風電機組偏航平臺實驗設計與實現探討

武鵬，杜春峰，程海龍

（河北新天科創新能源技術有限公司，河北 張家口 075000）

1 引言

偏航系統作用在于當風速矢量的方向變化時，能夠快速平穩地對準風向，以便風輪獲得最大的風能。開發風電機組偏航平臺，可以讓學員深入了解偏航系統原理，熟悉和掌握偏航系統部件與功能，獨立自主地完成系統調試與測試，使其具備解決常見運行故障的能力。

2 偏航平臺控制原理

偏航控制系統執行部件包括驅動裝置、偏航電機等。實際應用中，主控系統發出命令控制驅動裝置運行。本平臺為模擬實際工況，利用倍福控制單元接收偏航系統外部輸入，進行邏輯運算和處理后，控制偏航系統執行機構。人機界面可用于用戶系統設定、參數設定、啟停、上下限等設置，具體見圖1所示。

圖1 偏航實訓平臺總體設計框圖

3 偏航系統方案設計

3.1 偏航實訓臺

操作臺作為偏航系統的控制中心，實驗和培訓都通過該操作臺來完成，設置為手動、自動兩種偏航方式，自動方式由HMI進行控制，偏航電機由皮帶輪與齒輪盤進行連接，電

機運轉驅動齒輪盤運行。風向標安裝于齒輪盤上，風向標的偏向會以模擬信號的形式反饋到PLC控制器。齒輪盤的鐵齒上裝有定位孔，齒輪盤安裝平臺附近裝有定位傳感器，齒輪盤每轉動一個位置，定位傳感器可以感應到轉過的齒數，并將齒輪盤的位置反饋至模擬量輸入模塊。控制器根據風向標指示的位置和當前齒輪盤的位置做運算，得出運行方向，并按一定速度指示偏航驅動器運行，當齒輪盤的位置到達風向標指示位置，停止運行，完成風向跟蹤，偏航實訓臺具體設計如圖2所示。

圖2 偏航實訓臺設計圖

3.2 平臺設計思路

偏航系統一般包括感應風向的風向標、偏航電機、偏航行星齒輪減速器、偏航制動器（偏航阻尼或偏航卡鉗）、回轉體大齒輪等。本實驗平臺采用變頻器驅動偏航電機，電機通過傳動機構帶動齒輪盤旋轉，齒輪盤上的風向標模擬對風角度。為實現偏航系統諸多功能，通過PLC控制器來實現偏航系統的邏輯控制。

（1）輸入信號。平臺的控制柜的輸入包括：左/右偏航、自動/手動切換、極限位置等按鈕；人機界面上可設置菜單；風向標、解纜信號、測速信號等直接輸入PLC相應模塊。如圖3所示。

圖3 控制器輸入信號

（2）驅動裝置。偏航電機的驅動早期有采樣直接啟動的控制方式，由于直接啟動電機電流大、沖擊強，有方案提出用軟啟動器作為偏航電機控制器。軟啟動器也存在不能調速，無法穩定控制電機力矩等缺點。為消除偏航系統存在缺陷，平臺選用變頻器啟動偏航電機，并根據偏航電機容量，對變頻器進行選型，利用變頻器輸出力矩可控、輸出電壓頻率可調、負載大小任意調節等優勢，保持轉矩輸出穩定，實現偏航系統性能優化提升。

（3）控制單元。由于偏航系統的邏輯控制復雜，輸入信號較多，信號種類也很多。利用PLC邏輯控制器來模擬偏航系統輸入信號處理較為方便。控制單元實現的功能包括但不限于：與觸摸屏通信、數字量輸入信號處理、數字量輸出信號處理、模擬量輸入、模擬量輸出等。端子排布順序和位置如表1所示。

表1

4 偏航平臺功能模擬設計

4.1 對風實驗

在實驗臺HMI中點擊啟動，觸摸屏界面中會顯示機艙角度、風向角度和偏差角，并對運行數據進行記錄，選取風速給定模式和風況，當偏差角度低于目前風況條件下偏航角度，會保持在偏航待機狀態。利用HMI界面或風向旋鈕給定風向值，偏差角度超過目前風況條件下自動偏航角度設定值，偏航系統啟動10s后進入到順、逆時針自動對風狀態。如果偏差角不超過目前風況條件下停止偏航角度，系統會停止順、逆時針自動對風，然后進入到待機狀態。

4.2 自動偏航與手動偏航

自動偏航是根據風速、平均風速等觀察25s偏航角度絕對值和偏航限定位置的關系，判斷是否滿足自動偏航要求。偏航系統故障，10s內平均風速小于3m/s或者大于25m/s時禁止自動偏航。緊急停機和安全鏈停機執行失敗后觸發故障緊急停機超時，進行90°偏航。未觸發更高級別偏航程序的故障代碼基礎上，通過人機界面或者開關手動偏航。

4.3 偏航穿越

偏航在堵轉的時候會經過一段時間的堵轉大電流，在此期間電流大而發熱，斷路器在接收到回路中的熱量后會判斷此電流可以維持多長時間后脫扣（大約10s中會脫扣）根據此特性，在偏航中做程序優化，時刻檢測偏航啟動時的速度，在偏航啟動中，如果啟動的速度在很長時間中啟動不起來，就判定堵轉。堵轉后將偏航停止。穿越的過程中進行計數，連續計數3次報速度低故障，會跳偏航馬達故障提醒維護人員進行上機檢查。

4.4 偏航解纜

點擊HMI中“開始解纜”按鈕，偏航系統自動向逆時針方向解纜，解纜狀態指示燈被點亮。機艙角度臨近0°時不再進行解纜。在風機停機模式下，通過手動調節開關，啟動一級解纜二級解纜，HMI界面可實時顯示偏航扭纜位置絕對值和偏航解纜位置設定值。

4.5 傳感實驗

在上電后3s時間內，采用電位計對模擬信號接收橫塊提供4～20mA電流信號，系統會自動記錄目前機艙初始位置。經過3s的延時以后，由接近開關狀態改變情況計算出偏航條件下機艙位置，記錄電位器旋轉角度、接近開關變化情況、機艙偏航角度、模擬量數值。

4.6 限位器

采用手動調試的方式，確定出正北限位信號、左（右）極限限位信號。實驗平臺外齒圈和行程限位器齒輪比如果對應設定值，則對左（右）極限信號進行定義，小齒輪向對應方向旋轉足夠圈數。

4.7 偏航角度辨識

偏航風向標代表風向信號，其輸出為電壓或電流模擬信號，模擬信號的范圍代表偏航的角度，其對應關系通過 PLC算法實現。

5 結語

綜上所述，根據偏航系統的結構與功能設計出的風電機組偏航平臺，有著很強的仿真與技能培訓能力，操作起來十分簡便，通過系統的培訓可以提高學員對偏航系統的認識，掌握內部電氣元件原理與性能，可以有效提高作業人員的實踐能力。可以根據實驗平臺制定出風電機組維修保養計劃，對減少機組運行成本發揮著重要作用。