1 變槳系統(tǒng)功能與分類?

變槳系統(tǒng)是變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，其功能是在額定風(fēng)速附近，依據(jù)風(fēng)速的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)葉片角度，控制吸收的機(jī)械能，在保證獲得最大能量（與額定功率對(duì)應(yīng)）前提下，減少風(fēng)力對(duì)風(fēng)電機(jī)組的沖擊；在停機(jī)時(shí)，變槳系統(tǒng)將槳葉調(diào)整到順槳位置，實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)制動(dòng)剎車，使風(fēng)電機(jī)組安全停運(yùn)。

目前，在變槳系統(tǒng)技術(shù)路線方面，國際上存在液壓和電動(dòng)兩種技術(shù)體系。液壓變槳系統(tǒng)是通過控制液壓單元的液壓缸驅(qū)動(dòng)連桿裝置來推動(dòng)槳葉，以實(shí)現(xiàn)變槳。電動(dòng)變槳系統(tǒng)則是通過減速機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)裝置，由伺服電動(dòng)機(jī)來推動(dòng)槳葉以實(shí)現(xiàn)變槳。

2 電動(dòng)變槳系統(tǒng)的構(gòu)成?

電動(dòng)變槳系統(tǒng)一般包括伺服電動(dòng)機(jī)、控制器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、不間斷電源、變槳減速機(jī)、傳感器等，其中傳感器主要分為限位開關(guān)、接近開關(guān)和冗余編碼器。

電動(dòng)變槳系統(tǒng)工作時(shí)，可編程邏輯控制器（pro- grammable logic controller, PLC）控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組主控所給的位置或速度指令控制伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行輸出，伺服驅(qū)動(dòng)器將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流和頻率信號(hào)進(jìn)一步控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，伺服電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩向低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)變。最終，變槳減速機(jī)齒輪通過與葉根軸承的嚙合，控制葉片實(shí)現(xiàn)角度變化。

3 葉片角度校準(zhǔn)的意義?

變槳電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)與葉根軸承相結(jié)合，形成一種可靠的機(jī)械連接方式，在風(fēng)電機(jī)組服役過程中，葉片角度會(huì)頻繁變換以適應(yīng)實(shí)時(shí)變化的風(fēng)速，同時(shí)伴隨著機(jī)械連接的磨損。磨損后的減速機(jī)或軸承將引起三支葉片角度不一致，造成風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)不平衡現(xiàn)象。

據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，氣動(dòng)不平衡將會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率，也會(huì)產(chǎn)生風(fēng)電機(jī)組額外問題，例如會(huì)對(duì)變槳系統(tǒng)、傳動(dòng)鏈、偏航系統(tǒng)等關(guān)鍵部件帶來損傷。所以，準(zhǔn)確的葉片角度校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的意義。

4 葉片角度校準(zhǔn)技術(shù)簡介?

針對(duì)葉片角度校準(zhǔn)，變槳廠商需要解決兩方面的難題：①校準(zhǔn)方案需要長期有效，即能夠在設(shè)計(jì)壽命20年內(nèi)準(zhǔn)確地檢測出預(yù)定的角度偏差；②校準(zhǔn)方案需要考慮足夠的設(shè)計(jì)裕量，確保變槳系統(tǒng)具備一定的容錯(cuò)機(jī)制，避免由于角度校準(zhǔn)故障誤報(bào)而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。

當(dāng)前，電動(dòng)變槳系統(tǒng)采用的葉片角度校準(zhǔn)技術(shù)主要有冗余編碼器方案和接近開關(guān)方案。兩種方案會(huì)在變槳系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的末端安裝絕對(duì)值編碼器，并將該編碼器的反饋值稱為默認(rèn)角度值。

此外，為校準(zhǔn)葉片實(shí)際角度，在葉根軸承上安裝傳感器（冗余編碼器或接近開關(guān)），該傳感器反饋值稱為校準(zhǔn)角度值。當(dāng)變槳系統(tǒng)中默認(rèn)角度值與校準(zhǔn)角度值偏差超過設(shè)計(jì)極限時(shí)，系統(tǒng)將報(bào)故障。

5 葉片角度校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用及優(yōu)化方案?

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在中國發(fā)展已近十余年，基于冗余編碼器的葉片角度校準(zhǔn)方案最早進(jìn)入市場，并被業(yè)內(nèi)所接受。但隨著國內(nèi)風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)政策的逐步推進(jìn)，冗余編碼器物料成本高、現(xiàn)場維護(hù)難度大的問題被進(jìn)一步放大。

根據(jù)固安華電天仁控制設(shè)備有限公司現(xiàn)有已并網(wǎng)的一萬余套變槳系統(tǒng)，2016年前并網(wǎng)且變槳系統(tǒng)MTBF低于24個(gè)月的風(fēng)場，總故障中有14.6%的故障為葉片角度校準(zhǔn)故障誤報(bào)導(dǎo)致。

因此，固安華電天仁控制設(shè)備有限公司的研究人員王振威、劉佳偉，在2021年第5期《電氣技術(shù)》上撰文，提出了一種更為優(yōu)化的基于接近開關(guān)的電動(dòng)變槳系統(tǒng)葉片角度校準(zhǔn)方案。該方案通過定位接近開關(guān)的安裝位置，以接近開關(guān)的被觸發(fā)角度范圍來校準(zhǔn)實(shí)際葉片的角度偏差。通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，本方案能保證校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化。

圖1 接近開關(guān)與金屬擋塊實(shí)物安裝圖

根據(jù)測試結(jié)果，使用基于接近開關(guān)的葉片角度校準(zhǔn)方案，在各工況下的被觸發(fā)角度范圍較為穩(wěn)定，在測試和使用上具備可行性。其中，接近開關(guān)具體位置的安裝需要結(jié)合設(shè)計(jì)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行定位；接近開關(guān)被觸發(fā)角度范圍，在實(shí)際使用中需要獲取最大被觸發(fā)角度偏差量加以修正。