摘要：本文首先对风电机组以及变桨系统进行了简介，接下来详细阐述了变桨系统对电气布线的影响，希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发，同时希望为我国风机设计中中央箱对电气布线的影响的探讨献言献策。
关键词：风机；变桨系统；中央箱；电气布线
引言
国家能源局公布，2018年我国新增并网风电装机2059万千瓦，累计并网装机容量达到1．84亿千瓦。2018年风电发电量3660亿千瓦时。这些数据背后是十几万台风电机组安全、平稳运行的结果。随着近些年相关机构与科研人员的深入研究，风电变桨系统在控制策略与优化上已经达到了较高的水平。不同类型的机组，采用的变桨系统不一样。
1风电机组简介
风电机组主要由轮毂、机舱、塔筒三大部分组成。轮毂内安装有变桨系统，变桨系统通过滑环与主控系统相连，接收主控系统的供电和指令，完成对风能捕获能力的控制。变桨系统通过控制叶片自转捕获风能带动轮毂转动，轮毂与机舱内的主轴相连带动机舱内的发电机转子旋转发出电能。发出的电能经由放置在塔筒内的变流器柜整流逆变成50Hz的电能，最终送入电网中。机舱内部还拥有偏航系统，确保风机始终处于迎风位置。在风机吊装时，安装顺序为先安塔筒，再吊装机舱，最后吊装轮毂（吊装轮毂前，轮毂上需预先安好叶片）。所有机械部件安装完毕后，开始进行塔基电气布线、塔筒与机舱间的电气布线以及轮毂与机舱间的电气布线。在吊装轮毂时，需要变桨系统驱动机械部件转动以方便机械人员完成设备的安装，为保证变桨系统的供电会进行简单的电气接线工作。
2变桨系统
风力发电变桨系统作为风机的重要执行机构，对风机的安全稳定运行起着举足轻重的作用。变桨距控制系统叶片的桨距角可以根据风速的变化来调整，从而控制发电机的输出功率。当风速在额定风速以下时保持桨距角为0°，通过控制发电机转子转速来实现最大功率输入，尽可能多地捕获风能。当风速在额定风速以上时，随风速的变化实时调节桨叶的桨距角，使风力机的转速稳定在额定转速附近，发电机的输出功率稳定在额定功率附近。风电机组变桨系统减少了风力机所受的冲击，增加了机组的使用寿命，提高了风机的运行效率和系统稳定性，成为风电发展进程中不可或缺的一部分。变桨系统是风电机组的关键组成部分，系统的性能对变桨系统的稳定运行起着重要的作用。
3变桨系统对电气布线的影响
3.1具备中央箱的变桨系统
风电机组的轮毂形状类似于一个圆锥体，轮毂的底部与机舱的主轴相连，轮毂侧面用于安装3个叶片。轮毂上安装叶片的位置附近就是变桨系统的安装处。变桨系统一般包含变桨控制柜、后备电源、限位开关、测量叶片转动角度的传感器、中央箱等。每个叶片各有一套变桨控制柜、后备电源、限位开关、叶片转动角度的传感器等设备；每套变桨系统有1个中央箱，一般安装于轮毂内或者主轴上。中央箱是主控系统与轮毂内变桨系统及其他设备之间的供电连接枢纽，主控系统通过滑环将电输送到中央箱，中央箱再将这一路电分为3路，送入3个叶片所对应的每个变桨控制柜中。作为供电枢纽，中央箱的安装位置以及存在形式对于机舱与轮毂之间的电气布线有着很大影响，间接导致了风机在安装调试轮毂时的难易程度发生变化。风电机组在吊装轮毂时叶片会预先安装在轮毂上，但此时叶片与轮毂之间的连接并不是完全打好力矩彻底固定的，最终的安装任务会在轮毂与机舱安装好后进行。轮毂上留有的打力矩空间无法将叶片的安装螺栓一次性全部安装到位，需要通过电气系统驱动叶片旋转，依次将未打力矩的部分驱动到安装空间。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当采用中央箱安装位置位于主轴上的方案时，出厂前就已完成滑环到中央箱的电缆接线作业，而中央箱到变桨控制柜的电缆则需在现场完成轮毂吊装后才能开始布线。这种方式的优点是节约了轮毂内部本就不充足的空间，缺点是增加了叶片吊装时的繁复程度。在安装1号叶片时，需要先将1号叶片所对应的变桨柜与中央箱之间的供电电缆接线；安装2号叶片时，又需要将2号叶片所对应的变桨柜与中央箱之间的供电电缆接线；安装3号叶片时，需将3号叶片所对应的变桨柜与中央箱之间的供电电缆接线。由于轮毂空间狭小，极大地增加了施工人员的工作量。该种中央箱的固定方式，近年来在风电机组的设计使用中逐渐减少。为了避免上述固定方式所带来的困扰，在设计变桨系统时主要采用以下两种方式来解决：一是取消中央箱，主控系统的电缆通过滑环直接进入一个变桨柜为其供电，然后该变桨柜又为下一台变桨柜供电，依次并联；二是缩减变桨系统结构后备电源的占用空间，将中央箱安装在轮毂内部所节约的位置中。
3.2无中央箱结构紧凑型变桨系统
优化变桨系统结构，缩减后备电源占用空间，将中央箱安装在轮毂内部节约出的位置。方案三对变桨系统和后备电源的要求较高。通常后备电源会作为单独的柜体与变桨柜配套使用，且柜体尺寸仅略小于变桨柜，若要将后备电源与变桨柜（或变桨系统内其他设备）集成到一个柜体内并不是一件容易的事情，对后备电源的选型和柜体布局等要求较高。该方案需要固定主轴端面上电缆，只是在吊装轮毂的安装要求中增加了中央箱必须距离主轴端面电缆位置最近的内容。使其对于额定电流较大的变桨系统机组也能适用。
4变桨系统的绝对式旋转编码器
旋转编码器分为增量式和绝对式，两者的不同之处在于:后者输出一系列的脉冲不需要基准数据就能够实现角位移测量且不需要计数系统进行累计计数。当绝对式编码器位置、角度和圈数固定时，它的显示值都是唯一且固定的。而且不会因为受到电磁干扰以及其他原因而导致停电，即使恢复供电，显示的数值也不会有变化，也就是常说的“断电记忆功能”。对采集位置和零位有严格要求的工作现场需要采用绝对式编码器。在1.5MW永磁直驱风电机组中，主要用它在变桨系统中严格检测和实时监测叶片速度与角度，所以绝对式编码器更符合使用条件。目前，风电机组上使用较多的旋转编码器是KUBLEＲ绝对式旋转编码器，它可以使用支持SSI与BISS协议的现场总线模块进行数据传输。坚固的“安全锁设计”轴承结构提高了抗振动性和抗冲击性，同时减少了元器件个数和焊接点，增加了可靠性，具有较高的集成技术，可在－40～90℃的温度范围内工作，防护等级达到IP67，能够完全在高精度反馈系统中作实时反馈。目前在某风场永磁直驱1.5MW机组变桨系统中PLC使用的是BECKHOFFProfibusDP总线模块。该系统支持SSI协议的模块编号为KL5001，可以直接连接SSI传感器。由SSI接口提供传感器的供电电源，在接口电路中产生一个脉冲信号来读取传感器数据，数据以字的方式传递至控制器的过程映像区。各种操作模式、传输频率和内部位宽能够永久地保存在控制寄存器中。
结语
变桨系统的电气布线对于保障风机正常运行至关重要，电气布线的不合理极易导致变桨系统故障的发生，且会增加运维成本。针对不同变桨系统选择合理的布线方式，是减少不必要风机故障的关键。
参考文献
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[4]李政璋.2MW风电机组变桨系统设计与研究[D].成都:西南交通大学,2014.
论文作者:周晓东
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/10
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