风电机组偏航系统实验平台

邢作霞, 项 尚, 徐 健, 赵清松

(1. 沈阳工业大学 电气工程学院, 辽宁 沈阳 110870;2. 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院, 辽宁 沈阳 110000)

随着风力发电技术的迅速发展,对于风电机组的要求不断提高,不仅要求其能够发电,还要求保证发电质量和风电机组的稳定性。由于风无时无刻都处于变化状态且具有随机性强、密度低、不平稳等特性[1],因此在风电机组运行时想要最大程度捕获风能,就必须提高偏航系统的控制精度。偏航系统是水平轴式风电机组不可缺少的部分,使风电机组运行时风力机正对风的来流方向,提高风能利用系数,降低发电成本,并且有效地保护风电机组的安全[2-5]。国内偏航系统限于理论研究,实验平台相对较少,不能满足学生对风力发电技术的学习。

目前,创新已经成为全社会的共识,特别是教育、教学创新实践已经成为自觉活动[6-8]。考虑到偏航系统对风电机组的重要性,学生有必要掌握偏航系统的机械结构和电气控制逻辑。本文搭建了基于偏航控制系统的实验平台,为学生创造一个能够了解偏航控制系统的环境,对风力发电事业的发展具有重要的作用。

1 偏航系统总体结构设计

偏航系统一般分为主动偏航形式和被动偏航形式,被动偏航形式依靠风力作为机舱偏航的动力,主动偏航形式依靠偏航驱动电机作为动力[9-11]。本文采取主动偏航方式,系统结构框图见图1。在进行偏航实验时,风力信号转换为电信号,并传输给偏航控制器,偏航控制器控制变频器，驱动偏航电机，偏航电机带动机舱旋转。偏航过程中系统备压偏航,即液压站的液压油进入液压油缸,减小偏航系统压力,防止偏航电机旋转过程中冲击载荷对偏航轴承的破坏;偏航结束后液压站提高偏航系统压力,保护偏航系统安全。

图1 偏航系统框图

2 偏航系统结构

本偏航系统可用于风电类企业和学校培训使用,可实现液压站、液压制动器、偏航电机、偏航轴承、偏航位置传感器、偏航传感器及控制系统的实际操作培训。为便于学生对偏航系统的学习和使用,把实验平台分为偏航实训台和偏航操作台。偏航实训台可让学生充分地了解偏航机械结构,偏航操作台可让学生掌握偏航系统控制逻辑。

2.1 偏航实训台

偏航实训台包括塔架、偏航轴承、偏航滑板、液压站、偏航电机、减速器、偏航位置传感器和压力传感器等组成。偏航实训台如图2所示。

图2 偏航实训台

液压站工作时电机带动油泵转动,泵将机械能转化为液压站的压力能,液压油实现了方向、压力、流量调节后经外接管路并至液压机械的油缸,从而控制偏航系统压力变化,为系统提供一定的偏航阻尼力矩。液压原理图如图3所示。若系统偏航时系统压力过大,液压油的流量需求减小,通过调节溢流阀可以改变液压油的流量,减小偏航压力。

图3 液压原理图

偏航位置传感器安装于偏航轴承外侧。机舱旋转过程中,偏航位置传感器内部齿轮转动,其旋转圈数转化为电信号，并传输给偏航控制器；偏航控制器根据该传感器传输的角度信号实现准确对风、解缆、顺风停机等功能。

2.2 偏航操作台

偏航操作台主要由可编程序控制器(programmable logic controller,PLC)、触摸屏、变频器及一些电子器件等构成。上位机采用北京昆仑通态触摸屏TPC1561Hi,主要实现系统的运行控制和状态反馈等功能。下位机采用西门子可编程序控制器。

偏航操作台是偏航系统的控制中心,偏航实验控制操作均在该操作台上执行,分为手动偏航和自动偏航两种模式,偏航过程中可观察相应的状态指示灯。

图4 偏航系统电气原理图

图4为偏航系统电气原理图,KM1和KM2为接触器,K1—K10为继电器。当系统上电之后,接触器KM1和KM2吸合，此时启动偏航系统,继电器K1—K10皆吸合。K2吸合后液压站供电,直到压力达到设定值,液压站停止供电。K3吸合,系统处于抱闸状态,保护风电机组的安全。K6、K7和K8吸合,则触摸屏和偏航控制器供电处于工作状态,上位机和下位机之间已经通信,可以通过上位机和操作台的按钮进行实验。

3 偏航控制系统实验项目

依托实验平台设计的实验项目有:偏航对风实验、限位器调试实验、液压刹车实验、偏航传感器实验、偏航解缆实验。

3.1 偏航对风实验

点击实验台上启动按钮,偏航系统启动,进入待机模式状态,观察触摸屏的机舱角度、风向角度及偏差角度并做记录,选择风速给定模式并选择风况,如果偏差角小于当前风况下自动偏航角度设定值时,偏航仿真系统维持待机状态。

通过触摸屏或风向旋钮给定风向值,如果此时偏差角度大于当前风况下自动偏航角度设定值时,系统启动倒计时，10 s后偏航系统进入顺、逆时针自动对风状态;当偏差角小于或等于当前风况下停止偏航角度设定值时,停止顺、逆时针对风,并进入待机状态。

3.2 偏航解缆实验

点击触摸屏的“顺时针自动偏航”按钮，将机舱角度偏航至顺时针软件极限位置(1.5圈),此时扭缆状态灯闪烁,机舱角已到达顺时针极限位置，扭缆保护并停止偏航。点击“开始解缆”按钮,系统自动向逆时针方向偏航进行解缆,解缆指示灯变为绿色。当机舱角度接近0°时停止解缆,实验结束。

3.3 液压刹车实验

偏航刹车实验：任意调节实验台上的风向旋钮,使偏航仿真模型进行偏航动作,此时偏航启动,首先偏航电机内置刹车打开,液压站的DT1电磁阀通电,松闸状态指示灯点亮,液压值瞬间降低至10×105Pa(10 bar)左右,系统延时200 ms启动偏航电机，开始偏航。观察液压站抱闸、松闸工作状态及液压值变化,并作记录。

解缆刹车实验：使其偏航仿真模型到达极限位置,等待系统进行自动解缆动作,解缆状态下,液压站DT2电磁阀通电,解缆刹车状态灯点亮,液压值降至5×105Pa(5 bar)左右。观察液压站解缆时工作状态及液压值变化,并作记录。

3.4 偏航传感器实验

关闭偏航仿真实验台电源开关,并重新上电,上电后系统在3 s内利用电位传感器输入的4～20 mA模拟量信号自动记录当前机舱初始位置;延时3 s后,机舱偏航位置将由AB接近开关的状态变化计算出偏航运行时的机舱位置,观察电位器角度、机舱角度、模拟量数值及AB接近开关的变化。

3.5 限位器调试实验

将偏航仿真模型上未接线的行程限位器拆卸,并进行手动调试,调试部分包括定义正北限位信号、右极限限位信号,左极限限位信号。偏航仿真系统的外齿圈与行程限位器的小齿轮的齿轮比为1∶6.5(即偏航外齿圈旋转一圈对应行程限位器的小齿轮6.5圈)那么当定义左右极限信号时,小齿轮应向对应方向旋转13圈。

4 实验流程和结果

偏航系统实验平台实验时可以调节的参数包括：

(1) 风速和风向(由操作台旋钮或触摸屏给定);

(2) 液压站压力保持(液压站压力上限和下限可以设定);

(3) 自动偏航角度。

本文实验平台模拟风电机组的偏航系统功能的实验流程图见图5。图6为偏航系统参数显示与修改设置参数界面,界面中提供了偏航仿真系统全部显示参数及可修改的参数,可根据不同需求设置风机当前风况,每种风况下对应的自动偏航角度与停止角度不同;也可手动任意调节风速,其他参数可根据不同的实验内容进行修改。

图5 实验流程图

5 结论

良好的实验装置是提高学生实践能力的重要保障。本文根据偏航系统的结构和功能,为学生设计了偏航系统实验平台。该平台具有功能强大、操作简便的优点,能够指导学生对偏航系统的学习。此外,本文所搭建的实验平台对风电场工作人员预先制订合理的维修保养计划、降低经济成本具有重要意义。

图6 参数显示与设置界面