航傳感器及控制系統(tǒng)的實(shí)際操作培訓(xùn)。為便于學(xué)生對偏航系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和使用,把實(shí)驗(yàn)平臺分為偏航實(shí)訓(xùn)臺和偏航操作臺。偏航實(shí)訓(xùn)臺可讓學(xué)生充分地了解偏航機(jī)械結(jié)構(gòu),偏航操作臺可讓學(xué)生掌握偏航系統(tǒng)控制邏輯。

2.1 偏航實(shí)訓(xùn)臺

偏航實(shí)訓(xùn)臺包括塔架、偏航軸承、偏航滑板、液壓站、偏航電機(jī)、減速器、偏航位置傳感器和壓力傳感器等組成。偏航實(shí)訓(xùn)臺如圖2所示。

圖2 偏航實(shí)訓(xùn)臺

液壓站工作時電機(jī)帶動油泵轉(zhuǎn)動,泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓站的壓力能,液壓油實(shí)現(xiàn)了方向、壓力、流量調(diào)節(jié)后經(jīng)外接管路并至液壓機(jī)械的油缸,從而控制偏航系統(tǒng)壓力變化,為系統(tǒng)提供一定的偏航阻尼力矩。液壓原理圖如圖3所示。若系統(tǒng)偏航時系統(tǒng)壓力過大,液壓油的流量需求減小,通過調(diào)節(jié)溢流閥可以改變液壓油的流量,減小偏航壓力。

圖3 液壓原理圖

偏航位置傳感器安裝于偏航軸承外側(cè)。機(jī)艙旋轉(zhuǎn)過程中,偏航位置傳感器內(nèi)部齒輪轉(zhuǎn)動,其旋轉(zhuǎn)圈數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，并傳輸給偏航控制器；偏航控制器根據(jù)該傳感器傳輸?shù)慕嵌刃盘枌?shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對風(fēng)、解纜、順風(fēng)停機(jī)等功能。

2.2 偏航操作臺

偏航操作臺主要由可編程序控制器(programmable logic controller,PLC)、觸摸屏、變頻器及一些電子器件等構(gòu)成。上位機(jī)采用北京昆侖通態(tài)觸摸屏TPC1561Hi,主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行控制和狀態(tài)反饋等功能。下位機(jī)采用西門子可編程序控制器。

偏航操作臺是偏航系統(tǒng)的控制中心,偏航實(shí)驗(yàn)控制操作均在該操作臺上執(zhí)行,分為手動偏航和自動偏航兩種模式,偏航過程中可觀察相應(yīng)的狀態(tài)指示燈。

圖4 偏航系統(tǒng)電氣原理圖

圖4為偏航系統(tǒng)電氣原理圖,KM1和KM2為接觸器,K1—K10為繼電器。當(dāng)系統(tǒng)上電之后,接觸器KM1和KM2吸合，此時啟動偏航系統(tǒng),繼電器K1—K10皆吸合。K2吸合后液壓站供電,直到壓力達(dá)到設(shè)定值,液壓站停止供電。K3吸合,系統(tǒng)處于抱閘狀態(tài),保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的安全。K6、K7和K8吸合,則觸摸屏和偏航控制器供電處于工作狀態(tài),上位機(jī)和下位機(jī)之間已經(jīng)通信,可以通過上位機(jī)和操作臺的按鈕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 偏航控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

依托實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有:偏航對風(fēng)實(shí)驗(yàn)、限位器調(diào)試實(shí)驗(yàn)、液壓剎車實(shí)驗(yàn)、偏航傳感器實(shí)驗(yàn)、偏航解纜實(shí)驗(yàn)。

3.1 偏航對風(fēng)實(shí)驗(yàn)

點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)臺上啟動按鈕,偏航系統(tǒng)啟動,進(jìn)入待機(jī)模式狀態(tài),觀察觸摸屏的機(jī)艙角度、風(fēng)向角度及偏差角度并做記錄,選擇風(fēng)速給定模式并選擇風(fēng)況,如果偏差角小于當(dāng)前風(fēng)況下自動偏航角度設(shè)定值時,偏航仿真系統(tǒng)維持待機(jī)狀態(tài)。

通過觸摸屏或風(fēng)向旋鈕給定風(fēng)向值,如果此時偏差角度大于當(dāng)前風(fēng)況下自動偏航角度設(shè)定值時,系統(tǒng)啟動倒計(jì)時，10 s后偏航系統(tǒng)進(jìn)入順、逆時針自動對風(fēng)狀態(tài);當(dāng)偏差角小于或等于當(dāng)前風(fēng)況下停止偏航角度設(shè)定值時,停止順、逆時針對風(fēng),并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

3.2 偏航解纜實(shí)驗(yàn)

點(diǎn)擊觸摸屏的“順時針自動偏航”按鈕，將機(jī)艙角度偏航至順時針軟件極限位置(1.5圈),此時扭纜狀態(tài)燈閃爍,機(jī)艙角已到達(dá)順時針極限位置，扭纜保護(hù)并停止偏航。點(diǎn)擊“開始解纜”按鈕,系統(tǒng)自動向逆時針方向偏航進(jìn)行解纜,解纜指示燈變?yōu)榫G色。當(dāng)機(jī)艙角度接近0°時停止解纜,實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3.3 液壓剎車實(shí)驗(yàn)

偏航剎車實(shí)驗(yàn)：任意調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺上的風(fēng)向旋鈕,使偏航仿真模型進(jìn)行偏航動作,此時偏航啟動,首先偏航電機(jī)內(nèi)置剎車打開,液壓站的DT1電磁閥通電,松閘狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮,液壓值瞬間降低至10×105Pa(10 bar)左右,系統(tǒng)延時200 ms啟動偏航電機(jī)，開始偏航。觀察液壓站抱閘、松閘工作狀態(tài)及液壓值變化,并作記錄。

解纜剎車實(shí)驗(yàn)：使其偏航仿真模型到達(dá)極限位置,等待系統(tǒng)進(jìn)行自動解纜動作,解纜狀態(tài)下,液壓站DT2電磁閥通電,解纜剎車狀態(tài)燈點(diǎn)亮,液壓值降至5×105Pa(5 bar)左右。觀察液壓站解纜時工作狀態(tài)及液壓值變化,并作記錄。

3.4 偏航傳感器實(shí)驗(yàn)

關(guān)閉偏航仿真實(shí)驗(yàn)臺電源開關(guān),并重新上電,上電后系統(tǒng)在3 s內(nèi)利用電位傳感器輸入的4～20 mA模擬量信號自動記錄當(dāng)前機(jī)艙初始位置;延時3 s后,機(jī)艙偏航位置將由AB接近開關(guān)的狀態(tài)變化計(jì)算出偏航運(yùn)行時的機(jī)艙位置,觀察電位器角度、機(jī)艙角度、模擬量數(shù)值及AB接近開關(guān)的變化。

3.5 限位器調(diào)試實(shí)驗(yàn)

將偏航仿真模型上未接線的行程限位器拆卸,并進(jìn)行手動調(diào)試,調(diào)試部分包括定義正北限位信號、右極限限位信號,左極限限位信號。偏航仿真系統(tǒng)的外齒圈與行程限位器的小齒輪的齒輪比為1∶6.5(即偏航外齒圈旋轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)行程限位器的小齒輪6.5圈)那么當(dāng)定義左右極限信號時,小齒輪應(yīng)向?qū)?yīng)方向旋轉(zhuǎn)13圈。

4 實(shí)驗(yàn)流程和結(jié)果

偏航系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)驗(yàn)時可以調(diào)節(jié)的參數(shù)包括：

(1) 風(fēng)速和風(fēng)向(由操作臺旋鈕或觸摸屏給定);

(2) 液壓站壓力保持(液壓站壓力上限和下限可以設(shè)定);

(3) 自動偏航角度。

本文實(shí)驗(yàn)平臺模擬風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)功能的實(shí)驗(yàn)流程圖見圖5。圖6為偏航系統(tǒng)參數(shù)顯示與修改設(shè)置參數(shù)界面,界面中提供了偏航仿真系統(tǒng)全部顯示參數(shù)及可修改的參數(shù),可根據(jù)不同需求設(shè)置風(fēng)機(jī)當(dāng)前風(fēng)況,每種風(fēng)況下對應(yīng)的自動偏航角度與停止角度不同;也可手動任意調(diào)節(jié)風(fēng)速,其他參數(shù)可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行修改。

圖5 實(shí)驗(yàn)流程圖

5 結(jié)論

良好的實(shí)驗(yàn)裝置是提高學(xué)生實(shí)踐能力的重要保障。本文根據(jù)偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,為學(xué)生設(shè)計(jì)了偏航系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺具有功能強(qiáng)大、操作簡便的優(yōu)點(diǎn),能夠指導(dǎo)學(xué)生對偏航系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。此外,本文所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺對風(fēng)電場工作人員預(yù)先制訂合理的維修保養(yǎng)計(jì)劃、降低經(jīng)濟(jì)成本具有重要意義。

圖6 參數(shù)顯示與設(shè)置界面