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风机设计中中央箱对电气布线的影响简析许爽

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：许爽

[导读] 摘要：我国是一个能源相对匮乏的国家，现代化建设的迅猛推进对能源的需求迅速攀升，能源已逐渐成为制约经济发展的一个瓶颈。

        （中广核（枣庄）风力发电有限公司山东枣庄 277200）
        摘要：我国是一个能源相对匮乏的国家，现代化建设的迅猛推进对能源的需求迅速攀升，能源已逐渐成为制约经济发展的一个瓶颈。而随着全球能源供应紧张、气候变化日益严峻，风能特别是风力发电以其洁净、无污染、可再生、蕴藏量丰富、使用方便、成本较低等显著优势走在开发应用前列。风力发电已成为新能源发电中增长速度最快、最有前途的能源转换方式。丹麦从20世纪80年代初就开始积极利用风能资源发电，30多年来，国外的风电产业得到了长足发展。如今，德国、西班牙、美国等国家走在了世界风力发电的前沿，预计在未来风电产业还将持续发展下去。中国、印度等亚洲国家正成为全球发展风电的中坚力量。
        关键词：风机；变桨系统；中央箱；电气布线
        1.风电机组简介
        风电机组主要由轮毂、机舱、塔筒三大部分组成。轮毂内安装有变桨系统，变桨系统通过滑环与主控系统相连，接收主控系统的供电和指令，完成对风能捕获能力的控制。变桨系统通过控制叶片自转捕获风能带动轮毂转动，轮毂与机舱内的主轴相连带动机舱内的发电机转子旋转发出电能。发出的电能经由放置在塔筒内的变流器柜整流逆变成50Hz的电能，最终送入电网中。机舱内部还拥有偏航系统，确保风机始终处于迎风位置。在风机吊装时，安装顺序为先安塔筒，再吊装机舱，最后吊装轮毂（吊装轮毂前，轮毂上需预先安好叶片）。
        2.变桨系统对电气布线的影响
        2.1具备中央箱的变桨系统
        风电机组的轮毂形状类似于一个圆锥体，轮毂的底部与机舱的主轴相连，轮毂侧面用于安装3个叶片。轮毂上安装叶片的位置附近就是变桨系统的安装处。变桨系统一般包含变桨控制柜、后备电源、限位开关、测量叶片转动角度的传感器、中央箱等。每个叶片各有一套变桨控制柜、后备电源、限位开关、叶片转动角度的传感器等设备；每套变桨系统有1个中央箱，一般安装于轮毂内或者主轴上。中央箱是主控系统与轮毂内变桨系统及其他设备之间的供电连接枢纽，主控系统通过滑环将电输送到中央箱，中央箱再将这一路电分为3路，送入3个叶片所对应的每个变桨控制柜中。作为供电枢纽，中央箱的安装位置以及存在形式对于机舱与轮毂之间的电气布线有着很大影响，间接导致了风机在安装调试轮毂时的难易程度发生变化。风电机组在吊装轮毂时叶片会预先安装在轮毂上，但此时叶片与轮毂之间的连接并不是完全打好力矩彻底固定的，最终的安装任务会在轮毂与机舱安装好后进行。轮毂上留有的打力矩空间无法将叶片的安装螺栓一次性全部安装到位，需要通过电气系统驱动叶片旋转，依次将未打力矩的部分驱动到安装空间。当采用中央箱安装位置位于主轴上的方案（简称方案一）时，出厂前就已完成滑环到中央箱的电缆接线作业，而中央箱到变桨控制柜的电缆则需在现场完成轮毂吊装后才能开始布线。这种方式的优点是节约了轮毂内部本就不充足的空间，缺点是增加了叶片吊装时的繁复程度（见图1）。在安装1号叶片时，需要先将1号叶片所对应的变桨柜与中央箱之间的供电电缆接线；安装2号叶片时，又需要将2号叶片所对应的变桨柜与中央箱之间的供电电缆接线；安装3号叶片时，需将3号叶片所对应的变桨柜与中央箱之间的供电电缆接线。由于轮毂空间狭小，极大地增加了施工人员的工作量。该种中央箱的固定方式，近年来在风电机组的设计使用中逐渐减少。
        图1.具备中央箱的变桨系统安装方式简易结构图：

        为了避免上述固定方式所带来的困扰，在设计变桨系统时主要采用以下两种方式来解决：一是取消中央箱，主控系统的电缆通过滑环直接进入一个变桨柜为其供电，然后该变桨柜又为下一台变桨柜供电，依次并联；二是缩减变桨系统结构后备电源的占用空间，将中央箱安装在轮毂内部所节约的位置中。
        2.2无中央箱常规型变桨系统
        取消中央箱，将3个变桨柜依次串联（简称方案二），能够避免中央箱带来的一系列麻烦，减少可能的故障点。方案二的电气布线结构见图2。滑环上的动力电缆经主轴进入轮毂，最终接入1号变桨柜，为1号变桨柜供电。1号变桨柜再引出电缆为2号变桨柜供电，然后2号变桨柜再引出电缆为3号变桨柜供电。根据上述供电模式可看出，1号变桨柜所接受的电流最大，这将导致3个变桨柜的内部元器件的选型有所不同，供电回路的电流耐受值差别较大，滑环的动力电缆也只能接入1号变桨柜中。方案二目前只适用于变桨系统额定电流较小的机组，对于变桨系统额定电流较大的机组，方案二会导致1号变桨柜元器件的成本增加较多，且对1号变桨柜元器件的设计选型和排布要求也较高。方案二相对于方案一需要固定主轴端面上的电缆，且吊装轮毂时1号变桨柜必须距离主轴端面上的电缆位置最近。
        图2.无中央箱结构常规型变桨系统安装方式简易结构图：

        2.3无中央箱结构紧凑型变桨系统
        优化变桨系统结构，缩减后备电源占用空间，将中央箱安装在轮毂内部节约出的位置（简称方案三）。方案三对变桨系统和后备电源的要求较高。通常后备电源会作为单独的柜体与变桨柜配套使用，且柜体尺寸仅略小于变桨柜，若要将后备电源与变桨柜（或变桨系统内其他设备）集成到一个柜体内并不是一件容易的事情，对后备电源的选型和柜体布局等要求较高。方案三与方案二的电气布线要求一致，需要固定主轴端面上电缆，只是在吊装轮毂的安装要求中增加了中央箱必须距离主轴端面电缆位置最近的内容。与方案二比较，方案三节约了轮毂内的空间，使其对于额定电流较大的变桨系统机组也能适用。
        结论
        简而言之，方案二与方案三对于滑环转子端的电缆布线和轮毂与主轴之间的定位安装有较高的要求。设计人员在规划电气布线时需对滑环转子电缆提供较多的保护，以保障变桨系统与主控系统之间的通信和电源供给。设计时，不仅需要考虑风机振动对电缆固定的影响，还需要注意避免电缆由于走线路径可能存在的自转现象。变桨系统的电气布线对于保障风机正常运行至关重要，电气布线的不合理极易导致变桨系统故障的发生，且会增加运维成本。
        参考文献：
        [1]郭嘉.风力发电机变桨自动控制系统的设计与实现[D].北京：华北电力大学，2018
        [2]李政璋.2MW风电机组变桨系统设计与研究[D].成都：西南交通大学，2019