风力发电机组变桨系统优化设计与实现

唐嘉

（大唐华银（湖南）新能源有限公司，湖南 长沙 410000）

针对风机的变桨系统而言，其不仅是风电机组的核心制动设备，同时还是吸收风能的重要部件，能实现气动刹车及调节风轮输入功率等功能，因而能够为风电机组高效、可靠运行提供切实保障。但在现实运行过程中，变桨系统也是出现故障最多的电子器件。电动变桨距机组内部配套的变桨控制系统的结构有伺服机构、变桨控制器、后备电源及位置反馈传感器等。本文就此系统的具体优化设计策略作一探讨。

1 变桨系统的基本构成

通常来讲，变桨系统主要有如下构成：直流电机3台，电池柜3个，轴控制柜3个，中心控制柜1个，以及其它附件。在中心控制柜中，其主要集成了充电器、变桨控制器以及能够实现变桨控制器功能的继电器与辅助接触器等。而在整个轴控制柜当中，则主要集成了伺服驱动器及能够对伺服机构进行有效控制的继电器与辅助接触器。而在电池柜当中，则为一电池组，由阀控式铅酸蓄电池（12V）组成，共计24块，全密封设计，因而能够避免出现漏酸情况，防止腐蚀设备与污染环境，此外，还专门安装有风扇、加热器，能够使电池温度始终维持在合理范围内。针对编码器、电池柜、中控柜、变桨电机、轴控柜间的连接而言，则由所设置的电缆来实现，而滑环负责机舱控制系统与变桨系统间的连接。通过机舱主控制器与滑环之间的连接，能使变桨中控柜根据实际需要，从风机机舱控制系统中得到控制信号，或是得电，而对于滑环来讲，则借助于滑道与刷针的接触，来实现数字信号的传递，以及动力电源的传送，其包含15路24V信号电路、400V主电源、串口通讯线路与230V不间断后备电源。

2 变桨系统工作的原理

针对变桨系统而言，其核心功能有二，其一为安全停机，其二为调节功率，如果处于调节功率模式，则其基本的工作原理是：机舱主控制器依据当前的实际风速，并与机组设定转速和发电机实际转速之间所存在的差值相结合，通过系统化的PI计算，便能得到准确的变桨角度设定值，另外，还能借助于串口通讯线，向变桨控制器传送相关变桨指令，当变桨控制器对相关设定值予以接收后，结合编码器，实时反馈角度，通过PI计算，得到变桨速度设定值，结合A编码器反馈变桨速度，通过PI计算得到变桨驱动电压，如此一来，便能够获得一个典型的闭环控制，以此来最大程度保障系统控制的有效性、可靠性与稳定性；此外，将1个冗余B编码器设置在桨叶的旋转回路上，并把它当作备用的旋转角度测量；基于此模式下，编码器、变桨驱动器、变桨控制器与变桨电机便组成了一个高性能的位置随动控制系统，然后以SSI串行通讯的方式，利用A编码器把绝对式编码器所测得的位置信号，以一种合理方式持续传送至变桨控制器；此外，还能以正余弦信号方式，持续向变桨驱动器传送旋变所测得的角度信号，且将电机速度计算出来，作为系统的反馈形成闭环控制；针对整个控制器来讲，均选用的是PI控制。对于B编码器而言，则将其当作位置信号的相应冗余反馈，通过修改参数，来选择将B或者A作为主反馈。

如果是处于一种安全停机模式下，那么其工作原理是：如果在一种紧急情况下，比如系统电源断电、电网故障或是超过安全风速等，系统根据当前情况，会以一种自动方式，切换至更加安全的后备蓄电池供电模式，此时，动力则由蓄电池提供，且还能控制电流，确保风机可以安全且及时地回桨，如果发生紧急停机情况，或者是极端风况时，此时的变桨控制系统便会立刻将与外部系统连接的电源断开，从之前的自动模式向蓄电池供电回桨模式转换，这样一来，便能够让叶片转至风机事先设定的安全位置上（91°）。如果叶片已经回至安全位置，则借助于91°位置处所安装的限位开关，将蓄电池供电予以中断，达到事先紧急变桨的目的。针对三支叶片来讲，由于受各电机与伺服控制，如果其中的一支叶片控制发生故障，且对其它两支叶片变桨工作不会造成影响，则能够为整个系统的可靠性与安全性，提供切实保障。

3 风力发电机组变桨系统优化设计与实现

3.1 变桨系统后备电源的优化

（1）关于蓄电池电压监控的优化。为了能够最大程度优化蓄电池电压监控，需进行如下测算：其一，通过利用BLADED软件进行仿真，获得实际载荷，机组顺桨一次所需要的变桨能量是55619.1J。针对顺桨来讲，其所需时间一般为13s。因此，电机顺桨所需能量：55619.1J/0.85（电机效率）×0.9（机械传动效率），即72704J。所以电池在13s内，需要提供＞72704J的能量。其二，依据风机的总体设计要求，如果是顺桨，那么对于变桨系统而言，则需提供的顺桨速度为7°/s。由于变桨电机实为一种直流电机，因此，电机电压与电机转速之间便呈现正比关系，而电机电流与电机扭矩之间则呈正比关系。电机参数为：额定转矩为24Nm，额定电流、电压、转速分别为30A、250VDC、2410RPM。依据相关条件，且与变桨系统相结合，得知总传动比是1704，当处于顺桨状态时，桨电机的工作转速需达到1989RPM，与之相对应的工作电压是205VDC。

（2）充电器报警的监控优化。针对充电器内部来讲，因其所选用的蓄电池，在具体的电压采样电阻方面，容易出现损伤，且自身并不存在太大优化价值，因此，可采取如下方式实施优化：首先，将报警回路安装在硬件上，目的在于借助日常风机蓄电池，当其处于正常工作状态时，其会有浮充状态的基本特性，把充电器所输出的相应电流，持续传输至单相电流检测模块当中；其次，为使充电回路始终保持较好的稳定性与可靠性，在软件上，实现自检充电器，针对软件与硬件，达成双冗余保护，优化方案就是将一个周期性检测子程序加入到软件中，以此来更好的监测充电器断线情况，也就是针对变桨控制器，在每日12点时，或者是在每次回桨到指定的限位开关时，对变桨充电器开展1次断线检测，时间为1min。

3.2 编码器的优化

（1）针对电子式计圈编码器而言，由于其内部的电路、电子器件有着比较弱的电路抗冲击能力，而对于那些采用机械式的计圈编码器来讲，其所选用的是齿轮结构来计数，当处于失电状态时，不会出现角度丢失的情况；此外，外部电源也不会对其造成太大影响，因此，从根本上来讲，在实际选型与使用中，可选用机械式的计圈绝对式编码器。

（2）对于采用电子式的计圈编码器而言，其在具体的计圈上，容易受到外界环境的干扰，把内部电子的输出报警当作数字输入报警点，划归至变桨控制器的指定端口，除此之外，还需要对桨通讯协议进行修改，将报警信息加入到数据帧当中；还需指出的是，针对编码器内部，还需专门且重新设计PCB电路，主要是将抗干扰电容设置在芯片2、4管脚上。

在具体的软件方面，可采取如下优化措施：

（1）针对上述（1），为了能够使变桨控制器在兼容性与开放性方面得到强化，且最大程度满足数据传输在精确度方面的要求，在软件功能上，将同步时钟校准机制取消，改变为在各次数据传输过程中，专门针对单次通讯实施校验，也就是在对应的变桨通讯协议中，或者是在编码器中，修改传输数据的格式，将单次数据传输CRC校验码引入其中，用于时钟校准的替换，如果经CRC校验，并且没有通过，那么此时的编码器时钟，便会根据实际情况重新发送，数据此时也会再次输出。

（2）针对上述（2），在进行采样时，可采用新的算法，用于技术是否加1进行判断，具体为：将消抖滤波功能加入到编码器的内部芯片软件当中，准确来讲，就是加入到采样功能段内，具体做法就是专门设置1个滤波计数器，把每次的采样值对比于现阶段的有效值；当处于初始化状态时，把输入信号设置成两个状态，即“0”与“1”，对一个采样存储器进行初始化操作，保存采样值。若采样值状态不变，则将计数器清零；若发生改变，则那么计数器加1，且对计数器是否≥上限N进行判断，如果没有达到，则默认维持原状。

4 结语

综上，在世界各国的未来能源战略架构中，可再生能源作为重要发展方向，受到各国的高度重视，且其作用日益突出，其中占据绝对优势的便是风能。在我国，伴随国家对新能源的日益支持，其在我国的整体装机容量呈现持续增大趋势。因此，需注重风力发电机组的建设与维护工作，尤其是其中的变桨系统，时刻对其进行全面升级与优化，切实发挥其效能，推动整个风力发电机组的高质量运转。