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摘要：现阶段，伴随国家对新能源鼓励、支持力度的日渐增大，风机装机容量的日渐提高，年均增速达30%。为了能够实现风电机组成本的降低，风电机组尺寸持续增大。受机组日渐大型化的影响，变桨系统在其中发挥的作用越来越大。
关键词：风力发电机组；变桨控制器；编码器
引言
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，能实现气动刹车和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，变桨系统在整个风机中故障率最高。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
在整个轴控制柜当中，则主要集成了伺服驱动器和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的情况，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 变桨系统工作原理
机舱主控制器根据当前风速情况，结合发电机实际转速与机组设定转速差值经PI计算后给出变桨角度设定值并通过串口通讯线（RS485）给出相关变桨指令（变桨角度给定值）到变桨控制器，变桨控制器接收变桨角度设定值，并与编码器反馈实际角度经PI计算后给出变桨速度设定值，并将变桨速度指令送到电机伺服驱动器。变桨驱动器接收变桨速度设定值，并与A编码器反馈变桨实际速度经PI计算后给出变桨驱动电压（±10V信号），这样形成一个相应的闭环控制，能保证系统控制的稳定性，为了增加系统的可靠性，同时在桨叶的旋转回路增加设定一个冗余B编码器，作为备用旋转角度测量；在此模式下，变桨控制器、变桨驱动器、变桨电机、编码器构成一个位置随动控制系统，由A编码器以SSI串行通讯将绝对式编码器测得的位置信号传给变桨控制器，并以正余弦信号的形式将旋变测得的角度信号传给变桨驱动器由其计算出电机速度作为整个系统的反馈形成闭环控制，整个控制器过程采用PI控制。而由B编码器作为位置信号的冗余反馈，可通过参数修改来选择A或B作为主反馈，另外一个作为冗余反馈。在安全停机模式下其工作原理为：当出现电网故障或系统电源断电/超过安全风速等紧急情况下，系统将自动切换到后备蓄电池供电模式，直接由蓄电池提供动力和控制电流，保证风机能及时安全回桨。当出现极端风况或紧急停机时，变桨控制系统首先断开与外部系统电源的连接，开始自动切换到蓄电池供电回桨模式，使叶片能转到风机设定的91°安全位置。当叶片回到91°安全位置后，通过安装在91°位置处的限位开关，中断蓄电池供电完成整个紧急变桨过程。由于三支叶片分别受不同的伺服和电机控制，任意一支叶片控制出现故障，并不影响其它两支叶片的正常变桨工作，从而保证了系统的安全性和可靠性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆变桨系统不仅实现风机启动和运行时的桨距调节，而且能够在紧急情况下担负起安全保护作用，完成叶片顺桨操作，同时还具备以下功能： (1) 故障诊断：具备自诊断及保护功能，能实时诊断设备的故障或异常情况，对出现的故障进行处理（执行相应的停机程序或相应的软件/硬件动作），并有完善的事故存储记录信息变压故障诊断查询 (2) 状态监测：包括对变桨电机、充电器、后备电源、通讯状态、变桨硬件安全链、变桨软件安全链等的监控； (3) 后备电源的控制：蓄电池的充电控制、蓄电池电压的监控等辅助控制等； (4) 低电压穿越能力：当电网只是暂时性地发生跌落时，在时间小于一定范围内根据现 阶段电网要求，变桨控制系统在主控制系统、变频系统等风机整体系统的协调下，具有低电压穿越功能。当风机系统的供电电压低于电网要求的低电压穿越设计要求时，变桨控制系统将维持电网要求的低电压穿越时间的运行。
3 变桨控制器的优化
3.1变桨控制器的技术指标
变桨控制器由机舱控制器电源通过滑环进行供电，供电电压范围为直流 19V～30V，其采样周期及控制周期为10ms；其数字量接口提供30路24V 数字量输入（0～5V 为逻辑0，20～30V 为逻辑1）有LED 指示灯可判断是否有输入信号；其输出接口提供15路24V 数字量输出，包括9路30m A 和6路500m A 数字量输出，有LED指示灯可判断是否有输出信号；其通讯接口采用5V电源供电，差分式数据传输；其编码器器接口采用24V电源供电，差分式数据传输，数据输入/输出均采用光耦进行光电隔离且有LED指示灯指示其状态；控制器防护等级为正面IP65，背面IP20。
3.2变桨控制器在现场应用时出现的故障
通过统计风场一年控制器的损坏情况，我们发现故障的分布如下：触摸板损坏与外壳损坏占11.2%，误判断无故障占20%，变桨控制器通讯接口占34%，编码器接口损坏占30%，其他故障占4.8%。 变桨控制器通讯接口在现场的主要故障是: (1) 机组在现场运行几个月后，开始出现变桨控制器与机舱控制器通讯偶尔闪断的现象，到后来就开始频繁报出变桨控制器与机舱控制器通讯超时的报警，且风机只能运行不到几分钟就停下来，过几分钟报警自动复位。另外，少部分变桨系统通讯接口的损坏原因较为明显：一是，在维护和更换时，经常有人员带电插拔电缆也会造成通讯口的烧坏；二是，变桨控制器通讯接口采用了DB9 母头，可供一组 RS232 和一组 RS422/485 使用。在调试时候需使用 RS232 接头与调试电脑连接；在正常运行中，使用 RS422/485接头与机舱主控制器连接，即通讯接口与调试用计算机接口共用一个接插件——拆除接插件（或更换变桨控制器）后，恢复时易忘记将屏蔽接地紧固，加速了变桨控制器通讯接口的损坏。 变桨控制器的编码器接口在现场的主要故障是变桨控制器的显示屏幕上显示的编码器反馈值显示为无效值或零且在系统运行中数值都不会随桨叶位置改变而发生任何变化，当对此类变桨控制器更换上测试正常的编码器，故障现象依旧。
结语
变桨控制器为作为变桨系统的核心部件，在其设计上应充分考虑到其与机舱主控制器的连接是通过滑环完成的，其连接线缆需通过轮毂、主轴、齿轮箱到达滑环，其通过路径较长（通常达到 10-15 米左右），且处于旋转的状态中。这就使得，整个电缆对地的阻抗（由电阻部分和感抗部分两部分组成）较大，这会对变桨控制器与机舱控制器在数字信号与通讯信号的交互上带来诸多不利的因数。
参考文献:
[1] Spada，S.：风能的可靠性取决于叶片变桨控制的发展. ARC 洞察，2010-23MPH. 2010 年 7月
[2] 国家电监会.风电安全监管报告[R].2011
论文作者:王炯
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/7/5
标签：控制器论文; 编码器论文; 系统论文; 机舱论文; 通讯论文; 风机论文; 接口论文; 《电力设备》2018年第36期论文;