风机变桨系统分析和研究

赵亚亮 余 康 苏 杰 罗冉冉

（1.华北电力大学，河北 保定 071003，2.北京华电天仁电力控制技术有限公司，北京 100085）

近年来，随着全球面临的资源枯竭和人类环保意识的增强，风能作为一种可再生、绿色能源越来越受到人们关注。在可再生新能源中，风力发电是世界上公认的最接近商业化的可再生能源技术，所以许多国家开始着手开发风能，风力发电已经发展成为一个比较成熟的产业[2]。伴随着我国“十二五”计划的出台，我国风能开发利用进出了一个崭新的阶段。

变速变桨距风力发电机组成为大型风力发电机组研发和应用的主流机型。与定桨距风力发电机组相比，变桨距风力发电机组具有在额定功率点以上输出功率平稳、相同功率机组额定风速低、不受气流密度变化等环境因素影响和良好的启动和制动性能等优点。变桨距风力机是指整个叶片绕叶片中心轴旋转，使叶片功角在一定范围内变化，以便调节输出功率不超过设计容许的值。在机组出现故障时，需要紧急停机，一般应先使叶片顺桨，这样机组结构中受力小，可以保证机组运行的安全可靠性。本文依托华电天仁公司的变桨系统，对其进行了比较详细的介绍。

1 变桨系统的功能原理

风电变桨控制系统是MW级以上风力发电机组控制和保护的重要装置，是风机停机的主刹车系统。在风机启动过程中，变桨系统控制桨叶的角度以实现风机依靠风力自行启动；在风机正常运行过程中，变桨系统控制桨叶的角度以实现达到额定风速后风机维持满负荷稳定运行，不过载；在风机正常或紧急停机时，变桨系统控制桨叶转到预定安全位置，实现空气动力刹车，确保风机安全停运。该变桨系统的总体结构如图1所示。

图1 总体结构图

包括三个相对独立的变桨轴箱，分别编号为轴箱A、轴箱B和轴箱C，以及与各轴箱连接的伺服电机、位置传感器和限位开关。每个轴箱单独控制一个桨叶，轴箱与轴箱、轴箱与电机之间通过电缆连接。电机通过减速箱连接至桨叶法兰齿轮。 电机减速齿轮和法兰齿轮装置为轮毂部件。

系统的原理结构如图2所示。

图2 原理结构图

2 控制方案的设计

天仁 1.5G变桨系统采用三柜制设计理念,系统包括三个基本相同的控制柜，它采用了先进的交流伺服控制技术和超级电容电源后备技术，动态响应能力强，定位精度高，具有集成度高、可靠性高、寿命长、结构简单、使用维护方便、环境适应能力强等特点。

2.1 安全链与EFC

风机的安全系统是失效-安全控制模式，由于独立安全链的存在，不会导致任何叶片向小的桨距角方向变距或导致风机加速度旋转[3]。所有的触发停机的触点都是串联的。华电天仁风机安全链串入三个轴箱PLC OK 8K3触点回路,当有故障发生时，安全链断开，进入紧急模式；EFC紧急顺桨信号分别接入三个轴箱的继电器，当发生EFC时，继电器失电，风机顺桨。控制模式如图3所示。

图3 安全链

2.2 低电压穿越

低电压穿越就是指风力发电机的端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行,甚至还可为系统提供一定无功以帮助系统恢复电压的能力。具有低电压穿越能力的风力发电机可躲过保护动作时间,故障切除后恢复正常运行。这可大大减少风电机组在故障时反复并网次数,减少对电网的冲击。

当变桨系统交流失电或故障时，整个变桨系统切为超级电容供电，8s后进入紧急模式，变桨系统顺桨到安全位置。完全满足低电压穿越（LVRT）的要求。这种控制策略能使变桨系统实现低电压穿越功能，维护电网安全稳定运行。

3 校零与teach操作

3.1 校零

1）变桨系统正常上电，与风机主控通信正常后，将轴箱全切为手动模式。

2）在另外两个桨叶在安全位置的前提下，将本桨叶手动操作至机械零位（叶片角度刻度尺指示在零度））。

3）编码器校零短接，观察当前 Pitch system 上桨叶角度值是否变为 0，如果是则校零成功，此时当前零位值会保存在码盘中。

4）将本轴箱操作回 89°，观察 95°撞铁滑块是否在 90°传感器附近。重复以上操作将另外两个桨叶校零。

由于零位值记录在码盘中，调试校零后，运行维护过程中，不需重新校零。 电机码盘损坏的情况下，更换码盘后电机对应的桨叶需要按上述步骤重新校零。

3.2 teach操作

1）将变桨系统三个轴箱都切为手动，以太网连接上 PLC，打开 Internet Explorer 浏览器。

2）点击Positionteachdrive右侧软按钮后，变桨先带动叶片转至92°，然后由92°开桨至-2°，在此过程中PLC分别记录90°和 3°～5°传感器对应的 Switchon和Switchoff值。接着变桨系统自动顺桨回89°。

3）Teach完成后，点击进入pitch system界面（详见调试界面说明），观察 sensor pos teached 状态是否为 True,如为True则表示 Teach成功，Fasle表示失败。通常Teach失败是由于传感器本身故障或安装间距（指的是传感器表面至滑块表面的间距，通常要求3～5mm）过大导致Teach不成功。

4）按上述步骤完成其他两轴的Teach操作。

4 结论

随着不可再生资源的耗费过快以及为了更好的节能减排，低碳生活，新能源的开发利用显得尤为重要。而风力发电已经成为发展最迅速、最有潜力的新能源之一，风电中变桨系统是风机能够充分利用风能的重要组成部分。本文比较详细的介绍了华电天仁的1.5GW变桨系统的原理和特点。该变桨系统具有完善的安全措施及操作功能，有着可靠性高、响应速度快、易于维护等优点。

[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京∶机械工业出版社,2002.

[2]迟远英,张少杰,李京文.国内外风电发展现状[J].生产力研究,2008(18),75-76.

[3]徐兴康,朱蕴,李新育.MW 级风机独立安全链中基于FPGA的超速保护设计与实现[J].传感器与检测技术,2007,29(5),50-52.

[4]崔新维.风力发电技术基础[M].北京∶科学技术出版社,2005,5.

[5]牛山泉.风电技术[M].北京∶科学出版社.2009,6.