程云強(qiáng)

【摘 要】風(fēng)力作為可再生能源，在國家戰(zhàn)略中具有重要的地位，我國風(fēng)力資源豐富，總據(jù)估計(jì)，我國風(fēng)能總量約為32億千萬，其中陸上可開發(fā)風(fēng)能資源儲(chǔ)量為2.53億千瓦。為推動(dòng)充分利用風(fēng)能，我國政府陸續(xù)出臺(tái)了一系列優(yōu)惠措施，推動(dòng)了我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。針對(duì)大功率風(fēng)機(jī)機(jī)械沖擊問題，提出了槳葉柔性控制技術(shù)。該控制方法極大地降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)機(jī)組的機(jī)械載荷和機(jī)械沖擊，大大延長了機(jī)組的壽命，并增強(qiáng)了機(jī)組的可靠性。

【關(guān)鍵詞】變槳系統(tǒng) 柔性控制 振動(dòng) 直流變槳系統(tǒng)

1 引言

在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，作為電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件變槳控制系統(tǒng)，通過接受風(fēng)機(jī)控制器的槳葉控制命令，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)整槳葉位置，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常發(fā)電。目前國內(nèi)大多數(shù)變槳控制系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的被動(dòng)變槳控制技術(shù)，即僅根據(jù)風(fēng)機(jī)控制器的槳葉控制命令來調(diào)整槳葉的位置。采用此種變槳控制系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)載荷較大，停止時(shí)，振動(dòng)劇烈，機(jī)械沖擊巨大，嚴(yán)重影響大部件的壽命。因此在國內(nèi)各大風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)均出現(xiàn)過風(fēng)機(jī)在停機(jī)時(shí)出現(xiàn)葉片折斷、甚至倒塌的報(bào)道。

2 現(xiàn)場(chǎng)問題分析

目前國內(nèi)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在遇到的大多數(shù)故障時(shí)，均采用電池收槳。站在整個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的角度，有很多故障可以引發(fā)變槳系統(tǒng)電池收槳。電池收槳作為一種安全措施，其目的在于讓風(fēng)機(jī)快速停機(jī)，避免飛車。但電池收槳（直流變槳）作為一種不可控收槳方式，必須在電氣硬件上通過嚴(yán)密設(shè)計(jì)保證其收槳速度在葉片載荷能夠承受的范圍內(nèi)；站在整個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的角度，必須保證收槳速度關(guān)聯(lián)的塔筒卸荷速率造成的塔筒晃動(dòng)控制在安全載荷范圍內(nèi)。

3 問題解決方案

為解決如上問題，山西某風(fēng)電企業(yè)提出了柔性槳葉控制方案。該方案的主要思路是在風(fēng)機(jī)安全的狀況下，通過調(diào)整槳葉收槳速度來實(shí)現(xiàn)降低機(jī)組的機(jī)械沖擊為目標(biāo)的一種先進(jìn)的控制方法。通過對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行調(diào)研，目前國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳葉能承受的最大變槳速率基本上都是8°/S。在仿真測(cè)試過程中采用了兩種收槳方法，一種是采用變化的收槳速度，首先采用了在0-32°區(qū)間采用8°/S的收槳速度，然后逐漸降低槳葉收槳速度。另外一種方法是直接采用電池收槳。具體見圖1。

圖1 電池收槳與柔性收槳曲線對(duì)比圖

從圖1中兩種收槳方式的對(duì)比曲線可知，電池收槳在6秒鐘內(nèi)將槳葉從0度收至90度。而變化速率的收槳方法是先將槳葉從0度收至32度，避免風(fēng)機(jī)飛車，然后逐級(jí)降速用12秒的時(shí)間將槳葉收至限位開關(guān)。整個(gè)收槳過程持續(xù)18秒，相比于電池收槳，收槳過程在避免飛車情況發(fā)生的前提下，盡可能慢速的停機(jī)。當(dāng)變槳程序檢測(cè)到變槳驅(qū)動(dòng)鏈器件故障時(shí)，將自動(dòng)從柔性收槳切換到電池收槳，保證葉片安全收回。

4 現(xiàn)場(chǎng)改造

為驗(yàn)證該方案的可行性，所屬該公司的晉西北區(qū)域某風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了專項(xiàng)改造，改造情況如下：

4.1 調(diào)整變槳減速齒輪箱傳動(dòng)比

依據(jù)葉片廠家的設(shè)計(jì)要求，葉片調(diào)槳速度不能超過8°/s，超過該速度，將對(duì)葉片的壽命產(chǎn)生巨大的影響，同時(shí)由于葉片的收槳過快，將引起變槳?jiǎng)x車系統(tǒng)的壽命，同時(shí)由于劇烈的振動(dòng)，將大大影響葉片，塔筒，變槳減速齒輪箱的傳動(dòng)鏈系統(tǒng)的壽命。根據(jù)現(xiàn)有的減速比數(shù)據(jù)，同變槳減速機(jī)齒輪箱廠家討論，采用更換一級(jí)減速比的方式，以此增大速比提高驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低變槳速度。具體改造如下：

4.1.1 原設(shè)計(jì)參數(shù)

變槳減速機(jī)型號(hào)：BJ1500C 型；速比：109.66；轉(zhuǎn)速：0～2500r/min。

4.1.2 調(diào)整后參數(shù)

（1）變更輸入第一級(jí)，總速比為：142.44～175.86 范圍都可以，本次在速比132：1 的減速機(jī)上。（2）安裝后實(shí)際速比為：151.45，滿足使用要求。（3）接口完全和BJ1500C 型變槳減速機(jī)保持一致。（4）轉(zhuǎn)速：0～2500r/min。（5）正常輸出扭矩：3200N.m。

4.2 提升驅(qū)動(dòng)性能

（1）提升變槳驅(qū)動(dòng)器性能（表1所示）。（2）提升變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力和效率（表2-3所示）。（3）重新下載收槳程序，最大程度降低高速電池收槳的損害。（4）改變主控的加載策略，優(yōu)化主控加載曲線程序，平穩(wěn)提升發(fā)電功率。通過更換驅(qū)動(dòng)性能更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)器和變槳電機(jī)，徹底提升變槳系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鏈的驅(qū)動(dòng)能力和抗沖擊能力。在驅(qū)動(dòng)線路中配合32A的熱繼（ABB TA25DU32）（原來采用24A的熱繼）既保護(hù)線路和設(shè)備的安全，又能充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的性能。

表1 變槳系統(tǒng)技術(shù)改造前后驅(qū)動(dòng)器性能對(duì)比

變槳驅(qū)動(dòng)器 SSB（ DCtransD-030） 重新選型的電機(jī)

額定電流 30A 40A

持續(xù)工作最大電流 30A 40A

峰值電流 60A 90A（持續(xù)10s）

表2 變槳系統(tǒng)技術(shù)改造前后變槳電機(jī)性能對(duì)比

變槳電機(jī) SSB（GHTIF 0720.2625.81） 重新選型的電機(jī)

額定功率 5.3kW 6.3kW

額定電流 25A 30A

額定扭矩 20N.m 30N.m

過載扭矩 60N.m 90N.m

表3 幾種同類型變槳電機(jī)效率對(duì)比

SSB變槳電機(jī) LUST變槳電機(jī) 重新選型的電機(jī)

測(cè)試電流 25A 25A 25A

標(biāo)稱功率 5.3KW 5.2KW 4.2KW

額定電流 25A 25A 20A

測(cè)試實(shí)際轉(zhuǎn)速 2410rpm 2410rpm 2410rpm

測(cè)試電流、實(shí)際轉(zhuǎn)速（2410rpm）條件下電機(jī)輸出力矩 16.2N.M 20.1N.M 19.8 N.M

16.2N.M 19.9N.M 20.0N.M

2倍過載電流實(shí)際轉(zhuǎn)速條件下電機(jī)輸出力矩 42.5N.M 58 N.M 52.3N.M

42.5N.M 58 N.M 53.1N.M

5 改造效果測(cè)試

5.1 整機(jī)振動(dòng)情況測(cè)試

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，整機(jī)振動(dòng)加速度降低到80°/s2，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)加速度降低到大約為電池收槳的50%。

5.2 收槳速度測(cè)試

槳葉收槳速度對(duì)比，電池收槳時(shí)槳葉的實(shí)際收槳速度一直為13°/s～17°/s，同一時(shí)刻三個(gè)槳葉的收槳速度波動(dòng)較大。為變槳系統(tǒng)改造后收槳速度。可以看出，通過改造，槳葉收槳速度在不斷變化，收槳速度最高為7°/s，且同一時(shí)刻三個(gè)槳葉的收槳速度波動(dòng)較小。

5.3 改造后變槳系統(tǒng)故障率情況

選取最早進(jìn)行改造的5臺(tái)機(jī)組（#34、#35、#47、#56、#62號(hào)風(fēng)機(jī)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)采集時(shí)間區(qū)段：2013年11月1日至2014年4月30日。其中，34號(hào)風(fēng)機(jī)于2013年1月30日完成變槳程序升級(jí)，35號(hào)風(fēng)機(jī)于2013年2月1日完成變槳程序升級(jí)，47號(hào)風(fēng)機(jī)于2013年2月2日完成變槳程序升級(jí)，56號(hào)風(fēng)機(jī)于2013年2月7日完成變槳程序升級(jí)，62號(hào)風(fēng)機(jī)于2013年1月29日完成變槳程序升級(jí)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，34號(hào)風(fēng)機(jī)2012年11月1日至2013年1月30日共發(fā)生變槳類故障97次，2013年2月1日至2013年4月30日，共發(fā)生變槳類故障6次；35號(hào)風(fēng)機(jī)2012年11月1日至2013年2月1日，共發(fā)生變槳類故障32次，2013年2月2日至2013年4月30日，共發(fā)生變槳類故障3次；47號(hào)風(fēng)機(jī)2012年11月1日至2013年2月2日，共發(fā)生變槳類故障40次，2013年2月3日至2013年4月30日，共發(fā)生變槳類故障4次；56號(hào)風(fēng)機(jī)2012年11月1日至2013年2月7日，共發(fā)生變槳類故障61次，2013年2月8日至2013年4月30日，未發(fā)生變槳類故障；62號(hào)風(fēng)機(jī)2012年11月1日至2013年1月29日，共發(fā)生變槳類故障45次，2013年1月30日至2013年4月30日共發(fā)生變槳類故障2次。從以上數(shù)據(jù)可以看出，通過改造，機(jī)組變槳故障率顯著降低，變槳系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

6 結(jié)語

通過大量研究并對(duì)在役機(jī)組實(shí)行柔性可控技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：（1）降低機(jī)組的機(jī)械振動(dòng)和沖擊 ?？梢酝ㄟ^儀器儀表檢測(cè)。（2）變槳控制系運(yùn)行可靠，直接減少變槳控制系統(tǒng)的電氣故障和部件故障。

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