風(fēng)力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)探析

伍釗宏

（湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411102）

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電具有清潔環(huán)保和可再生性等優(yōu)勢，在全世界得到了快速發(fā)展。國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電起步晚，后勁足。隨著2006年1月1日《中華人民共和國可再生能源法》的實施，國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)迅速崛起，裝機數(shù)量迅速增長，到2020年已有十幾萬臺。然而，隨著裝機數(shù)量的迅速增長，風(fēng)力發(fā)電機組倒塌、損壞以及燒毀等重大事件隨之出現(xiàn)。重大事件的發(fā)生導(dǎo)致了人力、物力以及財力等方面的巨大損失。因此，發(fā)生事故后排查、分析以及總結(jié)事故原因以預(yù)防事故再次發(fā)生變得尤為重要。在重大事件中，風(fēng)力發(fā)電機組飛車事故最突出，其中飛車事故中變槳系統(tǒng)故障是主要原因。因此，探討及分析變槳系統(tǒng)，探尋一種經(jīng)濟科學(xué)、穩(wěn)定可靠以及精準(zhǔn)安全的變槳系統(tǒng)勢在必行。本文從風(fēng)力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)組成入手，探析兩種基本的風(fēng)力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)。

1 變槳系統(tǒng)基本組成的分類

1.1 控制回路的分類

控制回路分為兩種：一種是由PLC控制模塊、直流驅(qū)動以及緊急變槳模塊構(gòu)成控制回路；另一種是由交流驅(qū)動構(gòu)成控制回路，其交流驅(qū)動集合了PLC控制、驅(qū)動以及緊急變槳模塊功能。

1.2 變槳電機的分類

變槳電機分為兩種：一種是直流電機，功率較小；另一種是交流電機，功率較大。

1.3 緊急變槳后備電源的分類

緊急變槳后備電源分為兩種：一種是直流電池柜，由化學(xué)電池構(gòu)成；另一種是直流電容柜，由儲能電容構(gòu)成。

2 變槳系統(tǒng)分析

2.1 變槳系統(tǒng)的選取

變槳系統(tǒng)有多種，本文選用直流變槳系統(tǒng)和交流變槳系統(tǒng)兩種具有代表性的典型變槳系統(tǒng)。

2.1.1 直流變槳系統(tǒng)

直流變槳系統(tǒng)是一種早期的變槳系統(tǒng)，由PLC控制模塊、直流驅(qū)動以及緊急變槳模塊做控制回路，由直流電機做變槳電機，由直流電池做緊急變槳后備電源。在直流變槳系統(tǒng)正常運行時，PLC向驅(qū)動和緊急變槳模塊發(fā)出使能信號，驅(qū)動輸出直流控制電機轉(zhuǎn)動，而緊急變槳模塊通過24 V控制直流電機剎車。控制回路的3個部分相互配合，從而控制直流電機正常運行。在直流變槳回路緊急變槳時，直流電池直接作用于直流電機，使電機在大直流電下緊急收槳。直流變槳系統(tǒng)如圖1所示[1]。

圖1 直流變槳系統(tǒng)簡圖

2.1.2 交流變槳系統(tǒng)

交流變槳系統(tǒng)是現(xiàn)在比較常用的一種變槳系統(tǒng)，由交流驅(qū)動做控制回路，交流電機做變槳電機，直流電容做緊急變槳后備電源。交流變槳系統(tǒng)無論是在正常工作還是緊急變槳，都是通過交流驅(qū)動控制輸出交流電的大小，從而實現(xiàn)交流變槳電機在不同電流下以不同的速度變槳。交流變槳系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 交流變槳系統(tǒng)簡圖

2.2 變槳系統(tǒng)性能分析

2.2.1 變槳系統(tǒng)控制分析

直流緊急變槳系統(tǒng)速度和交流緊急變槳系統(tǒng)速度分別為：

可以看出，緊急變槳時，交流變槳為穩(wěn)定的額定轉(zhuǎn)速，直流變槳系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速由變槳電池決定，額定轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。緊急變槳時，交流變槳系統(tǒng)的直流后備電流先通過交流驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娏鳎俜€(wěn)定傳給交流電機，不會形成瞬時大電流而燒壞電機，可見交流控制回路的控制可靠穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)簡單。直流變槳系統(tǒng)在緊急收槳時由于沒有通過驅(qū)動，緊急變槳不好控制。雖然直流緊急收槳回路中在直流電機和后備電池之間有過流電阻，但由于后備電池瞬時電流不可控，直流變槳系統(tǒng)在緊急變槳時仍時常出現(xiàn)直流變槳電機燒壞的現(xiàn)象[2]。由于直流緊急變槳時失去了驅(qū)動控制，變槳電機大多數(shù)情況下會沖過第二個限位開關(guān)才能停止，很容易對限位開關(guān)及變槳齒輪造成機械損傷。而在控制方面，直流變槳回路還有個致命的弱點，即3個變槳電機統(tǒng)一由一個PLC控制，如果發(fā)生事故且PLC不能正常控制變槳時，3個葉片極有可能都不會緊急收槳而發(fā)生飛車事故。交流變槳控制回路3個交流驅(qū)動則分別控制，相互獨立，如有一個驅(qū)動不能收槳，另外兩個驅(qū)動收槳不會受影響。現(xiàn)在的交流變槳控制系統(tǒng)在其他方面也有改進，如表1所示。

表1 交流變槳控制系統(tǒng)其他方面改進表

2.2.2 變槳系統(tǒng)電機分析

交流變槳電機和直流變槳電機對比如表2所示。可以看出，交流變槳電機比直流變槳電機功率大，結(jié)構(gòu)簡單，制造更方便，成本更低。在剎車、角度反饋以及散熱上，交流變槳電機更勝一籌，且其外部電源使用的是應(yīng)用廣泛的交流電源。直流電機需要用電刷和轉(zhuǎn)向器進行電流和電壓的轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動。國內(nèi)的電刷和轉(zhuǎn)換器的制造工藝不高，電刷和轉(zhuǎn)換器之間常有電火花出現(xiàn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器容易氧化甚至絕緣，因此直流電機頻頻發(fā)生故障。在風(fēng)機發(fā)電機組中，直流電機功率小，能平滑控制電機速度，一般用于小功率和葉片短的風(fēng)力發(fā)電機組。在風(fēng)大、功率大以及葉片長的風(fēng)力發(fā)電機組中，交流變槳電機應(yīng)用廣泛。

表2 直流電機與交流電機對比表

2.2.3 變槳系統(tǒng)后備電源分析

變槳系統(tǒng)后備電源電容器、電池的特性和性價對比如表3所示。由表3可以看出，電容器充放電更快且更穩(wěn)定，不易老化和損壞，重量輕，更換方便，性價比高。化學(xué)電池由有害化學(xué)物質(zhì)組成，退出運行后對環(huán)境污染大，不利于回收[3]。

表3 電容器與化學(xué)電池對比表

3 結(jié) 論

目前，交流變槳系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組，很多直流風(fēng)力發(fā)電場都已將變槳系統(tǒng)整改為交流變槳系統(tǒng)。特別是在大風(fēng)速地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機組用的都是交流變槳系統(tǒng)。大量實踐應(yīng)用表明，交流變槳系統(tǒng)極大地延長了風(fēng)力發(fā)電機組運行壽命，節(jié)約了運行成本，提高了運行質(zhì)量和運行安全性。