風力發電機組主控系統模塊升級改造

苗寶平，劉彥東

（中廣核新能源控股有限公司內蒙古分公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

風力發電機組主控系統模塊升級改造

苗寶平，劉彥東

（中廣核新能源控股有限公司內蒙古分公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

通過對北重風機控制系統模塊現狀的分析，提出了對風機控制系統模塊升級改造的規劃方案，該方案實施后將徹底改變風機主控系統運行不穩定的情況，使機組可以安全可靠的運行。文章就針對2008年投入運行使用的北重FD80-2000風力發電機組進行升級改造方案進行詳細說明。

風力發電；主控系統；升級改造

1 背景說明

風機主控系統是風力發電機組控制系統的主體，實現自動啟動、自動調向、自動調速、自動并網、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監控等重要控制、保護功能。對外的三個主要接口系統就是監控系統、變槳控制系統以及變頻系統（變頻器），與監控系統接口完成風力發電機組實時數據及統計數據的交換，與變槳控制系統接口完成對葉片的控制，實現最大風能捕獲以及恒速運行，與變頻系統（變頻器）接口實現對有功功率以及無功功率的自動調節。北重風力發電機組FD80-2000型機組使用的是德國DeWind廠家在早期風力發電機組設計階段選用的是倍福K-bus模塊，其通訊方式為Lightbus總線。由于運行時間久導致故障頻發，并且由于技術陳舊查找故障點較為困難，無法精準定位故障模塊，機艙的總線端子模塊后掛接58個模塊，發生故障后需要挨個排查，極大的增加了故障診斷的工作量，嚴重影響機組運行。隨技術不斷更新進步，早期K-bus模塊落后的功能，已遠遠不能完全滿足現今風力發電機組的技術要求。

2 K-BUS模塊主要問題：

（1）電磁兼容問題：隨著電子器件的逐漸老化、線路可能破損，控制柜內可能出現電磁干擾問題。但是原設計中電器設計電磁兼容性不夠高，不能應對復雜的電磁環境，并且在初期設計時K-bus模塊沒有增加總線防浪涌模塊和信號防雷等。

（2）環境適應問題：因為風電場一般都處于人煙稀少，特殊氣候條件惡劣環境下，最低環境溫度能達到零下30攝氏度。而且，由于風力發電機組設計原因，控制柜內溫度在運行時也會達到零度以下。然后，K-bus模塊的運行溫度范圍在0～55℃，已經不能滿足現場運行條件。在低溫下模塊會出現不可預計狀態，導致風力發電機組故障停機。

（3）模塊問題：K-bus模塊缺乏單個模塊故障診斷功能，只能通過前端EtherCAT總線端子耦合模塊（E-bus模塊）判斷隨后的K-bus模塊是否出現問題。但是，機艙的總線端子模塊后掛接大量的信號輸入、輸出等模塊，極大地增加了故障診斷的工作量，給風電場運維人員帶來諸多不便。

（4）后期機組維護困難問題：技術陳舊的模塊目前各個公司采購困難，機組發生故障后，等待備件時間長，極大地影響了風電場的發電量。

3 升級改造原則

為了提高老舊機型的運行水平，為保證被改造風電機組的安全，減少對機組發電量的影響，同時使改造具有一定的先進性和系統內的示范性，特確定以下改造原則：

（1）盡量縮小改造范圍，利用系統原有部件，縮短改造時間，使改造費用科學合理；

（2）針對風力發電機組運行中的主要問題進行針對性修改；

（3）改造的核心控制器件通用性和擴展性強，技術上選用目前先進產品，采購上保證硬件有多家供應商可供選擇。在不脫離原有電氣設計的基礎上，現提出將倍福K-Bus模塊升級為E-Bus模塊的方案。并且為利用原有線路、保證系統的穩定性和方便后續的維護工作，針對原K-bus模塊型號特點，選用接線基本一致的E-bus模塊型號進行替換。

4 設備替換

塔底有一個PLC主站，一個BOX 5從站。BOX 5主要控制塔底柜上按鈕、塔底風扇、變頻器通訊的干接點等。BOX 5通過光纖交換機，到機艙上的BOX 6從站。基本上機艙所有輔機控制功能都在BOX 6從站上實現。所以，BOX 6上接有58個模塊。由于一個從站上模塊過多，出現問題的概率最大。如果無法準確定位故障位置，則需要花費大量的時間去排查故障根源。

由于變頻器干接點通訊在變頻器改造后并未使用，機艙通訊串口模塊6021在改造前也一直未使用。同時通過現場考察實際柜內接線情況，初步確定改造內容如下：

（1）更換現有的倍福KL模塊為倍福EL模塊。模塊安全等級，接線方式，模塊位置和接線基本不變。

（2）更換總線耦合端子BK1120為EK1100；去除塔底模塊（16AO1 KL4022；16AO3 KL4022；16DI5KL1304；17DI1 KL1304；19AI0 KL3042；21ST1 KL9110；21DO3KL2012；21DO5 KL2012；21DO7 KL2012；22DO1 KL2012）；去除機艙模塊（29CO1 KL6021）。

（3）在BOX6從站模塊的供電方面，增加防浪涌模塊EL9550。同時，E-bus需要增加總線供電模塊EL9400。

（4）在UPS 24V供電部分增加24V防雷模塊。

（5）根據模塊損壞頻率，在對應回路上增加電器隔離。

5 改造后的技術特點

（1）選用倍福公司已經推出E-bus模塊因為可以完全替代K-bus模塊，和其他不需改造的模塊兼容性好，通訊方式更改為EtherCAT總線方式，其通信速度更快，抗干擾能力更強。現在所有使用倍福產品的風力發電機組控制廠家基本只選用E-bus模塊，K-bus模塊已經到了逐漸被替代的階段。

（2）EtherCAT技術實現了斷點檢測；連續的線纜質量測量能夠精確定位傳輸錯誤；一代邏輯診斷域等功能，實現故障快速定位。有利于節約故障處理時間，提高風力發電機組運行效率。

（3）E-bus模塊的抗干擾能力能強，優化的控制和通訊架構實現極高性能。高速的數字量和模擬量 I/O，使用時間戳和超采樣功能可以實現極高的定時分辨率（10ns）。為了考慮到總線上的浪涌保護，可以在供電回路添加防浪涌模塊。如果考慮雷擊導致傳感器串入高壓，可以在電氣回路上添加對應的防雷模塊等電氣設計的改造。

（4）E-bus模塊的運行溫度范圍在-25～60℃。非常適合風電場所處的特殊氣候條件地形，E-bus模塊能正常運行。

6 結語

陳舊的技術會極大地影響風力發電機組發電量，增加故障率的同時還影響故障處理時間，導致故障多發故障時間長，通過模塊升級改造后可提高故障診斷能力，降低故障處理時間，降低故障率，提高風力發電機組發電量。此方法也可推廣至其他使用倍福模塊風力發電機組上。

［1］霍志紅.風力發電機組控制技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［2］王春.風力發電機組控制技術及仿真［M］.北京：化學工業出版社，2016.

苗寶平（1982-），男，內蒙古人，大學本科，工程師，主要研究方向：自動化。