淺談風機變槳的新型通風結(jié)構(gòu)

（國華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風電有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市，015000）云再鵬

1 引言

風力發(fā)電是近幾年發(fā)展最為迅速的新能源產(chǎn)業(yè)之一[1]。現(xiàn)在，為了促進工業(yè)現(xiàn)代化及環(huán)境保護的實現(xiàn)，不斷促進可持續(xù)發(fā)展，風能作為一種環(huán)保性較好的能源正越來越受到重視。所以大型風電機組的研發(fā)已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)代化當中的一個要點。而風機變槳的新型通風結(jié)構(gòu)的研發(fā)和電動變槳技術(shù)的實現(xiàn)，是改善大型發(fā)電機組的運行水平的一個重要方面。

2 風機變槳系統(tǒng)的主要工作原理

風力發(fā)電機組的構(gòu)造，主要由主控、變槳兩大控制體系組成。其中，變槳系統(tǒng)可以說是大型風電機組在控制當中的最核心的部分，可看作是大型風電機組的“變速箱”。小型的風電機組并不需要變槳系統(tǒng)，但大型風電系統(tǒng)卻離不開變槳系統(tǒng)。它對于槳葉的精準控制包括其常規(guī)動作、緊急收槳等都具有不可替代的作用。

概括來說，當風速超出額定風速時,大型風電機組通常采用變槳距的控制方式,通過調(diào)整葉片槳距角,改變氣流對葉片的攻角,從而改變風電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)對額定功率的穩(wěn)定追蹤[2]。

通過變槳系統(tǒng)，風電機組可以在風速較低時獲得電能。當風速超過額定風速時，則截獲到固定大小的風能。對槳距角進行控制的手段是多樣化的，但不管采取何種手段都必須控制好葉片的角度。并通過算法控制來對風速及發(fā)動機進行持續(xù)監(jiān)測，對葉片槳距角隨時進行調(diào)節(jié)。此時葉片槳距角會大幅度提升，使攻角進行調(diào)整，誘導失速。

風電機組變槳系統(tǒng)位于輪轂前部，而齒輪在輪轂及葉片根部將兩者連在一起。由外側(cè)電動機在齒輪和帶齒傳動帶的作用下來操控變槳。變槳系統(tǒng)的外側(cè)發(fā)動機和其余部件，均位于輪轂之內(nèi)且隨輪轂進行轉(zhuǎn)動。

3 風機變槳系統(tǒng)的基本構(gòu)造

完整的風力發(fā)電機組通常由下列結(jié)構(gòu)組成：風輪、變流器、偏航系統(tǒng)、發(fā)電機、風機主控制器、變槳控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、制動器等。當然也有的機組只設驅(qū)動器而不設控制器。

這其中，最主要的部件在于前六者。幫助風力發(fā)電機組進行運作的輔助部件為偏航系統(tǒng)及制動器。當風力發(fā)電機組進行運轉(zhuǎn)時，由主控制器進行相應運算，對信息進行采集，對不同槳葉需求的調(diào)節(jié)節(jié)距角度數(shù)，再下達一系列指令。變槳控制器接到指令后，便在伺服電機的作用下，使葉片進行旋轉(zhuǎn)，再基于風能的動態(tài)來對機組的功率輸出不斷進行調(diào)節(jié)。這樣，可做到無故障狀態(tài)下的自動進行啟動、對風、速度調(diào)節(jié)、并網(wǎng)發(fā)電等一系列環(huán)節(jié)的操作。一旦發(fā)生故障，可以根據(jù)故障的分級標準，進行相應級別的停機操作以確保其安全性。

另外，還可以通過主控制器，來進行對變槳控制器的實時通訊、輸出及接收來自變槳執(zhí)行系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。

從風力發(fā)電機組的動態(tài)特性來看，由組成機組之構(gòu)造的不同部件的全部動態(tài)特性組成。如風輪的氣動特性，以及傳遞系統(tǒng)、發(fā)電機及控制系統(tǒng)的動態(tài)特性等組成。

4 電動變槳技術(shù)的概述

風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)，分為液壓變槳系統(tǒng)和電動變槳系統(tǒng)兩種。雖然在現(xiàn)階段，二者并無絕對的優(yōu)劣之分。但是，從長遠的角度來看，電動變槳技術(shù)相對于液壓變槳系統(tǒng)來說具有明顯的優(yōu)勢。比如，其適應能力較為理想、響應周期較短、精度較好、構(gòu)造較為簡潔、環(huán)保性好、維護成本較低等特點。所以近些年來在風力發(fā)電機組當中得到越發(fā)廣泛的普及。

4.1 電動變槳系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

從電動變槳系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)來看，大多采取的是七箱結(jié)構(gòu)，總體上包括：變槳控制（主控）箱一個、軸控制箱及軸蓄電池箱各三個，還包括一些輔助元件如永磁直流伺服電機及配套件、9lo與950限位開關、槳距角絕對編碼器、潤油泵等。

4.2 變動變槳設計的基本原則

首先需要注意安全性。因機組的變槳裝置是置于輪轂當中的，處于比較惡劣的工作環(huán)境，需要隨時面對過高或過低的氣溫及較為潮濕或充滿沙塵的外界環(huán)境。同時，機組在運轉(zhuǎn)、震動或忽然間開關機時，很容易給變槳裝置帶來沖擊。另外，風力發(fā)電機組必須安裝在風力資源比較豐富的地方，比如邊境地區(qū)或者海上。此時想要確保電網(wǎng)的安全性，機組必須采取分散式的布置，并做到無人值班，滿足聯(lián)系運轉(zhuǎn)的需求。此時對于變槳裝置的安全可靠方面都具有較高的需求。比如，當風速較高，而變槳距控制系統(tǒng)又因產(chǎn)生故障而無法進行順槳時，就容易面臨系統(tǒng)失速的狀況，而容易引發(fā)傳動設備的嚴重受損。而現(xiàn)階段國產(chǎn)的風電控制系統(tǒng)，如變槳距控制系統(tǒng)等盡管也能夠進行運轉(zhuǎn)，但在使用安全及可靠等性能方面，同進口產(chǎn)品相比還是有不少差距的。很難整體進行使用。為此在進行設計時，一定要注意把握住安全可靠這個原則。比如在數(shù)據(jù)采集、傳送、軟件設計等環(huán)節(jié)方面必須要加強把關。

注重加強系統(tǒng)的電磁兼容性、防雷等方面的性能。變槳距控制系統(tǒng)在風機輪轂中，不但被大功率發(fā)電機及其變頻變流裝置產(chǎn)生的高壓交流電場、靜電場、電刷電弧、大功率開關器件等工業(yè)干擾與微波通訊、無線電信號、雷達等外界高頻干擾所包圍，而且還受到雷電、靜電放電、磁爆等自然界干擾沖擊，特別是因雷電損壞風電控制系統(tǒng)的故障時有發(fā)生。因此，在變槳距控制系統(tǒng)產(chǎn)品設計中應注重產(chǎn)品的電磁兼容性設計與防雷設計，通過滑環(huán)交換的信號端口必須并裝防雷保護器件。

注重產(chǎn)品的維修性設計。變槳控制系統(tǒng)安裝在風機輪轂中，工作時輪轂在高空與槳葉一起旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)場調(diào)試與維修環(huán)境條件苛刻。在產(chǎn)品設計中應注重產(chǎn)品的維修性設計。

4.3 系統(tǒng)研發(fā)當中的關鍵要素

系統(tǒng)研發(fā)當中的關鍵要素在于下列幾個方面：結(jié)構(gòu)設計、齒圈角位移及電機角速度、電機電樞電方面的電流調(diào)節(jié)環(huán)的調(diào)節(jié)算法。針對擬合外環(huán)及擬合內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)算法，前者需同時滿足機組功率的良好調(diào)節(jié)及避免機構(gòu)頻繁進行動作，以及在三槳葉同步變槳順槳方面的需求。而后者則需要一方面符合變槳的相應周期，另一方面防止功率元件和電流過熱、設備發(fā)生多余的振動和沖擊等。

滿足系統(tǒng)的可靠性和維護方便上面的需求，使硬件做到安全可靠和便于維護。如關于電子元器件的測試、篩選、老化等技術(shù)，降額設計技術(shù)，結(jié)構(gòu)的防振動、防沖擊、防濕、防腐、電磁屏蔽、熱設計技術(shù)，模塊化設計技術(shù)等；軟件的安全性、維護性、可靠性設計技術(shù)：包括軟件安全性分析技術(shù)、軟件安全性設計方法、軟件部件或軟件單元的內(nèi)聚強、耦合弱的設計方法、模塊化結(jié)構(gòu)設計方法、軟件設計的避錯、查錯、糾錯與容錯設計技術(shù)等。

5 結(jié)束語

大型風力發(fā)電機組的風機變槳系統(tǒng)，是機組最為核心的部件。隨著時代的發(fā)展，對其通風結(jié)構(gòu)的要求也越來越高。為此，我們需要在技術(shù)研發(fā)上面進一步取得突破，不斷引進新的技術(shù)，開發(fā)出新型的、滿足安全可靠和節(jié)能之原則的風機變槳系統(tǒng)。