淺談風(fēng)機(jī)變槳的新型通風(fēng)結(jié)構(gòu)

（國(guó)華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風(fēng)電有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市，015000）云再鵬

1 引言

風(fēng)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(jìn)工業(yè)現(xiàn)代化及環(huán)境保護(hù)的實(shí)現(xiàn)，不斷促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，風(fēng)能作為一種環(huán)保性較好的能源正越來(lái)越受到重視。所以大型風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)代化當(dāng)中的一個(gè)要點(diǎn)。而風(fēng)機(jī)變槳的新型通風(fēng)結(jié)構(gòu)的研發(fā)和電動(dòng)變槳技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，是改善大型發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行水平的一個(gè)重要方面。

2 風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的主要工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shuō)是大型風(fēng)電機(jī)組在控制當(dāng)中的最核心的部分，可看作是大型風(fēng)電機(jī)組的“變速箱”。小型的風(fēng)電機(jī)組并不需要變槳系統(tǒng)，但大型風(fēng)電系統(tǒng)卻離不開(kāi)變槳系統(tǒng)。它對(duì)于槳葉的精準(zhǔn)控制包括其常規(guī)動(dòng)作、緊急收槳等都具有不可替代的作用。

概括來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)速超出額定風(fēng)速時(shí),大型風(fēng)電機(jī)組通常采用變槳距的控制方式,通過(guò)調(diào)整葉片槳距角,改變氣流對(duì)葉片的攻角,從而改變風(fēng)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)對(duì)額定功率的穩(wěn)定追蹤[2]。

通過(guò)變槳系統(tǒng)，風(fēng)電機(jī)組可以在風(fēng)速較低時(shí)獲得電能。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，則截獲到固定大小的風(fēng)能。對(duì)槳距角進(jìn)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(guò)算法控制來(lái)對(duì)風(fēng)速及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)葉片槳距角隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時(shí)葉片槳距角會(huì)大幅度提升，使攻角進(jìn)行調(diào)整，誘導(dǎo)失速。

風(fēng)電機(jī)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(dòng)機(jī)在齒輪和帶齒傳動(dòng)帶的作用下來(lái)操控變槳。變槳系統(tǒng)的外側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)和其余部件，均位于輪轂之內(nèi)且隨輪轂進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的基本構(gòu)造

完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常由下列結(jié)構(gòu)組成：風(fēng)輪、變流器、偏航系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)主控制器、變槳控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、制動(dòng)器等。當(dāng)然也有的機(jī)組只設(shè)驅(qū)動(dòng)器而不設(shè)控制器。

這其中，最主要的部件在于前六者。幫助風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行運(yùn)作的輔助部件為偏航系統(tǒng)及制動(dòng)器。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由主控制器進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，對(duì)信息進(jìn)行采集，對(duì)不同槳葉需求的調(diào)節(jié)節(jié)距角度數(shù)，再下達(dá)一系列指令。變槳控制器接到指令后，便在伺服電機(jī)的作用下，使葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再基于風(fēng)能的動(dòng)態(tài)來(lái)對(duì)機(jī)組的功率輸出不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，可做到無(wú)故障狀態(tài)下的自動(dòng)進(jìn)行啟動(dòng)、對(duì)風(fēng)、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(jí)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行相應(yīng)級(jí)別的停機(jī)操作以確保其安全性。

另外，還可以通過(guò)主控制器，來(lái)進(jìn)行對(duì)變槳控制器的實(shí)時(shí)通訊、輸出及接收來(lái)自變槳執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性來(lái)看，由組成機(jī)組之構(gòu)造的不同部件的全部動(dòng)態(tài)特性組成。如風(fēng)輪的氣動(dòng)特性，以及傳遞系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性等組成。

4 電動(dòng)變槳技術(shù)的概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分為液壓變槳系統(tǒng)和電動(dòng)變槳系統(tǒng)兩種。雖然在現(xiàn)階段，二者并無(wú)絕對(duì)的優(yōu)劣之分。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，電動(dòng)變槳技術(shù)相對(duì)于液壓變槳系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。比如，其適應(yīng)能力較為理想、響應(yīng)周期較短、精度較好、構(gòu)造較為簡(jiǎn)潔、環(huán)保性好、維護(hù)成本較低等特點(diǎn)。所以近些年來(lái)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組當(dāng)中得到越發(fā)廣泛的普及。

4.1 電動(dòng)變槳系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

從電動(dòng)變槳系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)來(lái)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(gè)、軸控制箱及軸蓄電池箱各三個(gè)，還包括一些輔助元件如永磁直流伺服電機(jī)及配套件、9lo與950限位開(kāi)關(guān)、槳距角絕對(duì)編碼器、潤(rùn)油泵等。

4.2 變動(dòng)變槳設(shè)計(jì)的基本原則

首先需要注意安全性。因機(jī)組的變槳裝置是置于輪轂當(dāng)中的，處于比較惡劣的工作環(huán)境，需要隨時(shí)面對(duì)過(guò)高或過(guò)低的氣溫及較為潮濕或充滿沙塵的外界環(huán)境。同時(shí)，機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)、震動(dòng)或忽然間開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)，很容易給變槳裝置帶來(lái)沖擊。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須安裝在風(fēng)力資源比較豐富的地方，比如邊境地區(qū)或者海上。此時(shí)想要確保電網(wǎng)的安全性，機(jī)組必須采取分散式的布置，并做到無(wú)人值班，滿足聯(lián)系運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。此時(shí)對(duì)于變槳裝置的安全可靠方面都具有較高的需求。比如，當(dāng)風(fēng)速較高，而變槳距控制系統(tǒng)又因產(chǎn)生故障而無(wú)法進(jìn)行順槳時(shí)，就容易面臨系統(tǒng)失速的狀況，而容易引發(fā)傳動(dòng)設(shè)備的嚴(yán)重受損。而現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)的風(fēng)電控制系統(tǒng)，如變槳距控制系統(tǒng)等盡管也能夠進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，但在使用安全及可靠等性能方面，同進(jìn)口產(chǎn)品相比還是有不少差距的。很難整體進(jìn)行使用。為此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要注意把握住安全可靠這個(gè)原則。比如在數(shù)據(jù)采集、傳送、軟件設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)方面必須要加強(qiáng)把關(guān)。

注重加強(qiáng)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(fēng)機(jī)輪轂中，不但被大功率發(fā)電機(jī)及其變頻變流裝置產(chǎn)生的高壓交流電場(chǎng)、靜電場(chǎng)、電刷電弧、大功率開(kāi)關(guān)器件等工業(yè)干擾與微波通訊、無(wú)線電信號(hào)、雷達(dá)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(fēng)電控制系統(tǒng)的故障時(shí)有發(fā)生。因此，在變槳距控制系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)注重產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)與防雷設(shè)計(jì)，通過(guò)滑環(huán)交換的信號(hào)端口必須并裝防雷保護(hù)器件。

注重產(chǎn)品的維修性設(shè)計(jì)。變槳控制系統(tǒng)安裝在風(fēng)機(jī)輪轂中，工作時(shí)輪轂在高空與槳葉一起旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與維修環(huán)境條件苛刻。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)注重產(chǎn)品的維修性設(shè)計(jì)。

4.3 系統(tǒng)研發(fā)當(dāng)中的關(guān)鍵要素

系統(tǒng)研發(fā)當(dāng)中的關(guān)鍵要素在于下列幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、齒圈角位移及電機(jī)角速度、電機(jī)電樞電方面的電流調(diào)節(jié)環(huán)的調(diào)節(jié)算法。針對(duì)擬合外環(huán)及擬合內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)算法，前者需同時(shí)滿足機(jī)組功率的良好調(diào)節(jié)及避免機(jī)構(gòu)頻繁進(jìn)行動(dòng)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(yīng)周期，另一方面防止功率元件和電流過(guò)熱、設(shè)備發(fā)生多余的振動(dòng)和沖擊等。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)，是機(jī)組最為核心的部件。隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)其通風(fēng)結(jié)構(gòu)的要求也越來(lái)越高。為此，我們需要在技術(shù)研發(fā)上面進(jìn)一步取得突破，不斷引進(jìn)新的技術(shù)，開(kāi)發(fā)出新型的、滿足安全可靠和節(jié)能之原則的風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)。