风力发电机组变桨系统探析

2020-12-28伍钊宏

通信电源技术 2020年17期

伍钊宏

（湘电风能有限公司，湖南湘潭 411102）

0 引言

风力发电具有清洁环保和可再生性等优势，在全世界得到了快速发展。国内风力发电起步晚，后劲足。随着2006年1月1日《中华人民共和国可再生能源法》的实施，国内风力发电行业迅速崛起，装机数量迅速增长，到2020年已有十几万台。然而，随着装机数量的迅速增长，风力发电机组倒塌、损坏以及烧毁等重大事件随之出现。重大事件的发生导致了人力、物力以及财力等方面的巨大损失。因此，发生事故后排查、分析以及总结事故原因以预防事故再次发生变得尤为重要。在重大事件中，风力发电机组飞车事故最突出，其中飞车事故中变桨系统故障是主要原因。因此，探讨及分析变桨系统，探寻一种经济科学、稳定可靠以及精准安全的变桨系统势在必行。本文从风力发电机组的变桨系统组成入手，探析两种基本的风力发电机组变桨系统。

1 变桨系统基本组成的分类

1.1 控制回路的分类

控制回路分为两种：一种是由PLC控制模块、直流驱动以及紧急变桨模块构成控制回路；另一种是由交流驱动构成控制回路，其交流驱动集合了PLC控制、驱动以及紧急变桨模块功能。

1.2 变桨电机的分类

变桨电机分为两种：一种是直流电机，功率较小；另一种是交流电机，功率较大。

1.3 紧急变桨后备电源的分类

紧急变桨后备电源分为两种：一种是直流电池柜，由化学电池构成；另一种是直流电容柜，由储能电容构成。

2 变桨系统分析

2.1 变桨系统的选取

变桨系统有多种，本文选用直流变桨系统和交流变桨系统两种具有代表性的典型变桨系统。

2.1.1 直流变桨系统

直流变桨系统是一种早期的变桨系统，由PLC控制模块、直流驱动以及紧急变桨模块做控制回路，由直流电机做变桨电机，由直流电池做紧急变桨后备电源。在直流变桨系统正常运行时，PLC向驱动和紧急变桨模块发出使能信号，驱动输出直流控制电机转动，而紧急变桨模块通过24 V控制直流电机刹车。控制回路的3个部分相互配合，从而控制直流电机正常运行。在直流变桨回路紧急变桨时，直流电池直接作用于直流电机，使电机在大直流电下紧急收桨。直流变桨系统如图1所示[1]。

图1 直流变桨系统简图

2.1.2 交流变桨系统

交流变桨系统是现在比较常用的一种变桨系统，由交流驱动做控制回路，交流电机做变桨电机，直流电容做紧急变桨后备电源。交流变桨系统无论是在正常工作还是紧急变桨，都是通过交流驱动控制输出交流电的大小，从而实现交流变桨电机在不同电流下以不同的速度变桨。交流变桨系统如图2所示。

图2 交流变桨系统简图

2.2 变桨系统性能分析

2.2.1 变桨系统控制分析

直流紧急变桨系统速度和交流紧急变桨系统速度分别为：

可以看出，紧急变桨时，交流变桨为稳定的额定转速，直流变桨系统的电机转速由变桨电池决定，额定转速不稳定。紧急变桨时，交流变桨系统的直流后备电流先通过交流驱动转变为交流电流，再稳定传给交流电机，不会形成瞬时大电流而烧坏电机，可见交流控制回路的控制可靠稳定且结构简单。直流变桨系统在紧急收桨时由于没有通过驱动，紧急变桨不好控制。虽然直流紧急收桨回路中在直流电机和后备电池之间有过流电阻，但由于后备电池瞬时电流不可控，直流变桨系统在紧急变桨时仍时常出现直流变桨电机烧坏的现象[2]。由于直流紧急变桨时失去了驱动控制，变桨电机大多数情况下会冲过第二个限位开关才能停止，很容易对限位开关及变桨齿轮造成机械损伤。而在控制方面，直流变桨回路还有个致命的弱点，即3个变桨电机统一由一个PLC控制，如果发生事故且PLC不能正常控制变桨时，3个叶片极有可能都不会紧急收桨而发生飞车事故。交流变桨控制回路3个交流驱动则分别控制，相互独立，如有一个驱动不能收桨，另外两个驱动收桨不会受影响。现在的交流变桨控制系统在其他方面也有改进，如表1所示。

表1 交流变桨控制系统其他方面改进表

2.2.2 变桨系统电机分析

交流变桨电机和直流变桨电机对比如表2所示。可以看出，交流变桨电机比直流变桨电机功率大，结构简单，制造更方便，成本更低。在刹车、角度反馈以及散热上，交流变桨电机更胜一筹，且其外部电源使用的是应用广泛的交流电源。直流电机需要用电刷和转向器进行电流和电压的转向来实现电机的转动。国内的电刷和转换器的制造工艺不高，电刷和转换器之间常有电火花出现，导致转向器容易氧化甚至绝缘，因此直流电机频频发生故障。在风机发电机组中，直流电机功率小，能平滑控制电机速度，一般用于小功率和叶片短的风力发电机组。在风大、功率大以及叶片长的风力发电机组中，交流变桨电机应用广泛。