中广核楚雄大姚风力发电有限公司 675400
摘要：进入21世纪以来，传统的石油能源的快速消耗和全球生态环境的恶化对人们的生活生存条件产生了非常恶劣的影响。所以，解决能源和环境破坏问题变得尤为重要，世界各国都在积极寻求替代能源。因此，诸如风和光之类的新型可再生能源已经进入许多国家的视野。世界每年产生的风能资源约为2.74108 MW，其中能够利用的风能约为2108 MW，与目前地球上开发和利用的水力发电相比风能资源是非常巨大的。风力发电场的环境相对较差，因此发生故障的设备尤其是变桨系统的维护对于确保高容量的高效发电提出了巨大的挑战。变桨系统安装在风力涡轮机的轮毂中，并且在风力涡轮机运转期间根据风速和发电量的变化在调节叶片的桨距角中起重要作用。为解决因为风力发电机的电滑环接触不良，导致的主控系统与变桨系统之间的通讯中断的问题，需要将单片机和无线通信技术应用于风力发电机主控与变桨控制之间的通信系统中。为单片机、主控制系统和音调系统之间建立连接，使用单片机和无线通信模块来构建可以从主控制或音调系统，使用无线发送接收通信设备进行实时接收数据，缩短距离。使无线传输达到在主控制器和变桨系统之间达到实时传输通信信号的目的。
关键字：风力发电机，电动滑环；无线通信
引言
风力发电机组的变桨系统是由滑环来提供动力，控制系统和变桨系统之间的通信数据传输和安全链信号连接由滑环来负责。滑环在整个风力涡轮机中占总机器价值的百分比非常低，但是滑环的整体性能、可靠性和使用寿命会直接影响整个机器的性能。早期滑环存在原始设计以及后期维护等方面的问题，造成了风力发电机组越来越多的故障，给风电场造成很大的经济损失。当前，大多数风力涡轮机的主控制和变桨系统都使用现场总线通信，通信电缆是屏蔽双绞铜线电缆，是专用电缆，中间的旋转接触部分需要通过滑环来连接。滑环如果存在的问题会导致通信不畅，所以要不断进行优化。
一、风力发电机组变桨滑环的现在发展请况
根据中国主要发动机制造商的统计，使用变桨系统的中国风力发电机的市场份额和相关技术类型达到79%，目前中国的操作装置滑环约占65，000台左右。此外，随着中国风力发电厂产能以20%至30%的速度增长，预计中国的风电滑环将长期保持快速增长。由于技术壁垒和垄断，早期我国使用的风力涡轮机滑环大多是从国外进口的。随着我国不断对国外滑环的先进设计和生产技术进行引进吸收，国内企业也生产出高性能、高质量的滑环。根据对各种家用风力发电机中使用滑环的调查研究，国产滑环与进口滑环的实际运行性能完全相同，在价格和售后服务质量上，国产滑环比进口滑环更具有优势。所以，现在中国的风电滑环在市场上逐步取代了进口的滑环，在市场上占据了主导地位。
二、风力发电机组变桨滑环存在的缺点
滑环由多个环和电刷组成，并且屋顶随风力涡轮机的轮毂一起旋转。电刷连接到回路，以保持与回路的电连接。滑环的环侧需要连接到变桨系统，电刷侧需要连接到主控制器。由于滑环内部连接电缆的针脚松动，风力涡轮机的长期运行和运行过程中的强烈振动通常会导致接触不良。环和电刷之间的摩擦时间长，环容易磨损。一些低电压的通讯数据信号和微弱的信号在传输过程中间歇性地出现，比较容易出现通讯中断等问题。因此，滑环需要经常用专用工具和清洗液进行清洗和维护，非常的繁琐，并且如果清洗和维护不当，效果会更差。风力发电机和变桨系统的主要控制方式是现场总线通讯方式，通讯信号较弱，因此由于滑环因素引起的通讯中断失败非常普遍，这是风力发电机中普遍存在的问题。现在很多电气工程师使用增加滑环通道来解决通信故障的问题，但是只能暂时消除，随着时间的流逝，故障会再次出现。另外，尝试用光纤滑环代替，但是最终，由于风力发电机组的振动丢失了光信号，没有达到理想的效果。
三、风力发电机组无线通信的新想法
基于数据传输系统物理层中主控制器和俯仰之间的无线通信连接，取代了滑环的功能。原始现场总线有线连接。把断点连接到滑环，并将无线通信设备连接到断点，实现点对无线的连接。主控制和俯仰的数据信号需要通过无线通信收发器传输到目的地。无线通信与主控制器和变桨控制之间的有线连接与原始的现场总线协议保持不变，但是物理连接将有线连接替换为无线连接。
（1）无线通信的设计思路。
根据无线通信设备，其由单片机和无线通信模块技术构成。一组无线电通信设备连接到俯仰系统，另一组连接到主控制系统。数据传输侧单片机的主要功能是收集从连接系统传输过来的数据信号，把数据信号调制为无线通信模块可以识别的数据，然后将其传输到无线通信模块，并将该模块定义为传输模式。该通信数据进一步用相应的无线电传输信号进行调制，然后通过天线无线传输。数据接收侧的微控制器首先将无线通信模块定义为接收模式。模块接收到相应的无线电信号后，将对信号进行解调并将其发送到微控制器。微控制器解调数据并恢复与原始现场总线协议的通信。系统接收到数据信号后，单片机可以将数据转换为原始的现场总线数据通信协议数据包，然后发送到相应的主控制或变桨控制系统。
（2）无线通信设计要点。
控制引脚与单片机的控制引脚相连是无线通信模块的模式，单片机在控制无线通信模块时，要根据模块工作的时序波形图进行编写程序。在发送数据之前，需要无线通信模块的一组处于发送模式，另一组处于接收模式，同时，从接收模式状态切换到发送模式状态需要一定的接受时间。数据进行发送后，无线通信模块等待对方的数据命令时必须处于接收模式。在接收到数据之后，将无线通信模块再更改为发送模式，发送一组数据，其中包含以下信息：该数据已被接收并且正在等待接收，或者该数据将被发送。发送和接收数据包的格式必须事先约定。在风力涡轮机的主控制和俯仰通信中，主控制系统主要在风力涡轮机启动、停止或自然风速变化时向俯仰系统发送命令，并且俯仰需要实时地改变俯仰而不会中断。来自系统的各种信号被传输到主控制系统。因此，变桨系统通常是进行发送数据，而主控制系统则进行数据接收。
四、风力发电机变桨滑环的维护方法
目前中国存在额弃风限电现象比较严重，风电场的年经济效益不容乐观，如果滑环出现故障或损坏严重，需要更换新的滑环，这将影响风电场的经济效益。在设备运行两年后，发生了许多滑环故障，部分是由于滑环的设计缺陷，部分是由于制造滑环的材料质量不足。因此，要为风电场的滑环的长期维护制定相应的计划。
（1）缺陷校正。
由于这种类型的滑环的设计缺陷，针对这些缺陷要尽快制定并实施正确的纠正措施。因为滑环的密封性能可能存在不足，通心轴内部大量灰尘会进入滑环内部，需要在通心轴的PVC管中进行一次密封，以有效地分离污染物。
（2）定期维护。
滑环的定期维护和设备的定期维护一般每半年进行一次。因为，频繁的清洁滑环也会影响滑环的使用寿命。建议在定期进行检查时，重点检查滑环的导电环，并根据实际情况来决定是否进行维护。为避免损坏，严禁使用油性清洁剂进行清洁。由于车顶和电刷的腐蚀，禁止在清洁过程中拆卸电路板。清洁后，使用热风枪吹干润滑剂并将其滴入每个导电回路中。
结语
将旋转部分从电滑环连接改为无线通信连接后，风力发电机主控系统与变桨系统之间的现场总线通讯具有明显的优势，完全克服了由于滑环的振动或磨损而引起的通信中断。通过对滑环缺陷的深入分析，可以有效控制风电场滑环的故障，大大减少了故障的次数。滑环的后期维护方案可以有效地提高滑环的使用寿命，大大降低了更换滑环电刷和导电环时的维护成本，经济性和实用性高。
参考文献：
[1]白焰，吴鸿，杨国田.分散控制系统与现场总线控制系统[M].北京：中国电力出版社，2018.
[2]陈帮媛，蔡型，张思全.短距离无线通信技术综述[J].现代电子技术，2017（3）：68-70，79.
[3]风力发电及相关技术综述[J].魏伟，许胜辉.微电机.2009（04）
[4]变速恒频风力发电系统变桨距智能控制[J].姚兴佳，温和煦，邓英.沈阳工业大学学报.2008（02）
[5]变速恒频风电机组额定风速以上恒功率控制[J].姚红菊，赵斌.能源与环境.2005（03）