浅析风电机组偏航平台实验设计与实现

浅析风电机组偏航平台实验设计与实现

摘要:很多风电企业对实验培训平台的投入较少,不利于提高员工的技能水平。研制出满足实验与培训要求的平台,可以更好地开展技术培训工作。本文先对偏航平台进行总体结构设计,再对偏航系统结构、系统实验和实验流程进行深入的探讨,可供相关人员参考。

关键词:风电机组;偏航实验平台;培训;设计

1  引言

偏航系统作用在于当风速矢量的方向变化时,能够快速平稳地对准风向,以便风轮获得最大的风能。开发风电机组偏航平台,可以让学员深入了解偏航系统原理,熟悉和掌握偏航系统部件与功能,独立自主地完成系统调试与测试,使其具备解决常见运行故障的能力。

2  偏航平台控制原理

偏航控制系统执行部件包括驱动装置、偏航电机等。实际应用中,主控系统发出命令控制驱动装置运行。本平台为模拟实际工况,利用倍福控制单元接收偏航系统外部输入,进行逻辑运算和处理后,控制偏航系统执行机构。人机界面可用于用户系统设定、参数设定、启停、上下限等设置,具体见图 1 所示。

3  偏航系统方案设计

3.1  偏航实训台

操作台作为偏航系统的控制中心,实验和培训都通过该操作台来完成,设置为手动、自动两种偏航方式,自动方式由 HMI 进行控制,偏航电机由皮带轮与齿进行连接,电机运转驱动齿运行。风向标安装于齿上,风向标的偏向会以模拟信号的形式反馈到 PLC 控制器。齿的铁齿上装有定位孔,齿安装平台附近装有定位传感器,齿每转动一个位置,定位传感器可以感应到转过的齿数,并将齿的位置反馈至模拟量输入模块。控制器根据风向标指示的位置和当前齿的位置做运算,得出运行方向,并按一定速度指示偏航驱动器运行,当齿的位置到达风向标指示位置,停止运行,完成风向跟踪,偏航实训台具体设计如图 2 所示。

3.2  平台设计思路

偏航系统一般包括感应风向的风向标、偏航电机、偏航行星齿轮减速器、偏航制动器(偏航阻尼或偏航卡钳)、回转体大齿轮等。本实验平台采用变频器驱动偏航电机,电机通过传动机构带动齿旋转,齿上的风向标模拟对风角度。为实现偏航系统诸多功能,通过 PLC 控制器来实现偏航系统的逻辑控制。(1)输入信号。平台的控制柜的输入包括:左 / 右偏航、自动 / 手动切换、极限位置等按钮;人机界面上可设置菜单;风向标、解缆信号、测速信号等直接输入 PLC 相应模块。如图 3 所示。(2)驱动装置。偏航电机的驱动早期有采样直接启动的控制方式,由于直接启动电机电流大、冲击强,有方案提出用软启动器作为偏航电机控制器。软启动器也存在不能调速,无法稳定控制电机力矩等缺点。为消除偏航系统存在缺陷,平台选用变频器启动偏航电机,并根据偏航电机容量,对变频器进行选型,利用变频器输出力矩可控、输出电压频率可调、负载大小任意调节等优势,保持转矩输出稳定,实现偏航系统性能优化提升。(3)控制单元。由于偏航系统的逻辑控制复杂,输入信号较多,信号种类也很多。利用 PLC 逻辑控制器来模拟偏航系统输入信号处理较为方便。控制单元实现的功能包括但不限于:与触摸屏通信、数字量输入信号处理、数字量输出信号处理、模拟量输入、模拟量输出等。端子排布顺序和位置如表 1 所示。

4  偏航平台功能模拟设计

4.1  对风实验。在实验台 HMI 中点击启动,触摸屏界面中会显示机舱角度、风向角度和偏差角,并对运行数据进行记录,选取风速给定模式和风况,当偏差角度低于目前风况条件下偏航角度,会保持在偏航待机状态。利用 HMI 界面或风向旋钮给定风向值,偏差角度超过目前风况条件下自动偏航角度设定值,偏航系统启动 10s 后进入到顺、逆时针自动对风状态。如果偏差角不超过目前风况条件下停止偏航角度,系统会停止顺、逆时针自动对风,然后进入到待机状态。

4.2  自动偏航与手动偏航。自动偏航是根据风速、平均风速等观察 25s 偏航角度绝对值和偏航限定位置的关系,判断是否满足自动偏航要求。偏航系统故障,10s 内平均风速小于 3m/s 或者大于 25m/s 时禁止自动偏航。紧急停机和安全链停机执行失败后触发故障紧急停机超时,进行 90°偏航。未触发更高级别偏航程序的故障代码基础上,通过人机界面或者开关手动偏航。

4.3  偏航穿越。偏航在堵转的时候会经过一段时间的堵转大电流,在此期间电流大而发热,断路器在接收到回路中的热量后会判断此电流可以维持多长时间后脱扣(大约 10s 中会脱扣)根据此特性,在偏航中做程序优化,时刻检测偏航启动时的速度,在偏航启动中,如果启动的速度在很长时间中启动不起来,就判定堵转。堵转后将偏航停止。穿越的过程中进行计数,连续计数 3 次报速度低故障,会跳偏航马达故障提醒维护人员进行上机检查。

4.4  偏航解缆。点击 HMI 中“开始解缆”按钮,偏航系统自动向逆时针方向解缆,解缆状态指示灯被点亮。机舱角度临近 0°时不再进行解缆。在风机停机模式下,通过手动调节开关,启动一级解缆二级解缆,HMI 界面可实时显示偏航扭缆位置绝对值和偏航解缆位置设定值。

4.5  传感实验。在上电后 3s 时间内,采用电位计对模拟信号接收横块提供 4 ~ 20m A 电流信号,系统会自动记录目前机舱初始位置。经过 3s 的延时以后,由接近开关状态改变情况计算出偏航条件下机舱位置,记录电位器旋转角度、接近开关变化情况、机舱偏航角度、模拟量数值。

4.6  限位器。采用手动调试的方式,确定出正北限位信号、左(右)极限限位信号。实验平台外齿圈和行程限位器齿轮比如果对应设定值,则对左(右)极限信号进行定义,小齿轮向对应方向旋转足够圈数。

4.7  偏航角度辨识。偏航风向标代表风向信号,其输出为电压或电流模拟信号,模拟信号的范围代表偏航的角度,其对应关系通过  PLC 算法实现。

5  结语

综上所述,根据偏航系统的结构与功能设计出的风电机组偏航平台,有着很强的仿真与技能培训能力,操作起来十分简便,通过系统的培训可以提高学员对偏航系统的认识,掌握内部电气元件原理与性能,可以有效提高作业人员的实践能力。可以根据实验平台制定出风电机组维修保养计划,对减少机组运行成本发挥着重要作用。

作者:武鹏 杜春峰 程海龙 单位:河北新天科创新能源技术有限公司