风力发电变桨控制系统的优化

中图分类号：TM315 文献标识码：A

引言

随着近年来科技不断发展，人们用电量与工业用电量也日渐提升，新能源发电技术的开发迫在眉睫，而风力发电技术，有着得天独厚的优势，随着几年来的发展，风力发电技术也越来越成熟，因此风机的种类也相对有很多，变桨距风力发电机组增加了变桨距装置，就导致了故障率的提升，控制程序比较复杂，因此，本文将重点分析探讨风力发电变桨控制系统的优化措施。

1 风力发电变桨可靠性影响因素分析

1.1 电气滑环连接

变桨控制系统的供电和通信全部依靠电气滑环进行连接 , 电气滑环在工作中长期受恶劣环境影响 , 久而久之焊点会出现松动 , 导致电气滑环供电和传输信号异常。

1.2 风场环境

目前 , 国内风力发电机分布在各种地形和气候环境中。在新疆沙漠地区 , 夏天气温可达 45℃以上 , 加之风力发电机轮毂属于密闭环境 , 轮毂内温度可达 55℃。而在北方 , 冬天最低气温只有 -40℃。高温和低温极端环境可能导致材料性能退化、润滑变差、电子组件故障、密封件老化、电机效率下降等情况 , 提高变桨控制系统维护成本 , 缩短使用寿命。因此 , 变桨控制系统需要具备耐热和抗低温的能力。

1.3 复杂结构

风力发电机正常运行时 , 变桨控制系统控制桨叶处于迎风面 , 同时实时接收中央控制器的调节指令 , 保证在风速变化的情况下使桨叶能够承受最大风力。当风力发电机发生故障时 , 变桨控制系统突然失去供电 , 将无法维持桨叶的当前角度。桨叶可能会因风力作用而旋转到不安全的位置 ,导致转速失控 , 增大机械应力。甚至可能引起结构损坏或事故 , 严重时会使叶片和塔筒解体 , 造成安全事故。因此 , 变桨控制系统需要在风力发电机故障时驱动桨叶收桨至 90°位置 , 即桨叶迎风面最小位置 , 使风力发电机停机。传统的电动伺服变桨控制系统多为六柜结构设计 , 包括三个控制柜和三个后备电源柜 , 结构复杂 , 电气元件多 , 故障率高 , 任意元件故障都可能导致风力发电机停机, 变桨控制系统可靠性较差。

2 风力发电变桨控制系统的优化措施

2.1 提升安装过程的安全性

设计方面的问题会影响系统的稳定性，而在安装环节出现的一些问题也会影响到风机变桨系统的品质和性能。在实际安装过程中，工作人员必须经验丰富，要根据不同机型的安装手册，确定好安装流程，不能出现顺序颠倒的问题，否则会因顺序出错而影响风机变桨的正常运行。要做好组件的组装工作，保证组件牢固稳定，捆绑组件时可使用绝缘的连接线，能避免组件受到外部因素的影响，显著提升了组件的稳定性。与此同时，为使叶片具有良好的抗风性，工作人员必须选择品质合格的变桨开关，要选择好合适的安装位置，根据原先找好的位置完成安装，保证安装牢固。另外，安装好的设备必须先对其进行调试，若在调试过程中发现组件运行不佳，必须及时进行更换或维修，保证系统内的各个设备都是最佳的运行状态。

保持风机变桨系统的正常运行能为企业带来更大的经济效益，也能为社会创造更多的社会效益。为此，为避免出现变桨系统故障，相关部门要定期对风机变桨系统做好维护工作，维护过程中必须重点检查变桨电机刹车片厚度、机械部件的外观、电气元器件接线、设备固定螺栓松紧、元器件外观、电气和机械测试，根据测试和检查结果与维护手册进行对比分析，若出现不符合项，及时对相关部件进行更换或维修，并制定相关整改措施，确保设备安全稳定运行。

2.2 备用电源选型

国内主流的备用电源类型有铅酸蓄电池、锂电池、超级电容三种。

对比分析三种类型备用电源可知 , 超级电容的工作温度范围最广 , 达到 -40\~65℃ , 可以完全覆盖变桨控制系统的工作温度。铅酸电池和锂电池在 -40% 时需要加装加热装置 , 当柜内温度高于 55℃时需要加装冷却装置或停机。加装加热装置和冷却装置都会使变桨控制系统更加复杂 , 提高成本, 增加可能的故障点。

三种类型备用电源的使用寿命都会受到温度的影响。相对于 25^∘C 的额定温度, 温度每升高10K, 备用电源寿命会缩短一半。由于变桨控制系统的工作温度远高于 25^∘C , 因此铅酸蓄电池和锂电池的使用寿命会因受到温度影响而大幅缩短。超级电容寿命虽然也受到温度的影响 , 但是工作电压相比于额定电压 , 每降低 0.15V 寿命会延长一倍 , 由此超级电容在使用中可以通过降低工作电压来平衡温度升高对使用寿命的影响。从风场实际情况来看 , 铅酸蓄电池平均 2.5a 需要更换一次 , 超级电容则可以达到 10a 免维护的使用寿命。

从安全角度分析 , 锂电池的工作温度一旦过高会有起火爆炸的风险铅酸蓄电池在工作中会电离出氢气和氧气 , 一旦发生电打火 , 会有爆炸风险 , 超级电容则完全不存在起火爆炸问题。由此 , 综合考虑使用温度、使用寿命、安全性等多方面因素, 超级电容更适合使用, 满足要求。

2.3 器件布置

根据对变桨电机、备用电源、驱动器的选型 , 对变桨控制系统优化采用三柜结构方案 , 其中三个控制柜分别对应风力发电机的三个叶片 , 内置驱动器和超级电容 , 驱动器内置超级电容充电器、24V 电源、数字量输入输出模块、模拟量检测模块。超级电容充电器负责高效地为超级电容储能,确保在紧急情况下能够迅速释放能量以执行安全收桨操作。24V 电源为电子控制单元和其他低压设备提供稳定直流电源。数字量输入输出模块负责接收和发送开关信号 , 用于状态监测和控制逻辑实施。模拟量检测模块用于测量和监控电流、电压等连续变化的物理量 , 确保变桨控制系统运行在最佳状态。集成化方案提高了变桨控制系统的可靠性和维护效率 , 同时减少了外部接线和组件, 降低了故障率。

2.4 变桨电气回路故障处理

作为电气回路系统中的一个重要部件，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）能够有效控制桨叶状态。由于系统内的装置种类较多，且各个装置的功能各不相同，因此技术人员为锁定故障的位置和原因，必须根据已知的故障信息检查控制器的各个模块是否运行正常，其内部线路是否存在接触不良的问题，机舱至滑环线缆的连接方式是否合理。通过定期巡检和日常维护的方式排查锁定故障的位置，分析出引发故障的原因，进而进行有针对性的维修。另外，要给变桨系统做好全面润滑，保证润滑油充足，做好日常保养。若保养过程中发现问题，要立即处理，避免错过最佳处理时机。

结束语

针对风力发电变桨控制系统进行系统性研究 , 通过分析结构、工作原理及可靠性要求 , 提出了一种集成化方案 , 对变桨控制系统进行优化。经过实际风场环境模拟测试 , 验证优化的有效性 , 并针对常见故障提供合理的解决方法。实践表明 , 优化后变桨控制系统能够满足风力发电机的设计和运行, 展现出良好的应用能力。未来, 随着技术的不断进步和经验的积累变桨控制系统将在提高风力发电效率和降低维护成本方面发挥更加重要的作用。

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