基于老舊風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)技改替換的研究與應(yīng)用

丁宛超

（國(guó)能信控互聯(lián)技術(shù)（河北）有限公司，河北 廊坊 065500）

變槳系統(tǒng)作為大型風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的核心部分之一，對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行具有十分重要的作用。國(guó)內(nèi)變槳系統(tǒng)以電動(dòng)變槳為主，包括電動(dòng)直流變槳系統(tǒng)和交流變槳系統(tǒng)。電動(dòng)變槳系統(tǒng)通常由系統(tǒng)PLC、驅(qū)動(dòng)器、變槳電機(jī)、后備電源組成。目前直流變槳系統(tǒng)以國(guó)外廠商居多，國(guó)內(nèi)部分廠商技術(shù)路線與國(guó)外接近，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)復(fù)雜，維護(hù)不方便，隨著國(guó)內(nèi)變槳系統(tǒng)廠商的崛起，國(guó)外廠商受到較大沖擊，國(guó)內(nèi)變槳行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，部分國(guó)內(nèi)外變槳廠商退出變槳市場(chǎng)，導(dǎo)致一些早期的變槳系統(tǒng)缺少技術(shù)服務(wù)及備品備件供應(yīng)，風(fēng)電機(jī)組非正常停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)電量損失嚴(yán)重。同時(shí)由于缺少軟硬件的優(yōu)化更新，這些變槳系統(tǒng)存在一定的安全隱患，更換為當(dāng)前主流變槳系統(tǒng)是客戶和廠商共同的目標(biāo)。

變槳系統(tǒng)安裝于風(fēng)機(jī)輪轂內(nèi)，更換已投運(yùn)機(jī)組的變槳系統(tǒng)常規(guī)做法是利用塔吊將葉輪吊至地面，拆除葉片后，再將原變槳系統(tǒng)拆解并安裝新變槳系統(tǒng)，完成后將葉輪組裝好并吊至空中組裝。這樣相當(dāng)于新吊裝一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，吊裝費(fèi)用往往比變槳設(shè)備費(fèi)還要高，客戶很難承擔(dān)，所以開發(fā)一款技術(shù)先進(jìn)、免塔吊吊裝的變槳系統(tǒng)非常符合市場(chǎng)預(yù)期需求。

1 直流變槳系統(tǒng)和交流變槳系統(tǒng)工作原理介紹

直流變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，通常為7柜設(shè)計(jì)，由1個(gè)變槳主控柜，3個(gè)軸柜和3個(gè)后備電池柜組成。變槳系統(tǒng)接口經(jīng)滑環(huán)接入風(fēng)機(jī)主控，包括400VAC供電、24VDC信號(hào)接口、通訊接口。變槳主控柜與風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通訊方式為Profibus-Dp或CANOpen，主控柜控制3個(gè)軸柜的變槳驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)槳葉至指定位置。每個(gè)槳葉設(shè)置一套限位開關(guān)用于變槳電機(jī)電氣限位制動(dòng)，槳葉位置及變槳速度由光電編碼器反饋，形成閉環(huán)控制?；h(huán)24VDC安全鏈信號(hào)將變槳系統(tǒng)無(wú)故障狀態(tài)反饋至風(fēng)機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)緊急停機(jī)故障時(shí)，變槳系統(tǒng)接收風(fēng)電機(jī)組EFC信號(hào)執(zhí)行緊急順槳停機(jī)。直流變槳系統(tǒng)滑環(huán)24VDC信號(hào)還包括手動(dòng)操作使能信號(hào)，96°限位開關(guān)的ByPass信號(hào)等。

圖1

主流交流變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，小兆瓦級(jí)別變槳系統(tǒng)通常由3柜組成，每個(gè)軸柜內(nèi)安裝PLC，伺服驅(qū)動(dòng)器，超級(jí)電容后備電源等主要部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，大兆瓦級(jí)別變槳系統(tǒng)通常由6柜組成，由于后備電源能量要求高，需單獨(dú)設(shè)計(jì)后備電源柜。3個(gè)軸柜內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)器作為風(fēng)電機(jī)組3個(gè)通訊子站與機(jī)組主控進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，控制變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)槳葉至指定位置?；h(huán)24VDC安全鏈信號(hào)將變槳系統(tǒng)無(wú)故障狀態(tài)反饋至風(fēng)機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)緊急停機(jī)故障時(shí)，變槳系統(tǒng)接收風(fēng)電機(jī)組EFC信號(hào)執(zhí)行緊急順槳停機(jī)。

圖2

風(fēng)電變槳控制系統(tǒng)是兆瓦級(jí)以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制和保護(hù)的重要裝置，是風(fēng)機(jī)停機(jī)的主剎車系統(tǒng)。

在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，變槳系統(tǒng)控制槳葉的角度以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)依靠風(fēng)力自行啟動(dòng)。在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，變槳系統(tǒng)控制槳葉的角度，追尋最優(yōu)葉尖速比λ，使風(fēng)能利用系數(shù)最大。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)滿發(fā)風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)通過(guò)調(diào)槳使風(fēng)機(jī)發(fā)電功率穩(wěn)定，不過(guò)載。在風(fēng)機(jī)正常停機(jī)或緊急停機(jī)時(shí),變槳系統(tǒng)控制槳葉轉(zhuǎn)到安全位置，實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力剎車，確保風(fēng)機(jī)安全停運(yùn)。

2 老舊變槳系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

一些老舊直流變槳系統(tǒng)投運(yùn)已經(jīng)8～10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，元器件及線路老化，組成變槳系統(tǒng)各個(gè)器件之間連接線路接頭松動(dòng)等問(wèn)題導(dǎo)致虛接、信號(hào)干擾等問(wèn)題凸顯，直流電機(jī)故障率居高不下，伺服驅(qū)動(dòng)器、充電機(jī)等備件價(jià)格昂貴且部分廠商停產(chǎn)，加大后期維護(hù)問(wèn)題難度，給客戶維護(hù)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）充電機(jī)故障；（2）后備電源鉛酸電池不可靠更換周期短；（3）驅(qū)動(dòng)器故障；（4）變槳電機(jī)故障；速度給定、速度/位置反饋故障；（5）緊急控制單元故障；（6）通訊故障（由于虛接或干擾造成）；（7）供電故障（滑環(huán)損壞或線路連接導(dǎo)致的故障）；（8）控制回路中接觸器故障等。

3 免塔吊易更換變槳系統(tǒng)技改替代方案

變槳系統(tǒng)采用交流永磁同步驅(qū)動(dòng)配備超級(jí)電容作為后備電源的技術(shù)路線對(duì)原變槳系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)技改。變槳系統(tǒng)的基本構(gòu)成有：集成式變槳驅(qū)動(dòng)器（集成交流伺服驅(qū)動(dòng)、PLC、后備電源充放電管理、24V電源功能為一體）、永磁同步電機(jī)、超級(jí)電容后備電源以及外圍傳感器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3

易更換變槳系統(tǒng)安全鏈接口與風(fēng)電機(jī)組兼容，可采用三線制或四線制安全鏈設(shè)計(jì)，其中3線制安全鏈方案，變槳系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)可主動(dòng)接收EFC順槳指令。

以葉輪直徑≤120m風(fēng)電機(jī)組為例，變槳系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)及后備電源配置計(jì)算如下：

后備電源采用超級(jí)電容儲(chǔ)能器件，電容工作電壓范圍200Vdc（U2）～450Vdc（U1），容值2F。

后備電源總能量：1/2×C×U2=202.5kJ；可用能量（U2:200VDC）：1/2×C×（U12-U22）=162.5kJ；順槳角度0～90°，變槳額定載荷30NM，減速箱變比1700。

順槳次數(shù)：可用能量（U2:200VDC）=2.02次。

變槳系統(tǒng)技改實(shí)施使用風(fēng)電機(jī)組的小型吊裝設(shè)備將變槳部件運(yùn)至塔頂，將老舊變槳系統(tǒng)軸柜及電池柜內(nèi)部件拆除，變槳電機(jī)和限位開關(guān)等外部設(shè)備及線纜拆除，保留滑環(huán)400Vac，24Vdc信號(hào)線及潤(rùn)滑油泵接口線纜。

充分利用原變槳系統(tǒng)軸柜及后備電源柜。集成式變槳驅(qū)動(dòng)器及其外圍電路安裝在定制底板上，嵌入到原軸柜中，定制安裝底板布局如圖4所示，超級(jí)電容安裝到原電池柜中，永磁同步電機(jī)替代原直流電機(jī)并安裝于變槳減速機(jī)上。每個(gè)功能單元設(shè)有1套限位開關(guān)和位置傳感器，用于變槳系統(tǒng)停機(jī)及槳葉位置校驗(yàn)。

圖4 定制安裝底板布局

4 易更換變槳系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控系統(tǒng)

變槳系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)主控通訊方式采用Profibus-DP或CANOpen，新變槳系統(tǒng)要與老舊變槳系統(tǒng)通訊協(xié)議兼容，將變槳運(yùn)行信息上傳至風(fēng)機(jī)主控，在變槳出現(xiàn)故障時(shí)，風(fēng)機(jī)主控可以顯示其故障碼，便于維護(hù)人員處理變槳故障。

盡管可以通過(guò)軟件上的處理使新變槳系統(tǒng)通過(guò)握手協(xié)議匹配機(jī)組數(shù)據(jù)點(diǎn)位傳輸，將變槳系統(tǒng)主要運(yùn)行信息在風(fēng)機(jī)側(cè)顯示，但老舊變槳系統(tǒng)和交流變槳系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)和電壓等級(jí)上是不同的，并不能完整顯示所有變槳運(yùn)行信息。需要開發(fā)一套變槳數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，由變槳數(shù)據(jù)采集器、機(jī)艙通訊交換機(jī)、集中監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)組成。

新變槳系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器支持Modbus TCP接口協(xié)議，采集變槳系統(tǒng)輸出電壓、電流、容值、變槳角度，變槳速度、溫度，故障碼等數(shù)據(jù)，接入交換機(jī)至風(fēng)場(chǎng)環(huán)網(wǎng)。

變槳系統(tǒng)集中監(jiān)控系統(tǒng)部署在升壓站，可以集中監(jiān)控整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的輪轂采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行集中監(jiān)控、實(shí)時(shí)故障報(bào)警，統(tǒng)計(jì)、報(bào)表功能。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)老舊變槳系統(tǒng)的技改替換，大幅減少變槳系統(tǒng)故障率，提高了風(fēng)機(jī)的可利用率，降低了維護(hù)運(yùn)行成本，增加風(fēng)電場(chǎng)的生產(chǎn)效益。