趙亞亮 余 康 蘇 杰 羅冉冉

（1.華北電力大學，河北 保定 071003，2.北京華電天仁電力控制技術有限公司，北京 100085）

近年來，隨著全球面臨的資源枯竭和人類環(huán)保意識的增強，風能作為一種可再生、綠色能源越來越受到人們關注。在可再生新能源中，風力發(fā)電是世界上公認的最接近商業(yè)化的可再生能源技術，所以許多國家開始著手開發(fā)風能，風力發(fā)電已經發(fā)展成為一個比較成熟的產業(yè)[2]。伴隨著我國“十二五”計劃的出臺，我國風能開發(fā)利用進出了一個嶄新的階段。

變速變槳距風力發(fā)電機組成為大型風力發(fā)電機組研發(fā)和應用的主流機型。與定槳距風力發(fā)電機組相比，變槳距風力發(fā)電機組具有在額定功率點以上輸出功率平穩(wěn)、相同功率機組額定風速低、不受氣流密度變化等環(huán)境因素影響和良好的啟動和制動性能等優(yōu)點。變槳距風力機是指整個葉片繞葉片中心軸旋轉，使葉片功角在一定范圍內變化，以便調節(jié)輸出功率不超過設計容許的值。在機組出現故障時，需要緊急停機，一般應先使葉片順槳，這樣機組結構中受力小，可以保證機組運行的安全可靠性。本文依托華電天仁公司的變槳系統(tǒng)，對其進行了比較詳細的介紹。

1 變槳系統(tǒng)的功能原理

風電變槳控制系統(tǒng)是MW級以上風力發(fā)電機組控制和保護的重要裝置，是風機停機的主剎車系統(tǒng)。在風機啟動過程中，變槳系統(tǒng)控制槳葉的角度以實現風機依靠風力自行啟動；在風機正常運行過程中，變槳系統(tǒng)控制槳葉的角度以實現達到額定風速后風機維持滿負荷穩(wěn)定運行，不過載；在風機正?；蚓o急停機時，變槳系統(tǒng)控制槳葉轉到預定安全位置，實現空氣動力剎車，確保風機安全停運。該變槳系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 總體結構圖

包括三個相對獨立的變槳軸箱，分別編號為軸箱A、軸箱B和軸箱C，以及與各軸箱連接的伺服電機、位置傳感器和限位開關。每個軸箱單獨控制一個槳葉，軸箱與軸箱、軸箱與電機之間通過電纜連接。電機通過減速箱連接至槳葉法蘭齒輪。 電機減速齒輪和法蘭齒輪裝置為輪轂部件。

系統(tǒng)的原理結構如圖2所示。

圖2 原理結構圖

2 控制方案的設計

天仁 1.5G變槳系統(tǒng)采用三柜制設計理念,系統(tǒng)包括三個基本相同的控制柜，它采用了先進的交流伺服控制技術和超級電容電源后備技術，動態(tài)響應能力強，定位精度高，具有集成度高、可靠性高、壽命長、結構簡單、使用維護方便、環(huán)境適應能力強等特點。

2.1 安全鏈與EFC

風機的安全系統(tǒng)是失效-安全控制模式，由于獨立安全鏈的存在，不會導致任何葉片向小的槳距角方向變距或導致風機加速度旋轉[3]。所有的觸發(fā)停機的觸點都是串聯的。華電天仁風機安全鏈串入三個軸箱PLC OK 8K3觸點回路,當有故障發(fā)生時，安全鏈斷開，進入緊急模式；EFC緊急順槳信號分別接入三個軸箱的繼電器，當發(fā)生EFC時，繼電器失電，風機順槳。控制模式如圖3所示。

圖3 安全鏈

2.2 低電壓穿越

低電壓穿越就是指風力發(fā)電機的端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網而繼續(xù)維持運行,甚至還可為系統(tǒng)提供一定無功以幫助系統(tǒng)恢復電壓的能力。具有低電壓穿越能力的風力發(fā)電機可躲過保護動作時間,故障切除后恢復正常運行。這可大大減少風電機組在故障時反復并網次數,減少對電網的沖擊。

當變槳系統(tǒng)交流失電或故障時，整個變槳系統(tǒng)切為超級電容供電，8s后進入緊急模式，變槳系統(tǒng)順槳到安全位置。完全滿足低電壓穿越（LVRT）的要求。這種控制策略能使變槳系統(tǒng)實現低電壓穿越功能，維護電網安全穩(wěn)定運行。

3 校零與teach操作

3.1 校零

1）變槳系統(tǒng)正常上電，與風機主控通信正常后，將軸箱全切為手動模式。

2）在另外兩個槳葉在安全位置的前提下，將本槳葉手動操作至機械零位（葉片角度刻度尺指示在零度））。

3）編碼器校零短接，觀察當前 Pitch system 上槳葉角度值是否變?yōu)?0，如果是則校零成功，此時當前零位值會保存在碼盤中。

4）將本軸箱操作回 89°，觀察 95°撞鐵滑塊是否在 90°傳感器附近。重復以上操作將另外兩個槳葉校零。

由于零位值記錄在碼盤中，調試校零后，運行維護過程中，不需重新校零。 電機碼盤損壞的情況下，更換碼盤后電機對應的槳葉需要按上述步驟重新校零。

3.2 teach操作

1）將變槳系統(tǒng)三個軸箱都切為手動，以太網連接上 PLC，打開 Internet Explorer 瀏覽器。

2）點擊Positionteachdrive右側軟按鈕后，變槳先帶動葉片轉至92°，然后由92°開槳至-2°，在此過程中PLC分別記錄90°和 3°～5°傳感器對應的 Switchon和Switchoff值。接著變槳系統(tǒng)自動順槳回89°。

3）Teach完成后，點擊進入pitch system界面（詳見調試界面說明），觀察 sensor pos teached 狀態(tài)是否為 True,如為True則表示 Teach成功，Fasle表示失敗。通常Teach失敗是由于傳感器本身故障或安裝間距（指的是傳感器表面至滑塊表面的間距，通常要求3～5mm）過大導致Teach不成功。

4）按上述步驟完成其他兩軸的Teach操作。

4 結論

隨著不可再生資源的耗費過快以及為了更好的節(jié)能減排，低碳生活，新能源的開發(fā)利用顯得尤為重要。而風力發(fā)電已經成為發(fā)展最迅速、最有潛力的新能源之一，風電中變槳系統(tǒng)是風機能夠充分利用風能的重要組成部分。本文比較詳細的介紹了華電天仁的1.5GW變槳系統(tǒng)的原理和特點。該變槳系統(tǒng)具有完善的安全措施及操作功能，有著可靠性高、響應速度快、易于維護等優(yōu)點。

[1]葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術[M].北京∶機械工業(yè)出版社,2002.

[2]遲遠英,張少杰,李京文.國內外風電發(fā)展現狀[J].生產力研究,2008(18),75-76.

[3]徐興康,朱蘊,李新育.MW 級風機獨立安全鏈中基于FPGA的超速保護設計與實現[J].傳感器與檢測技術,2007,29(5),50-52.

[4]崔新維.風力發(fā)電技術基礎[M].北京∶科學技術出版社,2005,5.

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