风电机组叶片远程智能锁研究

罗小峰，冼小强，朱一鸣，马文博，叶铸莹，温 钗

（1.广东粤电电白风电有限公司，广东 茂名；2.广东粤电阳江海上风电有限公司，广东 阳江）

1 概述及需求介绍

风能是一种清洁可再生能源，风力发电就是将风能转化为电能的过程。风力发电机是集机械、电气及空气动力学等学科为一体的综合设备，其大多安装在环境恶劣、气候复杂的地区，在运行过程中存在许多隐患，需要定期进行维护或检修，以及时发现故障及隐患，保证风机的效率[1]。

首先随着清洁能源风力发电机组发展，风电机组运行安全性要求及智能控制的需求风电机组维护或者台风来临之际，亟需智能远程控制系统实现机组叶片锁定，来提升机组的安全性并提高作业效率提升风场发电量。

其次位于我国东南沿海区域的风电场，每年均会经受数次台风侵袭，风力发电机组必须具备抗台风能力。台风来临时，电网会断电，变桨系统停止工作，需要外加机械锁定装置锁定叶片位置。抗台风机组配置手动叶片锁定装置，但手动锁定装置在使用时，需要在台风来临前逐台登上风力发电机组，进入轮毂，人工操作进行锁定，非常费时费力，工作量非常大。

保证安全的基础上，为降低台风工况下的维护工作量，开发自动叶片锁定，可以通过主控系统远程控制进行锁定叶片，减小人工登塔操作工作量；同时缩短维护操作时间，延长机组发电时间，增加发电量。本文基于机组实现叶片远程自动锁的目的来阐述其实现的方法。

2 原理分析

风力机组在超出切出风速时是通过变桨系统将叶片调整到顺桨状态，从而降低机组载荷。在停机状态下，为了确保叶片不被风吹动变桨，在变桨驱动电气末端安装了电磁抱闸装置，同时在轮毂内设计有手动锁定装置，当维护人员在轮毂内进行部分工况作业时，可以将叶片进行锁定，防止发生变桨动作[2]。极端风速作用在风电机组上的风载荷与风速平方成正比，当它大于结构强度的设计值时，结构材料发生屈服破坏[3]。因台风造成的风机倒塔事件后果损失严重。在极端恶劣风况下变桨电磁抱闸制动不足以提供稳定变桨轴承的作用需要配合额外的叶片锁定装置进行联合锁定，防止机组出现飞车现象，提高机组稳定性。变桨系统的载荷分析坐标系同轮毂坐标系一致。

基于以上原理亟需开发一套可以远程控制的叶片锁定装置，承受叶根载荷，防止机组停机状态下出现叶片转动，机组飞车的状况出现。

3 实现方法

采用稳定的锁定销结构，增加工业电动推杆进行驱动，主控系统对电动推杆进行供电和控制，实现叶片自动锁定。

在轮毂上增加锁定装置，在轮毂内加装电控柜，电控柜内配有控制器。主控控制系统与电控柜之间以通讯方式实现对叶片锁推杆电机的控制及反馈，通讯方式可根据实际机组进行不同配置，现主流风机通讯使用CAN，PROFIBUS 等。见图1。

图1 功能框图

控制方法1：叶片锁控制器做为风机主控的子站进行控制。

控制方法2：叶片锁控制器控制独立于风机主控，在中控室监控后台与风机主控进行数据交互。机舱柜和塔基柜新增工业交换机，两个交换机利用当前机舱塔基的备用光纤连接，塔基交换机单模接口连接至风电机组的已有环网交换机上。

在远程监控页面可通过【全选】和【全取消】按钮实现风场内风机的批量叶片锁定。

在远程监控页面通过逐台点击风机选中的复选框进行单台或多台选取。

综上所述两种控制方法均可，第一种方式，改动最小，成本节省，但是实现的时候需要根据不同机型进行定制化设计，第二种方式，成本高，安装较困难，但是不同机型适用性较好。

4 机械锁叶片锁原理

早期机组采用机械叶片锁定装置，分为锁定叶片螺栓和锁定轴承齿两种方式。

4.1 锁定叶片螺栓方式

把叶锁定装置用螺栓连接在轮毂上，卡住变桨轴承与叶片连接螺栓，用以固定叶片，防止其意外旋转[4]。叶片锁定装置有1 个或者多个U 形口可以卡住叶根螺栓，锁定座需与轮毂连接，借用轮毂上预留的安装孔进行锁定块的安装。在安装时需协调叶根螺栓及锁定座的位置。1 台风机可使用一套或一套以上叶片锁定装置，待使用完成后需要将叶根螺栓与锁定块连接部位拆除，虽然增加了机组安全性，但是使用时需要反复拆装，费时费力，且由于不同机型的风力发电机，变桨轴承和叶片连接螺栓的数量和分布往往也不同，因此现有的叶片锁定装置通用性不强。具体结构见图2。

图2 机械叶片锁定装置示意1

4.2 锁定轴承齿方式

机组正常运行时，叶片锁定装置与轮毂连接紧固，锁定柱体与变桨轴承保持一定间隙。运维或者台风季来临，需要维护人员登塔，将叶片锁定装置紧固螺栓松开，向变桨轴承内齿方向推动锁定装置，直到锁定柱体与变桨轴承齿啮合，此时再紧固叶片锁定装置与轮毂连接螺栓，若变桨轴承齿与锁定装置不对中，需先进行变桨调节变桨轴承内齿与锁定装置对中。具体结构见图3。

图3 机械叶片锁定装置示意2

由于卡叶片螺母式叶片锁定装置受螺母与螺母之间的间隙影响很大，所以，对于叶片固定螺栓很多的情况下，卡叶片螺母式叶片锁定装置将不再适用（因为顶板螺母卡槽板厚太薄）卡变桨轴承内齿圈式叶片锁定装置适用性更好[5]。

5 远程叶片自动锁原理

5.1 装置结构

远程叶片锁装置分为3 个单元和机构：锁定机构、驱动机构、控制单元。

锁定机构：锁定挡块与变桨轴承固定，锁定销支座与轮毂固定，叶片锁定销在锁定销支座的销孔中伸出和缩回，通过卡入锁定挡块销孔中进行锁定。

驱动机构：采用轻型电动推杆驱动，24 V 电源电压，<0.3 A 电流，通电即动作，断电即停止且能自锁，电动推杆自带位置传感器，反馈位置检测信号。

控制单元：变桨系统经由控制箱给电动推杆供电和信号控制，控制箱经由滑环与主控系统连接实现远程控制。

5.2 设计依据

按变桨驱动电磁抱闸失效工况载荷进行设计，叶片锁定装置强度上可满足极端工况条件下强度要求。

自动叶片锁定装置只能在91°顺桨位置锁定，正常运行时的电动推杆异常伸出不会引起安全问题；电动推杆损坏可以通过人工手动操作退回。

电动推杆带自锁功能，自锁力矩是额定力矩的1.2 倍，锁定状态电动推杆断电也能保持锁定不退回。

电动推杆自带位置检测信号，通过主控控制策略保证叶片自动锁定装置运行安全性。

5.3 机械结构介绍

叶片锁装置如图4 所示。后端板与锁定销支座采用螺栓连接，方便维护。

图4 叶片锁装置结构示意

叶片锁定销由锁定销支座支撑，由电动推杆驱动进行伸出和缩回，实现叶片锁定和解锁。

电动推杆前、后端采用销轴与锁定销和螺纹推杆进行连接。

通过螺纹推杆上螺母驱动螺纹推杆，可以推动电动推杆和锁定销整体移动，实现手动锁定叶片。

5.4 电气结构介绍

增加配电柜。可节约整改时间，减少现场整改所需的器件安装步骤及部分接线。

配电柜内包括开关电源、防雷端子、空开、接线端子等主要部件。

将经过滑环的控制信号，从变桨中控箱接至配电柜内。再从配电柜内将控制信号分别接入三个叶片锁定电机。

将叶片锁定反馈状态信号接入至配电柜内的控制模块。配合风机主控程序更改实现叶片锁定功能。

6 叶片远程自动锁应用案例

案例为一款在役的2MW 机组，对其进行叶片自动锁改造，可在中控室实现批量锁定和单台单支叶片锁定。具体实施过程如下。

6.1 叶片自动锁装置安装

拆下原手动锁借用原手动锁安装位置进行叶片自动锁装置安装。

6.2 电气改造

在轮毂内部合适位置安装电控柜。主控控制输出两路DO 信号，叶片锁定销伸出信号和叶片锁定销缩回信号。

两路控制信号由主控发出，通过硬接线，经过滑环送至配电柜后，分别送至三个锁定电机。三个叶片的叶片锁定反馈信号送至变桨控制模块，再通过变桨通讯以告警形式传回至主控。

6.3 远程控制设置

远程控制设置：在监控客户端界面内为叶片锁设置独立的显示控制界面，方便全场机组批量或单机机组叶片锁的操控。如图5 SCADA 监控系统内集成的叶片锁主界面。

图5 SCADA 监控系统内集成的叶片锁主界面

结束语

本文基于对风电机组对叶片锁定的智能化需求，通过软硬件结合的方式开发一套完整的远程控制的叶片智能锁装置。可大大提高现场机组锁定的效率增加发电量，同时增加机组的安全性。

本方案采用结构稳定的锁定销结构，增加工业电动推杆进行驱动，主控及变桨系统对电动推杆进行供电和控制，实现叶片自动锁定。

变桨轴承叶根位置增加单独的锁定挡块，用叶根螺栓进行固定，用于自动装置的锁定。实现自动锁定装置只能在顺桨位置进行锁定，在其他位置及时锁定销异常伸出也不能锁定叶片，降低雷电引起电动推杆误动作带来的风险。

自动叶片锁定装置可通过远程控制操作，在控制界面触发控制信号，三个叶片的锁定装置同时动作，启动后需确认变桨角度位于设定角度且收到锁定到位信号才能确定锁定到位；如出现异常不能锁定，需要维护人员登塔进行手动锁定。

自动叶片锁定装置增加手动锁定功能，在电动装置故障时，可以人工手动锁定叶片。