羅小峰，冼小強，朱一鳴，馬文博，葉鑄瑩，溫 釵

（1.廣東粵電電白風電有限公司，廣東 茂名；2.廣東粵電陽江海上風電有限公司，廣東 陽江）

1 概述及需求介紹

風能是一種清潔可再生能源，風力發(fā)電就是將風能轉化為電能的過程。風力發(fā)電機是集機械、電氣及空氣動力學等學科為一體的綜合設備，其大多安裝在環(huán)境惡劣、氣候復雜的地區(qū)，在運行過程中存在許多隱患，需要定期進行維護或檢修，以及時發(fā)現(xiàn)故障及隱患，保證風機的效率[1]。

首先隨著清潔能源風力發(fā)電機組發(fā)展，風電機組運行安全性要求及智能控制的需求風電機組維護或者臺風來臨之際，亟需智能遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)機組葉片鎖定，來提升機組的安全性并提高作業(yè)效率提升風場發(fā)電量。

其次位于我國東南沿海區(qū)域的風電場，每年均會經(jīng)受數(shù)次臺風侵襲，風力發(fā)電機組必須具備抗臺風能力。臺風來臨時，電網(wǎng)會斷電，變槳系統(tǒng)停止工作，需要外加機械鎖定裝置鎖定葉片位置?？古_風機組配置手動葉片鎖定裝置，但手動鎖定裝置在使用時，需要在臺風來臨前逐臺登上風力發(fā)電機組，進入輪轂，人工操作進行鎖定，非常費時費力，工作量非常大。

保證安全的基礎上，為降低臺風工況下的維護工作量，開發(fā)自動葉片鎖定，可以通過主控系統(tǒng)遠程控制進行鎖定葉片，減小人工登塔操作工作量；同時縮短維護操作時間，延長機組發(fā)電時間，增加發(fā)電量。本文基于機組實現(xiàn)葉片遠程自動鎖的目的來闡述其實現(xiàn)的方法。

2 原理分析

風力機組在超出切出風速時是通過變槳系統(tǒng)將葉片調整到順槳狀態(tài)，從而降低機組載荷。在停機狀態(tài)下，為了確保葉片不被風吹動變槳，在變槳驅動電氣末端安裝了電磁抱閘裝置，同時在輪轂內設計有手動鎖定裝置，當維護人員在輪轂內進行部分工況作業(yè)時，可以將葉片進行鎖定，防止發(fā)生變槳動作[2]。極端風速作用在風電機組上的風載荷與風速平方成正比，當它大于結構強度的設計值時，結構材料發(fā)生屈服破壞[3]。因臺風造成的風機倒塔事件后果損失嚴重。在極端惡劣風況下變槳電磁抱閘制動不足以提供穩(wěn)定變槳軸承的作用需要配合額外的葉片鎖定裝置進行聯(lián)合鎖定，防止機組出現(xiàn)飛車現(xiàn)象，提高機組穩(wěn)定性。變槳系統(tǒng)的載荷分析坐標系同輪轂坐標系一致。

基于以上原理亟需開發(fā)一套可以遠程控制的葉片鎖定裝置，承受葉根載荷，防止機組停機狀態(tài)下出現(xiàn)葉片轉動，機組飛車的狀況出現(xiàn)。

3 實現(xiàn)方法

采用穩(wěn)定的鎖定銷結構，增加工業(yè)電動推桿進行驅動，主控系統(tǒng)對電動推桿進行供電和控制，實現(xiàn)葉片自動鎖定。

在輪轂上增加鎖定裝置，在輪轂內加裝電控柜，電控柜內配有控制器。主控控制系統(tǒng)與電控柜之間以通訊方式實現(xiàn)對葉片鎖推桿電機的控制及反饋，通訊方式可根據(jù)實際機組進行不同配置，現(xiàn)主流風機通訊使用CAN，PROFIBUS 等。見圖1。

圖1 功能框圖

控制方法1：葉片鎖控制器做為風機主控的子站進行控制。

控制方法2：葉片鎖控制器控制獨立于風機主控，在中控室監(jiān)控后臺與風機主控進行數(shù)據(jù)交互。機艙柜和塔基柜新增工業(yè)交換機，兩個交換機利用當前機艙塔基的備用光纖連接，塔基交換機單模接口連接至風電機組的已有環(huán)網(wǎng)交換機上。

在遠程監(jiān)控頁面可通過【全選】和【全取消】按鈕實現(xiàn)風場內風機的批量葉片鎖定。

在遠程監(jiān)控頁面通過逐臺點擊風機選中的復選框進行單臺或多臺選取。

綜上所述兩種控制方法均可，第一種方式，改動最小，成本節(jié)省，但是實現(xiàn)的時候需要根據(jù)不同機型進行定制化設計，第二種方式，成本高，安裝較困難，但是不同機型適用性較好。

4 機械鎖葉片鎖原理

早期機組采用機械葉片鎖定裝置，分為鎖定葉片螺栓和鎖定軸承齒兩種方式。

4.1 鎖定葉片螺栓方式

把葉鎖定裝置用螺栓連接在輪轂上，卡住變槳軸承與葉片連接螺栓，用以固定葉片，防止其意外旋轉[4]。葉片鎖定裝置有1 個或者多個U 形口可以卡住葉根螺栓，鎖定座需與輪轂連接，借用輪轂上預留的安裝孔進行鎖定塊的安裝。在安裝時需協(xié)調葉根螺栓及鎖定座的位置。1 臺風機可使用一套或一套以上葉片鎖定裝置，待使用完成后需要將葉根螺栓與鎖定塊連接部位拆除，雖然增加了機組安全性，但是使用時需要反復拆裝，費時費力，且由于不同機型的風力發(fā)電機，變槳軸承和葉片連接螺栓的數(shù)量和分布往往也不同，因此現(xiàn)有的葉片鎖定裝置通用性不強。具體結構見圖2。

圖2 機械葉片鎖定裝置示意1

4.2 鎖定軸承齒方式

機組正常運行時，葉片鎖定裝置與輪轂連接緊固，鎖定柱體與變槳軸承保持一定間隙。運維或者臺風季來臨，需要維護人員登塔，將葉片鎖定裝置緊固螺栓松開，向變槳軸承內齒方向推動鎖定裝置，直到鎖定柱體與變槳軸承齒嚙合，此時再緊固葉片鎖定裝置與輪轂連接螺栓，若變槳軸承齒與鎖定裝置不對中，需先進行變槳調節(jié)變槳軸承內齒與鎖定裝置對中。具體結構見圖3。

圖3 機械葉片鎖定裝置示意2

由于卡葉片螺母式葉片鎖定裝置受螺母與螺母之間的間隙影響很大，所以，對于葉片固定螺栓很多的情況下，卡葉片螺母式葉片鎖定裝置將不再適用（因為頂板螺母卡槽板厚太?。┛ㄗ儤S承內齒圈式葉片鎖定裝置適用性更好[5]。

5 遠程葉片自動鎖原理

5.1 裝置結構

遠程葉片鎖裝置分為3 個單元和機構：鎖定機構、驅動機構、控制單元。

鎖定機構：鎖定擋塊與變槳軸承固定，鎖定銷支座與輪轂固定，葉片鎖定銷在鎖定銷支座的銷孔中伸出和縮回，通過卡入鎖定擋塊銷孔中進行鎖定。

驅動機構：采用輕型電動推桿驅動，24 V 電源電壓，<0.3 A 電流，通電即動作，斷電即停止且能自鎖，電動推桿自帶位置傳感器，反饋位置檢測信號。

控制單元：變槳系統(tǒng)經(jīng)由控制箱給電動推桿供電和信號控制，控制箱經(jīng)由滑環(huán)與主控系統(tǒng)連接實現(xiàn)遠程控制。

5.2 設計依據(jù)

按變槳驅動電磁抱閘失效工況載荷進行設計，葉片鎖定裝置強度上可滿足極端工況條件下強度要求。

自動葉片鎖定裝置只能在91°順槳位置鎖定，正常運行時的電動推桿異常伸出不會引起安全問題；電動推桿損壞可以通過人工手動操作退回。

電動推桿帶自鎖功能，自鎖力矩是額定力矩的1.2 倍，鎖定狀態(tài)電動推桿斷電也能保持鎖定不退回。

電動推桿自帶位置檢測信號，通過主控控制策略保證葉片自動鎖定裝置運行安全性。

5.3 機械結構介紹

葉片鎖裝置如圖4 所示。后端板與鎖定銷支座采用螺栓連接，方便維護。

圖4 葉片鎖裝置結構示意

葉片鎖定銷由鎖定銷支座支撐，由電動推桿驅動進行伸出和縮回，實現(xiàn)葉片鎖定和解鎖。

電動推桿前、后端采用銷軸與鎖定銷和螺紋推桿進行連接。

通過螺紋推桿上螺母驅動螺紋推桿，可以推動電動推桿和鎖定銷整體移動，實現(xiàn)手動鎖定葉片。

5.4 電氣結構介紹

增加配電柜?？晒?jié)約整改時間，減少現(xiàn)場整改所需的器件安裝步驟及部分接線。

配電柜內包括開關電源、防雷端子、空開、接線端子等主要部件。

將經(jīng)過滑環(huán)的控制信號，從變槳中控箱接至配電柜內。再從配電柜內將控制信號分別接入三個葉片鎖定電機。

將葉片鎖定反饋狀態(tài)信號接入至配電柜內的控制模塊。配合風機主控程序更改實現(xiàn)葉片鎖定功能。

6 葉片遠程自動鎖應用案例

案例為一款在役的2MW 機組，對其進行葉片自動鎖改造，可在中控室實現(xiàn)批量鎖定和單臺單支葉片鎖定。具體實施過程如下。

6.1 葉片自動鎖裝置安裝

拆下原手動鎖借用原手動鎖安裝位置進行葉片自動鎖裝置安裝。

6.2 電氣改造

在輪轂內部合適位置安裝電控柜。主控控制輸出兩路DO 信號，葉片鎖定銷伸出信號和葉片鎖定銷縮回信號。

兩路控制信號由主控發(fā)出，通過硬接線，經(jīng)過滑環(huán)送至配電柜后，分別送至三個鎖定電機。三個葉片的葉片鎖定反饋信號送至變槳控制模塊，再通過變槳通訊以告警形式傳回至主控。

6.3 遠程控制設置

遠程控制設置：在監(jiān)控客戶端界面內為葉片鎖設置獨立的顯示控制界面，方便全場機組批量或單機機組葉片鎖的操控。如圖5 SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)內集成的葉片鎖主界面。

圖5 SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)內集成的葉片鎖主界面

結束語

本文基于對風電機組對葉片鎖定的智能化需求，通過軟硬件結合的方式開發(fā)一套完整的遠程控制的葉片智能鎖裝置?？纱蟠筇岣攥F(xiàn)場機組鎖定的效率增加發(fā)電量，同時增加機組的安全性。

本方案采用結構穩(wěn)定的鎖定銷結構，增加工業(yè)電動推桿進行驅動，主控及變槳系統(tǒng)對電動推桿進行供電和控制，實現(xiàn)葉片自動鎖定。

變槳軸承葉根位置增加單獨的鎖定擋塊，用葉根螺栓進行固定，用于自動裝置的鎖定。實現(xiàn)自動鎖定裝置只能在順槳位置進行鎖定，在其他位置及時鎖定銷異常伸出也不能鎖定葉片，降低雷電引起電動推桿誤動作帶來的風險。

自動葉片鎖定裝置可通過遠程控制操作，在控制界面觸發(fā)控制信號，三個葉片的鎖定裝置同時動作，啟動后需確認變槳角度位于設定角度且收到鎖定到位信號才能確定鎖定到位；如出現(xiàn)異常不能鎖定，需要維護人員登塔進行手動鎖定。

自動葉片鎖定裝置增加手動鎖定功能，在電動裝置故障時，可以人工手動鎖定葉片。