摘要：在风力发电机组中变桨系统是保证风机正常工作的重要组成部分。风力发电机组变桨系统通过对叶片桨距角的控制实现风能的最大捕获。变桨系统是风机主刹车系统，同时对风机整机载荷降低起到关键作用。本文主要是介绍在运行中，F1500-82型风电机组Vensys变桨系统的变桨电机逆变器散热的问题，对问题进行讨论，并选出最佳散热方案，减少器件的损坏率，保证风机的正常运行。
关键词：风电机组，变桨系统，散热风扇电气回路优化
一、变桨系统的作用
变桨系统是安装在轮内作为空气制动或通过改变叶片角度对机组运行进行功率控制的装置，它的主要功能是：变桨功能，即通过精细的角度变化，使叶片向顺桨方向转动，改变叶轮转速，实现机组的功率控制，这一过程往往是在机组达到其额定功率后开始执行制动功能，通过变桨系统将叶片转动到顺桨位置以产生空气制动效果，和轴系的机械制动装置共同使机组安全停机。
变桨技术既能提高风力发电机组运行的可靠性，提高风能利用系数和不断优化输出功率曲线；又可使风轮重量减轻，改善机组整体的受力状况，能使机组在不同风速下始终保持最佳转换效率，提高系统性能，因而在大型机组中得到广泛应用。
目前变桨执行机构主要有两种：液压变桨距和电动变桨距，按其控制方式可分为统一变桨和独立变桨两种。在统一变桨基础上发展起来的独立变桨技术，每支叶片根据自己的控制规律独立地变化桨距角，可以有效解决桨叶和塔架等部件的载荷不均匀问题，具有结构紧凑简单、易于施加各种控制、可靠性高等优势，越来越受到风电市场的欢迎。
二、风力发电机组叶片变桨控制原理
风力发电机组运行必须对机组功率和叶轮的转速进行控制，以保证风力发电机组的传动系统和电气系统能够在额定工况下正常工作。目前主要有两种调节功率的方法，都是采用空气动力方法进行调节的，一种是失速（定桨距）调节方法，另一种是变桨距调节方法。
2.1失速控制
失速控制是利用气流流经翼型表面时，随着迎角的增加，翼型上的气流边界层逐渐从翼型表面分离，最终完全脱离翼型表面的原理进行的。失速型风电机组的叶片是以一个固定角度安装在轮毂上，这个角度称为安装角。叶片的迎角沿叶片轴向从根部向叶尖逐渐减少。随着风速的增加，气流边界层首先从靠近叶根部分开始分离，边界层分离的位置逐渐向叶尖扩展，原来已经分离的部分的分离程度加深。由于叶片表面气流边界层分离，叶片的升力系数逐渐减小。由于风速在不断扩大，而叶轮输出的功率与风速的3次方成正比，尽管叶片的升力系数在减小，但是风电机组的输出功率却依然在增加，直至全部叶片进入完全失速区，风电机组的功率才降下来。
叶片的安装角要尽量达到最佳，以免影响机组额定出力。通常情况下，失速型机组在安装运行一段时间后，需要对叶片安装角进行调整，以使机组适应当地的风速条件，提高机组出力水平。当超过额定风速时，叶片迎角进入失速区，气动阻力变的很大，轴向推力随着风速增加而增加。因此，失速型风轮产生的轴向推力，随着风速继续增加时推力会增加，而且当功率恒定或稍微下降时也会这样。失速型机组的各个部件与变桨距控制机组相比所承受的单位载荷要大。叶片失速后，阵风对机组功率波动影响不大，因为时速后升力随风速的变化不大。所以在这一范围内产生的功率波动变化也不大。失速控制型风轮的优缺点如下：
优点：叶片和轮毂之间无运动部件，轮毂结构简单，费用低；没有功率调节系统的维护费；在失速后功率的波动相对小。
缺点：气动刹车系统可靠性设计和制造要求高；叶片、机舱和塔架上的动态载荷高；由于常需要刹车过程，在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷；启动性差；机组承受的载荷大；在低空气密度地区难于达到额定功率。
2.2 变桨距控制
变桨距控制是应用翼型的升力系数与气流迎角的关系，通过改变叶片的桨距角而改变气流迎角，使翼型升力变化来进行调节的。在低风速时，叶片的迎角较大，以获得较大的升力和转动力矩，随着风速增加到一定速度时，开始调节桨距角，以增加桨距角使迎角变小，在保持获得最大功率输出的同时防止气流边界层脱离叶片表面。当风速达到额定风速时，通过调节桨距角保持叶轮稳定的转速和扭矩，以稳定风电机组的功率输出，变桨距机组的控制系统通过叶片和轮毂之间变桨系统转动叶片来调节桨距角。
变桨距机组的叶片在机组停止时桨距角为90°。此时，气流对叶片不产生转矩，整个叶片实际上是一块气动阻尼板。当风速达到气动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的迎角，风轮获得足够的启动力矩开始转动。在风速低于额定风速时，机组控制系统根据风速的大小调整发电机的转差率，使叶轮尽量运行在最佳叶尖速比条件小。当风速达到或超过额定风速时，控制系统调节桨距角，保持机组输出功率稳定。变桨距控制风轮的优缺点如下：
优点：启动性好，机组并入电网发电时对电网及机组本身冲击小；刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降；额定点以前的功率输出饱满；额定点以后的输出功率平滑；风轮叶根承受的静、动载荷小。
缺点：由于有叶片变距机构、轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高；功率调节系统复杂，费用高。
三、Vensys变桨控制系统控制柜内硬件分布
Vensys变桨系统主要由PLC﹑充电电源、交流变频调速装置﹑交流电机﹑绝对式旋转编码器等组成，并由超级电容作为后备电源。
Vensys变桨控制柜主电路采用交流--直流--交流回路，由逆变器（AC-2）为变桨电机供电。变桨电机采用交流异步电机。变桨速率由变桨电机转速调节（通过逆变器改变供电的频率来控制电机的转速）。PLC组成变桨的控制系统，它通过现场总线(profibus-DP总线)和主控制系统交互通信，接受主控制系统的指令(主要是桨叶转动的速度指令)，并控制交流调速装置驱动交流电动机，带动桨叶朝要求的方向和角度转动，同时监测变桨系统的内部信号，把它直接传递给主控制系统。每个叶片的变桨控制柜，都配备一套超级电容组，作为的备用的UPS电源。超级电容储备的电能，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足够使叶片以7°/s的速率，从0°顺桨到90°。特殊情况下，当来自滑环的电网电压掉电时，超级电容直接给变桨控制系统供电，可保证整套变桨控制系统的正常工作，使叶片顺桨安全停机。
四、Vensys 变桨控制系统的主要元件及变桨变频器AC-2工作原理
4.1Vensys变桨控制系统主要元件
Vensys控制柜内部电源及控制检测部分：变桨充电电源NG5；变桨变频器AC--2；超级电容；电容电压转换模块A10；温度传感器Pt100；倍福BC3150及其他模块。
Vensys控制柜外部驱动及检测部分:滑环；变桨电机；旋转编码器；5°和87°接近开关；91°限位开关。
4.2变桨变频器AC-2
变桨变频器AC-2系统中的Encoder是增量式旋转编码器，用于逆变器输出频率和三相相序的校验，即通过电机旋转的方向和速度（编码器A、B增量通道脉冲的前后和单位时间的脉冲数量）来确定输出是否正确，它是逆变器的反馈。
五、Vensys 变桨控制系统的电气控制原理
Vensys变桨系统中，每个桨叶变桨角度都采用一个伺服电动机进行调节控制，由主控制系统控制三个桨叶的同步变桨，叶片角度位移传感器采用旋转编码器，安装在伺服电动机输出轴后端上，采集电动机转动角度。伺服电动机通过减速器及齿形带，带动桨叶进行转动，实现对桨叶的节距角的控制。在变桨驱动支架上安了两个接近开关，直接监测叶片转动的角度，并校验旋转编码器的信号是否正确，当叶片转过特定角度（5度和87度），接近开关输出24V高电平信号。叶片角度来源于安装在变桨电机后方输出轴上的旋转编码器，接近开关作为冗余控制的参考值，它直接反映的是桨叶节距角的变化，当旋转编码器出现故障时，PLC控制器便可知道系统出现故障，报出故障顺桨停机。
每个叶片的变桨控制柜，都配备一套由超级电容组成的备用电源，超级电容储备的能量，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足以使叶片以7o/s的速率，从0o顺桨到90o位置。当来自滑环的电网电压掉电时，备用电源直接为变桨控制系统供电，仍可保证整套变桨电控系统正常工作。变桨传动采用齿形带传动，变桨平稳，无需润滑，结构简单，寿命长。变桨控制柜中有总线控制器BC3150，其内部运行变浆控制程序，一方面负责变桨控制系统与主控制器之间的通信，另一方面负责变桨控制系统外围信号的采集处理和对变桨执行机构的控制。紧急状态下（例如变桨控制系统突然失去供电或通信中断），三个变桨控制柜中的控制系统，可以分别利用各自柜内超级电容存储的电能，分别对三个叶片实施90o顺桨停机动作。变桨控制柜装有温度传感器和散热风扇，可以对变桨控制柜及元器件的温度进行监测，能够及时的启动散热风扇的控制把变桨控制柜内的热量散掉，使温度降低，保护变桨系统。
由于变桨逆变器（AC-2）在系统中的作用是将60VDC转换成三相频率可变的29VAC，驱动变桨电机进行变桨动作。逆变器改变供电的频率来控制电机的转速，所以叶片在变桨时，逆变器将处于工作状态，最大电流可达450A，会产生很高的热量，散热由铝制散热底板和2个散热风扇组成，保持变桨逆变器在工作温度范围之内。在实际运行过程中，变桨逆变器散热风扇损坏特别多。变桨逆变器散热风扇的大量损坏直接导致变桨逆变器散热风扇的采购费用增加，同时间接的影响了变桨逆变器的工作温度，使变桨逆变器工作温度处于临界上限值，导致变桨逆变器使用寿命缩短。为防止机组因上述问题导致的故障停机造成经济损失，现对变桨逆变器冷却回路进行优化方案讨论如下：
图1变桨逆变器散热风扇电路图
六、变桨电机逆变器风扇电气回路优化
F1500-82机组原电气回路中，如图1变桨逆变器散热风扇电路图所示，变桨逆变器散热风扇M3的电源上级有F1保险和Q1空开，正常情况下，Q1空开常在合位，F1保险导通，变桨逆变器散热风扇为24小时工作，这样就直接导致变桨逆变器散热风扇工作寿命缩短。实际情况是，只有变桨机电工作、变桨逆变器工作、有电流流过，才会有大量热量产生需要AC2风扇进行散热，机组不变桨的时候变桨逆变器是不需要散热的。
变桨条件，机组在停机状态下，变桨角度为87°、待机状态下为49.7°、启动过程中，变桨角度由49.7°向0°方向变桨，并网后3-10.3m/s风速条件，不限功率运行，机组变桨角度始终保持在0°，叶片展开至最大迎风面，吸收最大风能，达到机组的额定出力；在大于10.3m/s风速条件，不限功率运行，机组通过改变叶片角度使叶轮转速恒定、使叶轮吸收风能恒定，使机组保持住额定功率；机组限功率运行，3-25m/s，通过改变叶片角度控制叶轮转速、控制变流器扭矩输出、达到控制机组功率的目的。
因此机组在不限功率条件下，风速10m/s以上，机组频繁变桨；机组限功率条件下，风速3-25m/s之间，机组频繁变桨；结合东北风电场实际情况，9-11月份为秋季大风季节，机组频繁变桨；12-2月份为北方冬季供暖期间，限电十分严重，机组频繁变桨；3-5月份为春季大风季节，机组频繁变桨；6-8月份为夏季高温天气，轮毂内温度达到45℃，机组在停机变待机、待机变并网过程中需要变桨，若AC2风扇损坏，AC2工作温度可达到70℃，而AC2最高工作温度为75℃，长时间温度运行可缩短AC2使用寿命，增加备件费用。因此AC2冷却回路优化势在必行。主要考虑三个因素，一是机组频繁变桨、二是变桨逆变器的温升较小、三是变桨逆变器的温度小于50℃，由于春季、秋季、冬季环境温度较低、即使大风天气和机组限功率运行，AC2温度也达不到50℃，因此只考虑变桨逆变器在夏季满足温度要求即可。
方案一：
如果将变桨逆变器散热风扇电源回路并接到变桨电机尾部，如图2方案一变桨逆变器散热风扇电路图所示，散热风扇M2回路，正常情况下，Q1空开常在合位，F1保险导通，机组在执行变桨命令时，K2继电器吸合，变桨电磁刹车提闸，变桨电机尾部散热风扇工作，变桨逆变器散热风扇也开始工作。
图2 方案一变桨逆变器散热风扇电路图
继电器型号为24V 250V~3*10A（N.O.)3*5A（N.C.），变桨电机尾部冷却风扇回路为230V，且用的是K2继电器对的常开触点，也就是说额定电流为10A，变桨电机尾部冷却风扇型号为230V~，50/60Hz，0.24A/0.18A，AC-2冷却风扇型号为230V~，50/60Hz，0.06A，也就是说，若将AC-2风扇与变桨电机尾部风扇并到一起，工作电流为0.36A，满足K2继电器230V回路的工作要求，且满足K2上口保险F1 2A的工作要求，可行。
优点：可以减少变桨逆变器散热风扇工作时间，只有机组变桨时变桨逆变器散热风扇才工作，与变桨逆变器工作的时间完全一致，大大减少了变桨逆变器散热风扇的工作时间。
缺点：当机组有间断性的变桨时，因为变桨时间短，变桨逆变器散热风扇工作时间也短，导致热量未完全散出风扇就停止了，如果再继续变桨，变桨逆变器散热风扇还是不能将热量未完全散出，如果反复几次就会导致热量堆积，使变桨逆变器温度高于工作允许温度上限。
方案二：
将变桨逆变器散热风扇电源回路并接到变桨电机尾部风扇回路，同时增加延时断开继电器，即机组在执行变桨命令时，K2继电器吸合，延时断开继电器吸合，变桨逆变器散热风扇开始工作，经过一段延时之后，延时继电器断开，变桨逆变器散热风扇停止工作。
优点：同样可以减少变桨逆变器散热风扇工作时间，机组变桨时变桨逆变器散热风扇工作，经过一段延时之后停止工作，不会导致变桨逆变器热量堆积，同时大大减少了变桨逆变器散热风扇的工作时间。
缺点：因机组限电频繁，风速不稳等现象，变桨频繁，导致变桨逆变器散热风扇一直工作。
方案三：
机组原电气回路中，如图3变桨逆变器温度检测回路图所示变桨柜内A8模块通过R3实时监测变桨逆变器温度。
图3变桨逆变器温度检测回路图
可以通过增加信号输出模块（KL2408）和继电器，同时更改BC3150程序。假设设定温度高于35摄氏度时信号输出模块有高电平输出，控制继电器吸合，继电器触点串联在变桨逆变器散热风扇电源回路里面，继电器吸合变桨逆变器散热风扇开始工作，低于30摄氏度时停止高电平输出，继电器断开变桨逆变器散热风扇停止工作；这样就实现当变桨逆变器温度超过程序设定的35摄氏度时，变桨逆变器散热风扇开始工作。当变桨逆变器温度低于设定的30摄氏度时，变桨逆变器散热风扇停止工作。
优点：根据变桨逆变器实时温度进行散热，减少变桨逆变器散热风扇工作时间。
缺点：需要添加模块KL2408、继电器、更改BC3150程序，人工成本和设备成本均较高；
图4方案四变桨逆变器散热风扇电路图
方案四：
如图4方案四变桨逆变器散热风扇电路图所示，在变桨逆变器铝制散热底板上安装PT100，增加温度控制器S1，通过温度控制器来控制控制变桨逆变器散热风扇是否得电工作；
优点：电气回路简单、成本低，起到良好的散热效果；
根据以上四个方案的分析，方案四是最佳的方案。方案四成功的完成了变桨逆变器散热风扇最佳的工作方式，既没有工作时间的浪费，也没有散热的不及时。达到了变桨逆变器的最佳温度控制。
参考文献
[1]邵联合主编，张梅有、吴俊华副主编，风力发电机组运行维护与调试，化学工业出版社，2012
[2]宫靖远，风电场工程技术手册，机械工业出版社，2004
[3]叶杭冶，风力发电机组的控制技术，机械工业出版社，2006
[4]杨校生，风力发电技术与风电场工程，化学工业出版社，2011
论文作者:杨峰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/18
标签：逆变器论文; 机组论文; 叶片论文; 散热风扇论文; 风速论文; 回路论文; 功率论文; 《电力设备》2019年第8期论文;