風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

唐嘉

（大唐華銀（湖南）新能源有限公司，湖南 長沙 410000）

針對風(fēng)機(jī)的變槳系統(tǒng)而言，其不僅是風(fēng)電機(jī)組的核心制動設(shè)備，同時還是吸收風(fēng)能的重要部件，能實(shí)現(xiàn)氣動剎車及調(diào)節(jié)風(fēng)輪輸入功率等功能，因而能夠為風(fēng)電機(jī)組高效、可靠運(yùn)行提供切實(shí)保障。但在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行過程中，變槳系統(tǒng)也是出現(xiàn)故障最多的電子器件。電動變槳距機(jī)組內(nèi)部配套的變槳控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有伺服機(jī)構(gòu)、變槳控制器、后備電源及位置反饋傳感器等。本文就此系統(tǒng)的具體優(yōu)化設(shè)計策略作一探討。

1 變槳系統(tǒng)的基本構(gòu)成

通常來講，變槳系統(tǒng)主要有如下構(gòu)成：直流電機(jī)3臺，電池柜3個，軸控制柜3個，中心控制柜1個，以及其它附件。在中心控制柜中，其主要集成了充電器、變槳控制器以及能夠?qū)崿F(xiàn)變槳控制器功能的繼電器與輔助接觸器等。而在整個軸控制柜當(dāng)中，則主要集成了伺服驅(qū)動器及能夠?qū)λ欧C(jī)構(gòu)進(jìn)行有效控制的繼電器與輔助接觸器。而在電池柜當(dāng)中，則為一電池組，由閥控式鉛酸蓄電池（12V）組成，共計24塊，全密封設(shè)計，因而能夠避免出現(xiàn)漏酸情況，防止腐蝕設(shè)備與污染環(huán)境，此外，還專門安裝有風(fēng)扇、加熱器，能夠使電池溫度始終維持在合理范圍內(nèi)。針對編碼器、電池柜、中控柜、變槳電機(jī)、軸控柜間的連接而言，則由所設(shè)置的電纜來實(shí)現(xiàn)，而滑環(huán)負(fù)責(zé)機(jī)艙控制系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)間的連接。通過機(jī)艙主控制器與滑環(huán)之間的連接，能使變槳中控柜根據(jù)實(shí)際需要，從風(fēng)機(jī)機(jī)艙控制系統(tǒng)中得到控制信號，或是得電，而對于滑環(huán)來講，則借助于滑道與刷針的接觸，來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的傳遞，以及動力電源的傳送，其包含15路24V信號電路、400V主電源、串口通訊線路與230V不間斷后備電源。

2 變槳系統(tǒng)工作的原理

針對變槳系統(tǒng)而言，其核心功能有二，其一為安全停機(jī)，其二為調(diào)節(jié)功率，如果處于調(diào)節(jié)功率模式，則其基本的工作原理是：機(jī)艙主控制器依據(jù)當(dāng)前的實(shí)際風(fēng)速，并與機(jī)組設(shè)定轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速之間所存在的差值相結(jié)合，通過系統(tǒng)化的PI計算，便能得到準(zhǔn)確的變槳角度設(shè)定值，另外，還能借助于串口通訊線，向變槳控制器傳送相關(guān)變槳指令，當(dāng)變槳控制器對相關(guān)設(shè)定值予以接收后，結(jié)合編碼器，實(shí)時反饋角度，通過PI計算，得到變槳速度設(shè)定值，結(jié)合A編碼器反饋?zhàn)儤俣?，通過PI計算得到變槳驅(qū)動電壓，如此一來，便能夠獲得一個典型的閉環(huán)控制，以此來最大程度保障系統(tǒng)控制的有效性、可靠性與穩(wěn)定性；此外，將1個冗余B編碼器設(shè)置在槳葉的旋轉(zhuǎn)回路上，并把它當(dāng)作備用的旋轉(zhuǎn)角度測量；基于此模式下，編碼器、變槳驅(qū)動器、變槳控制器與變槳電機(jī)便組成了一個高性能的位置隨動控制系統(tǒng)，然后以SSI串行通訊的方式，利用A編碼器把絕對式編碼器所測得的位置信號，以一種合理方式持續(xù)傳送至變槳控制器；此外，還能以正余弦信號方式，持續(xù)向變槳驅(qū)動器傳送旋變所測得的角度信號，且將電機(jī)速度計算出來，作為系統(tǒng)的反饋形成閉環(huán)控制；針對整個控制器來講，均選用的是PI控制。對于B編碼器而言，則將其當(dāng)作位置信號的相應(yīng)冗余反饋，通過修改參數(shù)，來選擇將B或者A作為主反饋。

如果是處于一種安全停機(jī)模式下，那么其工作原理是：如果在一種緊急情況下，比如系統(tǒng)電源斷電、電網(wǎng)故障或是超過安全風(fēng)速等，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前情況，會以一種自動方式，切換至更加安全的后備蓄電池供電模式，此時，動力則由蓄電池提供，且還能控制電流，確保風(fēng)機(jī)可以安全且及時地回槳，如果發(fā)生緊急停機(jī)情況，或者是極端風(fēng)況時，此時的變槳控制系統(tǒng)便會立刻將與外部系統(tǒng)連接的電源斷開，從之前的自動模式向蓄電池供電回槳模式轉(zhuǎn)換，這樣一來，便能夠讓葉片轉(zhuǎn)至風(fēng)機(jī)事先設(shè)定的安全位置上（91°）。如果葉片已經(jīng)回至安全位置，則借助于91°位置處所安裝的限位開關(guān)，將蓄電池供電予以中斷，達(dá)到事先緊急變槳的目的。針對三支葉片來講，由于受各電機(jī)與伺服控制，如果其中的一支葉片控制發(fā)生故障，且對其它兩支葉片變槳工作不會造成影響，則能夠為整個系統(tǒng)的可靠性與安全性，提供切實(shí)保障。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 變槳系統(tǒng)后備電源的優(yōu)化

（1）關(guān)于蓄電池電壓監(jiān)控的優(yōu)化。為了能夠最大程度優(yōu)化蓄電池電壓監(jiān)控，需進(jìn)行如下測算：其一，通過利用BLADED軟件進(jìn)行仿真，獲得實(shí)際載荷，機(jī)組順槳一次所需要的變槳能量是55619.1J。針對順槳來講，其所需時間一般為13s。因此，電機(jī)順槳所需能量：55619.1J/0.85（電機(jī)效率）×0.9（機(jī)械傳動效率），即72704J。所以電池在13s內(nèi)，需要提供＞72704J的能量。其二，依據(jù)風(fēng)機(jī)的總體設(shè)計要求，如果是順槳，那么對于變槳系統(tǒng)而言，則需提供的順槳速度為7°/s。由于變槳電機(jī)實(shí)為一種直流電機(jī)，因此，電機(jī)電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間便呈現(xiàn)正比關(guān)系，而電機(jī)電流與電機(jī)扭矩之間則呈正比關(guān)系。電機(jī)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)矩為24Nm，額定電流、電壓、轉(zhuǎn)速分別為30A、250VDC、2410RPM。依據(jù)相關(guān)條件，且與變槳系統(tǒng)相結(jié)合，得知總傳動比是1704，當(dāng)處于順槳狀態(tài)時，槳電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速需達(dá)到1989RPM，與之相對應(yīng)的工作電壓是205VDC。

（2）充電器報警的監(jiān)控優(yōu)化。針對充電器內(nèi)部來講，因其所選用的蓄電池，在具體的電壓采樣電阻方面，容易出現(xiàn)損傷，且自身并不存在太大優(yōu)化價值，因此，可采取如下方式實(shí)施優(yōu)化：首先，將報警回路安裝在硬件上，目的在于借助日常風(fēng)機(jī)蓄電池，當(dāng)其處于正常工作狀態(tài)時，其會有浮充狀態(tài)的基本特性，把充電器所輸出的相應(yīng)電流，持續(xù)傳輸至單相電流檢測模塊當(dāng)中；其次，為使充電回路始終保持較好的穩(wěn)定性與可靠性，在軟件上，實(shí)現(xiàn)自檢充電器，針對軟件與硬件，達(dá)成雙冗余保護(hù)，優(yōu)化方案就是將一個周期性檢測子程序加入到軟件中，以此來更好的監(jiān)測充電器斷線情況，也就是針對變槳控制器，在每日12點(diǎn)時，或者是在每次回槳到指定的限位開關(guān)時，對變槳充電器開展1次斷線檢測，時間為1min。

3.2 編碼器的優(yōu)化

（1）針對電子式計圈編碼器而言，由于其內(nèi)部的電路、電子器件有著比較弱的電路抗沖擊能力，而對于那些采用機(jī)械式的計圈編碼器來講，其所選用的是齒輪結(jié)構(gòu)來計數(shù)，當(dāng)處于失電狀態(tài)時，不會出現(xiàn)角度丟失的情況；此外，外部電源也不會對其造成太大影響，因此，從根本上來講，在實(shí)際選型與使用中，可選用機(jī)械式的計圈絕對式編碼器。

（2）對于采用電子式的計圈編碼器而言，其在具體的計圈上，容易受到外界環(huán)境的干擾，把內(nèi)部電子的輸出報警當(dāng)作數(shù)字輸入報警點(diǎn)，劃歸至變槳控制器的指定端口，除此之外，還需要對槳通訊協(xié)議進(jìn)行修改，將報警信息加入到數(shù)據(jù)幀當(dāng)中；還需指出的是，針對編碼器內(nèi)部，還需專門且重新設(shè)計PCB電路，主要是將抗干擾電容設(shè)置在芯片2、4管腳上。

在具體的軟件方面，可采取如下優(yōu)化措施：

（1）針對上述（1），為了能夠使變槳控制器在兼容性與開放性方面得到強(qiáng)化，且最大程度滿足數(shù)據(jù)傳輸在精確度方面的要求，在軟件功能上，將同步時鐘校準(zhǔn)機(jī)制取消，改變?yōu)樵诟鞔螖?shù)據(jù)傳輸過程中，專門針對單次通訊實(shí)施校驗，也就是在對應(yīng)的變槳通訊協(xié)議中，或者是在編碼器中，修改傳輸數(shù)據(jù)的格式，將單次數(shù)據(jù)傳輸CRC校驗碼引入其中，用于時鐘校準(zhǔn)的替換，如果經(jīng)CRC校驗，并且沒有通過，那么此時的編碼器時鐘，便會根據(jù)實(shí)際情況重新發(fā)送，數(shù)據(jù)此時也會再次輸出。

（2）針對上述（2），在進(jìn)行采樣時，可采用新的算法，用于技術(shù)是否加1進(jìn)行判斷，具體為：將消抖濾波功能加入到編碼器的內(nèi)部芯片軟件當(dāng)中，準(zhǔn)確來講，就是加入到采樣功能段內(nèi)，具體做法就是專門設(shè)置1個濾波計數(shù)器，把每次的采樣值對比于現(xiàn)階段的有效值；當(dāng)處于初始化狀態(tài)時，把輸入信號設(shè)置成兩個狀態(tài)，即“0”與“1”，對一個采樣存儲器進(jìn)行初始化操作，保存采樣值。若采樣值狀態(tài)不變，則將計數(shù)器清零；若發(fā)生改變，則那么計數(shù)器加1，且對計數(shù)器是否≥上限N進(jìn)行判斷，如果沒有達(dá)到，則默認(rèn)維持原狀。

4 結(jié)語

綜上，在世界各國的未來能源戰(zhàn)略架構(gòu)中，可再生能源作為重要發(fā)展方向，受到各國的高度重視，且其作用日益突出，其中占據(jù)絕對優(yōu)勢的便是風(fēng)能。在我國，伴隨國家對新能源的日益支持，其在我國的整體裝機(jī)容量呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢。因此，需注重風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建設(shè)與維護(hù)工作，尤其是其中的變槳系統(tǒng)，時刻對其進(jìn)行全面升級與優(yōu)化，切實(shí)發(fā)揮其效能，推動整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)。