汪志旭

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 上海 200233

1 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概述

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由恒速恒頻向變速恒頻發(fā)展,并由定槳距向變槳距發(fā)展。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能最大限度捕獲風(fēng)能,以輸出功率平穩(wěn)、機(jī)組受力小等優(yōu)點成為當(dāng)前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型[1]。

變槳距控制技術(shù)通過調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角來改變氣流對槳葉的攻角。當(dāng)風(fēng)力較大時,通過調(diào)節(jié)裝置使槳葉迎角減小。當(dāng)風(fēng)力較小時,通過調(diào)節(jié)裝置使槳葉迎角增大,從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出保持穩(wěn)定[2]。變槳距系統(tǒng)按控制動力可以分為兩類,一類是液壓變槳距系統(tǒng),另一類是電動變槳距系統(tǒng)[3]。

2 液壓變槳距系統(tǒng)

液壓變槳距系統(tǒng)采用機(jī)艙內(nèi)液壓泵站的液壓力作為原動力,通過輪轂內(nèi)的一套曲柄滑動機(jī)構(gòu)同步驅(qū)動三個槳葉,實現(xiàn)變槳距。液壓變槳距系統(tǒng)主要由變槳油缸、變槳連桿、變槳軸承、潤滑系統(tǒng)、支撐座、連接法蘭、油路分配閥組、蓄能器、變槳鎖、變槳控制柜等部件組成。機(jī)艙內(nèi)主控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速計算出槳葉的節(jié)距角,然后發(fā)出調(diào)節(jié)信號。輪轂內(nèi)變槳控制柜接收信號,執(zhí)行調(diào)節(jié)指令,液壓泵站啟動,變槳油缸內(nèi)的變槳連桿伸縮。變槳軸承外圈固定在輪轂上,內(nèi)圈在變槳連桿驅(qū)動下可繞變槳軸承中心旋轉(zhuǎn)。槳葉與變槳軸承內(nèi)圈法蘭孔連接,同步實現(xiàn)0°～90°角度變化。通過變槳油缸上設(shè)置的位移傳感器,進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié),實現(xiàn)槳葉位置的閉環(huán)控制,保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率平穩(wěn)。液壓變槳距系統(tǒng)還具備剎車制動功能。為提高順槳的速度,系統(tǒng)不僅引入差動回路,還利用蓄能器實現(xiàn)保壓。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或緊急斷電時,液壓泵停止工作,此時可由蓄能器提供油壓來使槳葉順槳,保證槳葉處在安全停機(jī)位置[3]。液壓變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 電動變槳距系統(tǒng)

電動變槳距系統(tǒng)采用輪轂內(nèi)變槳電機(jī)的轉(zhuǎn)動力作為原動力,通過輪轂內(nèi)的一套齒輪轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)同步驅(qū)動槳葉,實現(xiàn)變槳距。電動變槳距系統(tǒng)由變槳驅(qū)動電機(jī)、變槳驅(qū)動減速箱、變槳軸承、變槳鎖、潤滑系統(tǒng)、備用電源系統(tǒng)、變槳控制柜等部件組成。機(jī)艙內(nèi)主控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速計算出槳葉的節(jié)距角,然后發(fā)出調(diào)節(jié)信號。輪轂內(nèi)變槳控制柜接收信號,系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)節(jié)指令,變槳驅(qū)動電機(jī)啟動,帶動固定在輪轂腹板上的減速箱小齒輪旋轉(zhuǎn)。變槳軸承外圈固定在輪轂上,內(nèi)齒圈與減速箱小齒輪嚙合后可繞變槳軸承中心旋轉(zhuǎn)。槳葉與變槳軸承內(nèi)圈法蘭孔連接,同步實現(xiàn)0°～90°角度變化。通過輪轂腹板內(nèi)齒圈邊上設(shè)置的位移傳感器,進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié),實現(xiàn)槳葉位置閉環(huán)控制,保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率平穩(wěn)。電動變槳距系統(tǒng)還具備剎車制動功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或緊急斷電時,變槳驅(qū)動電機(jī)停止工作,此時可由備用電源提供電力,使槳葉順槳,保證槳葉處在安全停機(jī)位置[3]。電動變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,電動變槳距驅(qū)動機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖2 電動變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 電動變槳距驅(qū)動機(jī)構(gòu)

4 優(yōu)缺點比較

在液壓變槳距系統(tǒng)中,液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過液壓系統(tǒng)來推動槳葉轉(zhuǎn)動,進(jìn)而改變槳葉節(jié)距角,具有扭矩大、便于集中布置和集成等優(yōu)點。液壓變槳距系統(tǒng)在目前變槳距技術(shù)中占有重要地位,特別適用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,國外著名風(fēng)力發(fā)電設(shè)備主機(jī)廠,如丹麥Vestas、德國西門子等,都有采用液壓變槳距系統(tǒng)。在電動變槳距系統(tǒng)中,電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用電機(jī)帶動減速齒輪嚙合來轉(zhuǎn)動槳葉,進(jìn)而改變槳葉節(jié)距角,具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠、響應(yīng)頻率快、成本低等優(yōu)點,得到許多國內(nèi)主機(jī)廠家的青睞,國內(nèi)著名風(fēng)力發(fā)電設(shè)備主機(jī)廠,如上海電氣、金風(fēng)、遠(yuǎn)景等,都有采用電動變槳距系統(tǒng)。

液壓變槳距系統(tǒng)的缺點是機(jī)構(gòu)相對復(fù)雜,傳動存在非線性、卡澀,液壓缸可能泄漏等。電動變槳距系統(tǒng)的缺點是動態(tài)特性相對較差,有較大慣性,特別是對于大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言,如果電機(jī)連續(xù)頻繁調(diào)節(jié)槳葉,將產(chǎn)生過量熱負(fù)荷,使電機(jī)損壞[3]。

5 有源液壓測試站

變槳距系統(tǒng)作為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部分之一,對機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運行具有十分重要的作用。穩(wěn)定的變槳距控制已成為當(dāng)前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)研究的熱點和難點之一。為了保證變槳距系統(tǒng)的可靠性,每一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在裝配完成后,都需要進(jìn)行功能性驗證,以及和主控系統(tǒng)相配合的聯(lián)調(diào)測試。通常情況下,由于主控柜設(shè)置在機(jī)艙中,因此需要機(jī)艙、液壓站、輪轂一起進(jìn)行測試,如此龐大的設(shè)備進(jìn)行測試驗證需要留有足夠大的場地和吊裝設(shè)備,自然產(chǎn)生了占地空間大、準(zhǔn)備時間長、操作復(fù)雜等不利因素,會導(dǎo)致測試效率大大降低。筆者以液壓變槳距系統(tǒng)在生產(chǎn)廠內(nèi)測試為例,介紹一種采用所設(shè)計的獨立的有源液壓測試站在車間內(nèi)進(jìn)行測試的方法[4],具有占用場地小、測試周期短、測試效率高的優(yōu)點。輪轂裝配完成后,具備液壓變槳距系統(tǒng)獨立測試條件。

有源液壓測試站主要包含液壓站、比例閥組、測試控制柜等部件,功能是向液壓變槳距系統(tǒng)提供穩(wěn)定的動力源,根據(jù)測試需求改變液體流量或壓力,以達(dá)到控制液壓變槳距系統(tǒng)速度和角度的要求。

有源液壓測試站的工作原理為:壓力調(diào)節(jié)采用電動變量泵,連接電動比例溢流閥,通過電信號對系統(tǒng)壓力進(jìn)行無級調(diào)節(jié);液壓油清潔采用獨立的電動泵和過濾器,對整個液壓油箱內(nèi)的液壓油進(jìn)行內(nèi)部自循環(huán)清洗,可實現(xiàn)在線和離線清潔;液壓油清潔度檢測采用顆粒度檢測儀,實現(xiàn)油液固體污染顆粒的在線檢測,滿足ISO 4406清潔度等級代碼15/13/10的要求;測試控制柜發(fā)出測試程序指令,控制電磁閥開關(guān)動作,以及液體的壓力、流量、方向,完成液壓變槳距系統(tǒng)角度、速度變化等的測試。有源液壓測試站技術(shù)參數(shù)見表1,液壓系統(tǒng)如圖4所示。

表1 有源液壓測試站技術(shù)參數(shù)

6 測試準(zhǔn)備

在接通工作電源之前,必須斷開傳感器的接線端,并檢查極性和線路,遵守安全規(guī)范。具體測試準(zhǔn)備工作如下:

(1) 供電必須斷開;

(2) 避免自動重合閘;

(3) 確保所有元件不帶電;

(4) 檢查短路和接地;

(5) 外殼或屏蔽接地需接好;

(6) 配戴個人安全保護(hù)裝備,如安全帽、絕緣手套、安全絕緣鞋;

圖4 有源測試液壓站液壓系統(tǒng)

(7) 進(jìn)入或在輪轂處進(jìn)行液壓變槳距系統(tǒng)調(diào)試時,為避免卷入旋轉(zhuǎn)機(jī)械中,人員應(yīng)始終確保站在安全位置,遠(yuǎn)離軸承面;

(8) 檢查滑環(huán)線纜的重載連接器是否已經(jīng)連接至柜體側(cè)面接口;

(9) 檢查變槳控制柜的外部線纜是否綁扎牢固,應(yīng)無松動;

(10) 檢查所有電磁閥和比例閥的接頭是否牢固,應(yīng)無松動;

(11) 檢查潤滑泵供電及信號反饋接頭是否牢固,應(yīng)無松動;

(12) 確認(rèn)柜體內(nèi)外是否清潔,應(yīng)無破損、灰塵、金屬碎屑等殘留物,柜內(nèi)無積水;

(13) 檢查開關(guān)與端口是否有短路情況;

(14) 準(zhǔn)備調(diào)試需要的工具,如測試手動操作盒、萬用表、螺絲刀、照明燈等。

7 測試項目

在有源液壓測試站人機(jī)交互界面上點擊“測試開始”,根據(jù)屏幕提示,操作人員只需做出相應(yīng)的動作,系統(tǒng)會自動判定結(jié)果是否合格。

壓力測試時,設(shè)定變槳油缸測試壓力值為24 MPa,開啟有源液壓站主泵電機(jī),向液壓變槳距系統(tǒng)充壓。保壓30 s后,無壓降,無油液泄漏,打開閥門完成壓力測試。

電磁閥輸入輸出測試時,在屏幕上選擇電磁閥并開啟,用電磁感應(yīng)筆測試對應(yīng)電磁閥,檢查電磁閥是否正常工作。

溫度測試時,用冷凍劑噴灑變槳控制柜外部的溫度感應(yīng)器,屏幕顯示溫度從室溫開始下降,以此判斷溫度感應(yīng)器是否正常工作。

潤滑泵測試時,在屏幕上開啟潤滑泵,查看壓力是否滿足要求,判斷低油位報警傳感器工作是否正常。

變槳鎖測試時,點擊“解鎖”或“鎖定”,檢查變槳鎖是否正常解鎖或落鎖。

變槳位置校準(zhǔn)時,點擊“開槳”,葉片軸承指示針轉(zhuǎn)到0°位置。點擊“校零”,確定零位。點擊“順槳”,轉(zhuǎn)到90°位置。重復(fù)檢查三個變槳位置,并校準(zhǔn)精度。

緊急順槳測試時,按下緊急停機(jī)開關(guān),液壓站關(guān)閉,蓄能器自動啟動,激活緊急順槳功能,變槳軸承從0°轉(zhuǎn)動至90°,記錄測試前后系統(tǒng)壓力,順槳時間在22～44 s內(nèi)為合格。

8 測試結(jié)果

液壓變槳距系統(tǒng)測試報告見表2,測試現(xiàn)場如圖5所示。

表2 液壓變槳距系統(tǒng)測試報告

9 結(jié)束語

經(jīng)過對多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓變槳距系統(tǒng)進(jìn)行測試,并在風(fēng)場真機(jī)安裝使用驗證,得出采用有源液壓測試站在生產(chǎn)廠內(nèi)也可獨立完成對液壓變槳距系統(tǒng)進(jìn)行功能性驗證的結(jié)論,不需要與機(jī)艙裝配或至風(fēng)場豎機(jī)后再進(jìn)行整體測試,降低了對試驗場地的要求,提高了測試效率,降低了測試成本,節(jié)約了風(fēng)場寶貴的裝機(jī)測試窗口期。

圖5 液壓變槳距系統(tǒng)測試現(xiàn)場

同理,電動變槳距系統(tǒng)也可參照所介紹的方法進(jìn)行測試。