随着风电装机容量的增加，风电机组需要更智能、更可靠的控制，这对变桨系统提出了新的要求。张仁河、汪锋、尚志强在2024年第5期《电气技术》上撰文提出一种测量桨叶方位角和主轴转速的新方法，通过内置于变桨变频器的加速度传感器获取3个变频器的三向加速度分量，基于加速度分量可确定机组桨叶的方位角；另外，基于桨叶方位角的时间序列，可以计算得到机组主轴的转速。

研究背景

在双碳（碳达峰、碳中和）背景下，随着可再生能源发电装机容量的迅猛增加，以及新能源电力工业降本增效的需要，风电机组的数字化与智能化已成产业发展总趋势。

变桨系统是大型风力发电机组（以下称风电机组或风机）的重要组成部件。在风电机组正常运行过程中，可以通过各变桨系统实时调节桨叶位置实现最大能量捕获。另外，在风电机组报故障时，各变桨系统执行顺桨动作，以利用气动刹车使得风机安全停机。

论文所解决的问题及意义

在实现变桨系统智能控制时或进行变桨刹车力矩检测时，获取准确的桨叶方位角这一参数意义非常重大。当机组出现主轴转速升高，会导致出现飞车甚至倒塔的情况发生，这时变桨系统自身检测到主轴转速过高会控制桨叶顺桨，使机组能够安全停机。

论文方法及创新点

1、硬件安装方式

变桨变频器水平安装于变桨控制柜内，如图1所示。变桨控制柜以“Y”字型布局安装于轮毂的3个旋转面上，3个旋转面平行于主轴旋转，如图2所示。

图1 变桨变频器的安装方式

图2 变桨控制柜的安装方式

加速度传感器是一种用于测量物体加速度的设备，其工作原理基于牛顿第二定律，即物体的加速度与作用力成正比。本文主要通过测量由于重力引起的加速度，计算出设备相对于水平面的倾斜角度，以此来计算机组桨叶方位角。

三向加速度传感器31、32、33分别设置在对应的变桨驱动装置内后，风机在运行时，三向加速度传感器与变桨变频器一起跟随桨叶围绕轮毂中心轴线转动。桨叶围绕轮毂中心轴线转动时，在叶轮转动平面内，该桨叶的桨叶方位角在0~360°之间周期地变化。加速度分量在轮毂中的示意图如图3所示。

图3 加速度分量在轮毂内示意图

2、桨叶方位角的计算方法

三向加速度传感器的安装平面分别穿过3个三向加速度传感器31、32、33各自的质心，并与叶轮转动平面平行。针对各三向加速度传感器，可以分别具有一个安装平面。轮毂中心轴线分别垂直于叶轮转动平面、安装平面，在图3中，轮毂中心轴线与各安装平面的交点记为O。在各叶片在叶轮转动平面内依次位于六点钟方向时，定位轴向z1、z2或z3依次与重力加速度的方向平行，也即，与水平面垂直，这时，该叶片的桨叶方位角记为0°。

根据第一加速度分量y、第二加速度分量z、第三加速度分量x，确定第二加速度分量与水平面的第二夹角△z和第三加速度分量与水平面的第三夹角△x。

第二夹角△z、第三夹角△x的取值范围为-90°到90°,根据△z和△x的正负情况将桨叶方位角分为四象限来进行计算，四象限分布情况如图4所示。

图4 桨叶方位角四象限分布示意图

主轴转速的计算方法

每间隔1s读取上述方法中计算得到的桨叶方位角α，依次读取得到3个确定时刻之间的时间间隔分别为1s的桨叶方位角，形成方位角时间序列：a_t1、a_t2、a_t3，“a_t1”是最早获取的桨叶方位角。

根据方位角时间序列的a_t1和a_t2计算得到瞬时转速S1和S2，根据瞬时转速S1和S2，计算得出主轴转速S。

现场验证

机组也会通过高速轴编码器采集计算桨叶方位角和高速轴转速，该值在正常情况时十分准确，作为本方法的验证参考值，可称为实际值，将本方法测得值和实际值进行对比验证。

图5 测得方位角与实际值对比

图6 测得转速与实际值对比

经数据验证，测得桨叶方位角与实际值误差在3%以内；测得高速轴转速与实际值的误差在8%以内，当机组运行稳定后，测得高速轴转速与实际值的误差在5%以内。

结论

由此方法测得的桨叶方位角和主轴转速数据精准、可靠。桨叶方位角能够对机组的独立变桨控制提供有力的数据支撑，并且在机组断电后无需重新标记方位角的零位。主轴转速能够应用于叶轮超速故障判断中，当机组出现异常情况导致叶轮超速时，变桨系统能够自主判断并顺桨，防止飞车倒塔等重大事故的发生。

本工作成果发表在2024年第5期《电气技术》，论文标题为“基于加速度传感器的桨叶方位角和轮毂转速测量方法”，作者为张仁河、汪锋、尚志强。