風(fēng)電機(jī)組葉片遠(yuǎn)程智能鎖研究

羅小峰，冼小強(qiáng)，朱一鳴，馬文博，葉鑄瑩，溫 釵

（1.廣東粵電電白風(fēng)電有限公司，廣東 茂名；2.廣東粵電陽江海上風(fēng)電有限公司，廣東 陽江）

1 概述及需求介紹

風(fēng)能是一種清潔可再生能源，風(fēng)力發(fā)電就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是集機(jī)械、電氣及空氣動力學(xué)等學(xué)科為一體的綜合設(shè)備，其大多安裝在環(huán)境惡劣、氣候復(fù)雜的地區(qū)，在運行過程中存在許多隱患，需要定期進(jìn)行維護(hù)或檢修，以及時發(fā)現(xiàn)故障及隱患，保證風(fēng)機(jī)的效率[1]。

首先隨著清潔能源風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組運行安全性要求及智能控制的需求風(fēng)電機(jī)組維護(hù)或者臺風(fēng)來臨之際，亟需智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實現(xiàn)機(jī)組葉片鎖定，來提升機(jī)組的安全性并提高作業(yè)效率提升風(fēng)場發(fā)電量。

其次位于我國東南沿海區(qū)域的風(fēng)電場，每年均會經(jīng)受數(shù)次臺風(fēng)侵襲，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須具備抗臺風(fēng)能力。臺風(fēng)來臨時，電網(wǎng)會斷電，變槳系統(tǒng)停止工作，需要外加機(jī)械鎖定裝置鎖定葉片位置?？古_風(fēng)機(jī)組配置手動葉片鎖定裝置，但手動鎖定裝置在使用時，需要在臺風(fēng)來臨前逐臺登上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，進(jìn)入輪轂，人工操作進(jìn)行鎖定，非常費時費力，工作量非常大。

保證安全的基礎(chǔ)上，為降低臺風(fēng)工況下的維護(hù)工作量，開發(fā)自動葉片鎖定，可以通過主控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行鎖定葉片，減小人工登塔操作工作量；同時縮短維護(hù)操作時間，延長機(jī)組發(fā)電時間，增加發(fā)電量。本文基于機(jī)組實現(xiàn)葉片遠(yuǎn)程自動鎖的目的來闡述其實現(xiàn)的方法。

2 原理分析

風(fēng)力機(jī)組在超出切出風(fēng)速時是通過變槳系統(tǒng)將葉片調(diào)整到順槳狀態(tài)，從而降低機(jī)組載荷。在停機(jī)狀態(tài)下，為了確保葉片不被風(fēng)吹動變槳，在變槳驅(qū)動電氣末端安裝了電磁抱閘裝置，同時在輪轂內(nèi)設(shè)計有手動鎖定裝置，當(dāng)維護(hù)人員在輪轂內(nèi)進(jìn)行部分工況作業(yè)時，可以將葉片進(jìn)行鎖定，防止發(fā)生變槳動作[2]。極端風(fēng)速作用在風(fēng)電機(jī)組上的風(fēng)載荷與風(fēng)速平方成正比，當(dāng)它大于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計值時，結(jié)構(gòu)材料發(fā)生屈服破壞[3]。因臺風(fēng)造成的風(fēng)機(jī)倒塔事件后果損失嚴(yán)重。在極端惡劣風(fēng)況下變槳電磁抱閘制動不足以提供穩(wěn)定變槳軸承的作用需要配合額外的葉片鎖定裝置進(jìn)行聯(lián)合鎖定，防止機(jī)組出現(xiàn)飛車現(xiàn)象，提高機(jī)組穩(wěn)定性。變槳系統(tǒng)的載荷分析坐標(biāo)系同輪轂坐標(biāo)系一致。

基于以上原理亟需開發(fā)一套可以遠(yuǎn)程控制的葉片鎖定裝置，承受葉根載荷，防止機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下出現(xiàn)葉片轉(zhuǎn)動，機(jī)組飛車的狀況出現(xiàn)。

3 實現(xiàn)方法

采用穩(wěn)定的鎖定銷結(jié)構(gòu)，增加工業(yè)電動推桿進(jìn)行驅(qū)動，主控系統(tǒng)對電動推桿進(jìn)行供電和控制，實現(xiàn)葉片自動鎖定。

在輪轂上增加鎖定裝置，在輪轂內(nèi)加裝電控柜，電控柜內(nèi)配有控制器。主控控制系統(tǒng)與電控柜之間以通訊方式實現(xiàn)對葉片鎖推桿電機(jī)的控制及反饋，通訊方式可根據(jù)實際機(jī)組進(jìn)行不同配置，現(xiàn)主流風(fēng)機(jī)通訊使用CAN，PROFIBUS 等。見圖1。

圖1 功能框圖

控制方法1：葉片鎖控制器做為風(fēng)機(jī)主控的子站進(jìn)行控制。

控制方法2：葉片鎖控制器控制獨立于風(fēng)機(jī)主控，在中控室監(jiān)控后臺與風(fēng)機(jī)主控進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。機(jī)艙柜和塔基柜新增工業(yè)交換機(jī)，兩個交換機(jī)利用當(dāng)前機(jī)艙塔基的備用光纖連接，塔基交換機(jī)單模接口連接至風(fēng)電機(jī)組的已有環(huán)網(wǎng)交換機(jī)上。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控頁面可通過【全選】和【全取消】按鈕實現(xiàn)風(fēng)場內(nèi)風(fēng)機(jī)的批量葉片鎖定。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控頁面通過逐臺點擊風(fēng)機(jī)選中的復(fù)選框進(jìn)行單臺或多臺選取。

綜上所述兩種控制方法均可，第一種方式，改動最小，成本節(jié)省，但是實現(xiàn)的時候需要根據(jù)不同機(jī)型進(jìn)行定制化設(shè)計，第二種方式，成本高，安裝較困難，但是不同機(jī)型適用性較好。

4 機(jī)械鎖葉片鎖原理

早期機(jī)組采用機(jī)械葉片鎖定裝置，分為鎖定葉片螺栓和鎖定軸承齒兩種方式。

4.1 鎖定葉片螺栓方式

把葉鎖定裝置用螺栓連接在輪轂上，卡住變槳軸承與葉片連接螺栓，用以固定葉片，防止其意外旋轉(zhuǎn)[4]。葉片鎖定裝置有1 個或者多個U 形口可以卡住葉根螺栓，鎖定座需與輪轂連接，借用輪轂上預(yù)留的安裝孔進(jìn)行鎖定塊的安裝。在安裝時需協(xié)調(diào)葉根螺栓及鎖定座的位置。1 臺風(fēng)機(jī)可使用一套或一套以上葉片鎖定裝置，待使用完成后需要將葉根螺栓與鎖定塊連接部位拆除，雖然增加了機(jī)組安全性，但是使用時需要反復(fù)拆裝，費時費力，且由于不同機(jī)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，變槳軸承和葉片連接螺栓的數(shù)量和分布往往也不同，因此現(xiàn)有的葉片鎖定裝置通用性不強(qiáng)。具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 機(jī)械葉片鎖定裝置示意1

4.2 鎖定軸承齒方式

機(jī)組正常運行時，葉片鎖定裝置與輪轂連接緊固，鎖定柱體與變槳軸承保持一定間隙。運維或者臺風(fēng)季來臨，需要維護(hù)人員登塔，將葉片鎖定裝置緊固螺栓松開，向變槳軸承內(nèi)齒方向推動鎖定裝置，直到鎖定柱體與變槳軸承齒嚙合，此時再緊固葉片鎖定裝置與輪轂連接螺栓，若變槳軸承齒與鎖定裝置不對中，需先進(jìn)行變槳調(diào)節(jié)變槳軸承內(nèi)齒與鎖定裝置對中。具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 機(jī)械葉片鎖定裝置示意2

由于卡葉片螺母式葉片鎖定裝置受螺母與螺母之間的間隙影響很大，所以，對于葉片固定螺栓很多的情況下，卡葉片螺母式葉片鎖定裝置將不再適用（因為頂板螺母卡槽板厚太薄）卡變槳軸承內(nèi)齒圈式葉片鎖定裝置適用性更好[5]。

5 遠(yuǎn)程葉片自動鎖原理

5.1 裝置結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程葉片鎖裝置分為3 個單元和機(jī)構(gòu)：鎖定機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制單元。

鎖定機(jī)構(gòu)：鎖定擋塊與變槳軸承固定，鎖定銷支座與輪轂固定，葉片鎖定銷在鎖定銷支座的銷孔中伸出和縮回，通過卡入鎖定擋塊銷孔中進(jìn)行鎖定。

驅(qū)動機(jī)構(gòu)：采用輕型電動推桿驅(qū)動，24 V 電源電壓，<0.3 A 電流，通電即動作，斷電即停止且能自鎖，電動推桿自帶位置傳感器，反饋位置檢測信號。

控制單元：變槳系統(tǒng)經(jīng)由控制箱給電動推桿供電和信號控制，控制箱經(jīng)由滑環(huán)與主控系統(tǒng)連接實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

5.2 設(shè)計依據(jù)

按變槳驅(qū)動電磁抱閘失效工況載荷進(jìn)行設(shè)計，葉片鎖定裝置強(qiáng)度上可滿足極端工況條件下強(qiáng)度要求。

自動葉片鎖定裝置只能在91°順槳位置鎖定，正常運行時的電動推桿異常伸出不會引起安全問題；電動推桿損壞可以通過人工手動操作退回。

電動推桿帶自鎖功能，自鎖力矩是額定力矩的1.2 倍，鎖定狀態(tài)電動推桿斷電也能保持鎖定不退回。

電動推桿自帶位置檢測信號，通過主控控制策略保證葉片自動鎖定裝置運行安全性。

5.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹

葉片鎖裝置如圖4 所示。后端板與鎖定銷支座采用螺栓連接，方便維護(hù)。

圖4 葉片鎖裝置結(jié)構(gòu)示意

葉片鎖定銷由鎖定銷支座支撐，由電動推桿驅(qū)動進(jìn)行伸出和縮回，實現(xiàn)葉片鎖定和解鎖。

電動推桿前、后端采用銷軸與鎖定銷和螺紋推桿進(jìn)行連接。

通過螺紋推桿上螺母驅(qū)動螺紋推桿，可以推動電動推桿和鎖定銷整體移動，實現(xiàn)手動鎖定葉片。

5.4 電氣結(jié)構(gòu)介紹

增加配電柜?？晒?jié)約整改時間，減少現(xiàn)場整改所需的器件安裝步驟及部分接線。

配電柜內(nèi)包括開關(guān)電源、防雷端子、空開、接線端子等主要部件。

將經(jīng)過滑環(huán)的控制信號，從變槳中控箱接至配電柜內(nèi)。再從配電柜內(nèi)將控制信號分別接入三個葉片鎖定電機(jī)。

將葉片鎖定反饋狀態(tài)信號接入至配電柜內(nèi)的控制模塊。配合風(fēng)機(jī)主控程序更改實現(xiàn)葉片鎖定功能。

6 葉片遠(yuǎn)程自動鎖應(yīng)用案例

案例為一款在役的2MW 機(jī)組，對其進(jìn)行葉片自動鎖改造，可在中控室實現(xiàn)批量鎖定和單臺單支葉片鎖定。具體實施過程如下。

6.1 葉片自動鎖裝置安裝

拆下原手動鎖借用原手動鎖安裝位置進(jìn)行葉片自動鎖裝置安裝。

6.2 電氣改造

在輪轂內(nèi)部合適位置安裝電控柜。主控控制輸出兩路DO 信號，葉片鎖定銷伸出信號和葉片鎖定銷縮回信號。

兩路控制信號由主控發(fā)出，通過硬接線，經(jīng)過滑環(huán)送至配電柜后，分別送至三個鎖定電機(jī)。三個葉片的葉片鎖定反饋信號送至變槳控制模塊，再通過變槳通訊以告警形式傳回至主控。

6.3 遠(yuǎn)程控制設(shè)置

遠(yuǎn)程控制設(shè)置：在監(jiān)控客戶端界面內(nèi)為葉片鎖設(shè)置獨立的顯示控制界面，方便全場機(jī)組批量或單機(jī)機(jī)組葉片鎖的操控。如圖5 SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)集成的葉片鎖主界面。

圖5 SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)集成的葉片鎖主界面

結(jié)束語

本文基于對風(fēng)電機(jī)組對葉片鎖定的智能化需求，通過軟硬件結(jié)合的方式開發(fā)一套完整的遠(yuǎn)程控制的葉片智能鎖裝置?？纱蟠筇岣攥F(xiàn)場機(jī)組鎖定的效率增加發(fā)電量，同時增加機(jī)組的安全性。

本方案采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鎖定銷結(jié)構(gòu)，增加工業(yè)電動推桿進(jìn)行驅(qū)動，主控及變槳系統(tǒng)對電動推桿進(jìn)行供電和控制，實現(xiàn)葉片自動鎖定。

變槳軸承葉根位置增加單獨的鎖定擋塊，用葉根螺栓進(jìn)行固定，用于自動裝置的鎖定。實現(xiàn)自動鎖定裝置只能在順槳位置進(jìn)行鎖定，在其他位置及時鎖定銷異常伸出也不能鎖定葉片，降低雷電引起電動推桿誤動作帶來的風(fēng)險。

自動葉片鎖定裝置可通過遠(yuǎn)程控制操作，在控制界面觸發(fā)控制信號，三個葉片的鎖定裝置同時動作，啟動后需確認(rèn)變槳角度位于設(shè)定角度且收到鎖定到位信號才能確定鎖定到位；如出現(xiàn)異常不能鎖定，需要維護(hù)人員登塔進(jìn)行手動鎖定。

自動葉片鎖定裝置增加手動鎖定功能，在電動裝置故障時，可以人工手動鎖定葉片。