苏锦辉
晋能清洁能源有限公司内蒙古七和风力发电有限公司 山西省长治市047100
摘要：风电机组变桨系统安装于风电机组轮毂中，在风电机组运行时起着随风速及发电功率变化而及时调整其桨叶桨距角的重要作用。为了解决风电机组电气滑环接触不良而造成主控系统与变桨系统之间通信中断的问题，将单片机及无线通信技术应用到风力发电机主控与变桨之间的通信系统中。建立了单片机、主控系统及变桨系统之间的联系，提出了利用单片机及其无线通信模块组成超短距无线发射与接收的通信装置，实时接收来自主控或变桨系统的数据并实时的加以无线传输，以达到对主控与变桨系统之间的通信信号能进行无线实时传输的目的。
关键词：风电机组 ；电气滑环 ；现场总线 ；无线通信
滑环为风力发电机组变桨系统提供动力电源，并负责控制系统和变桨系统的通讯数据传输和安全链信号的连接。虽然滑环在整个风力发电机组中所占整机价值比例非常低，但是滑环整体性能、可靠性及工作寿命却会直接影响整机 的性能和可靠性。 由于早期滑环的原始设计缺陷和后期维护等各方面问题导致滑环造成的故障越来越多，给风电场造 成了较大的经济损失。现在绝大部分风电机组的主控与变桨系统之间为现场总线通信方式，通讯电缆为专用的带屏蔽双绞铜缆，中间旋转接触部分用电气滑环相连接，而电气滑环存在的诸多缺点会导致通信不畅，因此有必要对其进行优化。
一、风力发电机组滑环发展现状
根据我国各大主机厂商的市场份额及各自的技术类型统计，我国风电机组使用电动变桨系统份额高达 79%，据此估算我 国现阶段运行机组滑环占有量高达六万五千台左右。 而且随着我国风电装机容量以 20%～30%的速度增长，预计很长一段时间内我国的风电滑环都将保持高速增长。 由于技术壁垒和垄断， 我国早期风电机组中所使用滑环大部分从国外进口，随着国内不断引进并吸收国外滑环先进设计和生产技术，目前国内一些企业已经具备生产出高性能优质滑环的技术实力。相关国内各风电机组滑环使用情况调查研究表明，国产滑环实际运行中的表现已经完全可以和进口滑环相，同时国产滑环在价格、售后服务质量等方面完全超越进口滑环 而且国内滑环生产企业已经能够针对缺陷滑环提供不同的升级产品和服务解决方案。因此，我国风电滑环市场将向国产滑环逐步替代进口滑环并占据市场主导地位过渡。
二、风力发电机组滑环的缺陷
电气滑环内部由多个环道及电刷组成，环道随风电机组轮毂一起旋转，电刷则依附于环道上保持与环道在电气上的连接，一个环道与一个电刷构成一组电气通道。滑环的环侧与变桨系统相连，而刷侧则与主控相连。由于风电机组长时间的运行，以及在运行时的强烈振动，因此经常使滑环内部连接电缆的插针松动而导致接触不良，环道与电刷的长时间摩擦，又易使环道上产生磨屑物，一些电压较低信号较弱的通信数据信号在传送时就会时断时续，容易产生通信故障。因此电气滑环要经常用一些专用工具及专用清洗液进行清洁保养，十分麻烦，若清洁保养不当效果反而更加不好。风电机组主控与变桨系统之间为现场总线通信方式，通信信号较弱，因此由于电气滑环的因素而导致通信中断的故障非常常见，几乎是风电机组的通病。许多电气工程师利用增加滑环通道数量来解决通信故障问题，但也只是权宜之计，只能是暂时消除，时间一长故障又会出现。也曾试过改用光纤滑环来替代，但终究因风电机组振动等原因丢失光信号而未能达到其理想效果。
三、风力发电机组数据无线通信的设想
基于主控与变桨之间数据传输系统在物理层上的无线通信连接，从而来代替电气滑环的功能。
在原有现场总线有线连接的基础上，在电气滑环处增设一个断点，并在断点处加入一组无线通信装置，以实现点对点的无线连接。主控及变桨的数据信号经过此无线通信收发装置传输至相应的目的地。无线通信装置与主控及变桨的有线连接均保持原有的现场总线协议不变，只是在物理连接上用无线连接代替有线连接。
1、无线通信的设计思路。根据无线通信装置是利用单片机及其无线通信模块技术制作而成。其中一组无线通信装置连接变桨系统，另一组则与主控系统相连接。发送数据侧单片机的主要功能是采集与其相连接的系统所要发送的数据信号，将此数据信号调制成无线通信模块可识别的数据后传送给无线通信模块并将模块定义为发射模式，无线通信模块将此通信数据再进一步调制成相应的无线发射信号后经天线进行无线传送。接收数据侧的单片机则首先会将无线通信模块定义为接收模式，模块接收到相应的无线信号后，对信号进行解调并传送给单片机，单片机再将数据解调恢复至原先现场总线协议的通信数据信号后传送至相应的系统。单片机也可以轻易地将数据转换成原先的现场总线数据通信协议的数据包后，传送给相应的主控或变桨系统。
2、无线通信的设计要点。无线通信模块的模式控制引脚与单片机的控制引脚相连接，在单片机对无线通信模块控制方面进行编程时一定要根据该模块的工作时序波形图来编写程序。在发送数据之前，应将发送一组的无线通信模块置于发射模式，另一组置于接收模式，其间还应该保留一段从接收模式状态到发射模式状态切换的延迟时间。在数据发送完毕后，应将该无线通信模块置于接收模式，等待另一侧的数据命令。而接收侧在接收完数据后应将无线通信模块改为发射模式，并发射一组有数据接收完毕等待继续接收，或要准备发射数据的信息的数据。发射和接收的数据包格式预先要约定好。在风电机组的主控与变桨通信中，主控系统主要在风电机组启机、停机或自然风速发生变化时发送命令给变桨系统，而变桨则要实时地、不间断地将变桨系统中的各类信号传送给主控系统。因此变桨系统一般以发送数据为主，主控系统以接收数据为主。
四、风力发电机组滑环维护策略
由于目前我国弃风限电现象比较严重，风场年度经济效益并不乐观，如果在滑环出现故障就更换新的滑环，这样将会进一步给风电场经济效益带来负面影响，该风电场滑环在机组运行两年后滑环就集中爆发大量故障，一部分是由于滑环设计存在缺陷导致，一部分是由于滑环制造材料性能不够导致质量下降造成的。 因此需要就该风电场滑环中长期维护制定相应计划。
1、缺陷整改。由于该型号滑环存在设计缺陷，现场需要对这些缺陷制定相应整改措施并尽快实施。 针对滑环密封性能不够，导致通心轴内部粉尘大量进入滑环内部，可以在通心轴 PVC 管处增加一级密封，保证污染物被有效隔离，这样可以避免滑环轴承及导电环道和电刷污染。
2、定期维护。滑环的定期维护和机组定期维护时间应该同步，一般为半年进行一次。 同时，频繁的清洗滑环可能会对滑环使用寿命有一定影响，建议在定期维护时对滑环导电环道进行检查，并视情况决定是否维护；清洗时严禁使用油基清洗剂以防对环道和电刷腐蚀；清洗时禁止拆卸电路板，清洗完使用热风枪烘干，对每 个导电环道滴入一滴润滑油。
风电机组主控系统与变桨系统的现场总线方式通信在旋转部位由电气滑环连接改为无线通信连接后具有其明显的优点，它彻底地克服了电气滑环因振动或因环道上的磨屑物而产生的通信中断问题。通过对滑环故障进行深入分析，该风场滑环故障得到有效控制，故障次数大幅减少。所制定的滑环后期维护计划，可有效提高滑环使用寿命，并在滑环电刷和导电环道的备件更换方案 上大幅减少维护费用，具有很高的经济性和实用性。
参考文献：
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