基于風(fēng)力發(fā)電的電動(dòng)變槳故障模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢作霞, 項(xiàng) 尚, 徐 健, 楊 軼

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870； 2. 沈陽華創(chuàng)風(fēng)能有限公司, 遼寧 沈陽 110870； 3. 中電投東北新能源發(fā)展有限公司, 遼寧 沈陽 110181)

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展,風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量逐年提升。為了保證風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電質(zhì)量和提高風(fēng)能利用效率,變槳距風(fēng)機(jī)逐步取代定槳距風(fēng)機(jī),成為風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型[1-3]。當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定風(fēng)速時(shí),變槳距系統(tǒng)將根據(jù)風(fēng)速的變化對(duì)葉片的槳距角β進(jìn)行調(diào)節(jié),調(diào)整葉片對(duì)氣流的攻角α,以保持風(fēng)電機(jī)組輸出功率接近最大值和保證風(fēng)電機(jī)組的安全[4-6]。然而,變槳距系統(tǒng)的頻繁調(diào)整容易造成零部件損壞,而且變槳距系統(tǒng)安裝在距離地面幾十米甚至100多米高的輪轂內(nèi),對(duì)變槳距系統(tǒng)的維修非常困難。對(duì)變槳距系統(tǒng)進(jìn)行早期故障檢測,可以有效提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性、減少因故障造成的損失[7]。本文搭建了電動(dòng)變槳故障模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)研究實(shí)際工程問題的環(huán)境,使風(fēng)電機(jī)組能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行,降低變槳距系統(tǒng)的故障發(fā)生率。

1 電動(dòng)變槳故障系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳距方式主要有液壓變槳和電動(dòng)變槳。液壓變槳體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大且無需變速機(jī)構(gòu)；電動(dòng)變槳適應(yīng)力強(qiáng)、響應(yīng)快、精度高、不需考慮液壓油泄漏問題,維修也比較方便[8-9]。大多數(shù)大型風(fēng)電機(jī)組采用電動(dòng)變槳距系統(tǒng)[10]。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組電動(dòng)變槳故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用電動(dòng)變槳方式,為解決實(shí)際工程問題提供技術(shù)支撐，也為學(xué)生提供了進(jìn)行變槳距實(shí)驗(yàn)的條件。電動(dòng)變槳故障模擬系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確進(jìn)行變槳距系統(tǒng)的故障診斷,為風(fēng)場工作人員制訂科學(xué)的維修保養(yǎng)計(jì)劃提供依據(jù)[11-13]。

電動(dòng)變槳故障模擬系統(tǒng)主要由變槳故障設(shè)置柜、主控柜、軸控柜和電池柜、變槳電機(jī)等構(gòu)成(見圖1)。變槳故障設(shè)置柜和主控柜均采用可編程序控制器(PLC)作為控制系統(tǒng)。變槳故障設(shè)置柜產(chǎn)生變槳故障信號(hào)并將故障信號(hào)傳送給主控柜,主控柜控制變槳距系統(tǒng)產(chǎn)生故障。主控柜中PLC安裝有功率計(jì)算程序,因此該系統(tǒng)也適合學(xué)生做槳距調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組工作在額定風(fēng)速以上的環(huán)境中,變槳距系統(tǒng)將通過軸控柜控制葉片調(diào)整槳距角；當(dāng)變槳距系統(tǒng)的軸控柜發(fā)生故障時(shí),電池柜為變槳距系統(tǒng)供電，使葉片順槳停機(jī)。主控柜通過滑環(huán)連接變槳距系統(tǒng)和機(jī)艙控制柜,使機(jī)艙控制柜向變槳距系統(tǒng)供電和傳送控制信號(hào)。風(fēng)電機(jī)組的主控系統(tǒng)和變槳距系統(tǒng)也通過滑環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1 電動(dòng)變槳故障模擬系統(tǒng)

2 電動(dòng)變槳故障模擬系統(tǒng)

電動(dòng)變槳故障模擬系統(tǒng)分為故障輸入系統(tǒng)和故障輸出系統(tǒng)兩部分,其控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。故障輸入系統(tǒng)由變槳故障設(shè)置柜構(gòu)成。故障輸出系統(tǒng)由主控柜、軸控柜和電池柜構(gòu)成,該部分的PLC輸出模塊與故障輸入系統(tǒng)的PLC之間采用Profibus-DP線的通信方式。Profibus-DP通信具有很高的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸效率和抗干擾能力,適用于工業(yè)現(xiàn)場級(jí)控制。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，輸入模塊產(chǎn)生的故障信號(hào)傳入中央處理器(CPU),CPU中程序運(yùn)算結(jié)束后把輸出信號(hào)傳送給故障輸出系統(tǒng)的輸出模塊,產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)故障名稱和故障引起的變化會(huì)及時(shí)反饋到變槳故障設(shè)置柜上的HMI人機(jī)交互界面。

2.1 電動(dòng)變槳故障輸入子系統(tǒng)

電動(dòng)變槳故障設(shè)置柜是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的故障發(fā)生裝置,主要用于模擬風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生的故障。上位機(jī)采用北京昆侖通態(tài)TCP1561Hii觸摸屏,下位機(jī)選用西門子S7-1200系列控制器作為故障發(fā)生系統(tǒng)的控制器。控制器的中央處理器(CPU)、電源模塊和輸入模塊安裝于故障設(shè)置柜中。

電動(dòng)變槳故障輸入子系統(tǒng)可以模擬變槳距系統(tǒng)的160個(gè)故障,這些故障包括中控柜、軸控柜和電池柜的故障。為了學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)操作簡便,所有的故障都集中在變槳故障設(shè)置柜的后臺(tái)進(jìn)行操作,利用變槳故障設(shè)置柜后臺(tái)的旋鈕設(shè)置故障輸入信號(hào)。故障信號(hào)輸入電路圖如圖3所示。當(dāng)旋鈕閉合時(shí),PLC的輸入形成閉合回路產(chǎn)生輸入信號(hào),通過Profibus-DP線將輸入信號(hào)傳給PLC的CPU模塊。CPU模塊的控制程序根據(jù)輸入信號(hào)產(chǎn)生故障輸出信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 故障輸入電路

2.2 電動(dòng)變槳故障輸出子系統(tǒng)

電動(dòng)變槳故障輸出子系統(tǒng)由主控柜、軸控柜和電池柜組成。主控柜、軸控柜和電池柜中PLC輸出模塊接收變槳故障設(shè)置柜中PLC輸出信號(hào),控制系統(tǒng)故障輸出。故障信號(hào)輸出電路圖如圖4所示。

圖4 故障輸出電路

2.3 電動(dòng)變槳故障人機(jī)界面(HMI)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用北京昆侖通態(tài)TCP1561Hii觸摸屏作為HMI,其功能包括：

(1) 狀態(tài)監(jiān)視：故障設(shè)置柜控制輪轂的主控柜、軸控柜和電池柜。發(fā)生故障時(shí),在HMI人機(jī)交互界面上反饋故障狀態(tài)和參數(shù)變化；

(2) 參數(shù)設(shè)置：學(xué)生做變槳距實(shí)驗(yàn)時(shí),可通過HMI界面設(shè)置模擬風(fēng)速,測試變槳距系統(tǒng)隨風(fēng)速變化調(diào)整槳距角的情況。

變槳故障HMI界面如圖5所示。界面中包括系統(tǒng)設(shè)置的全部故障。通過該界面,可以判斷變槳故障發(fā)生的位置,進(jìn)入相應(yīng)界面后可觀察故障狀態(tài)和參數(shù)的變化。點(diǎn)擊“退出”按鈕可進(jìn)入變槳距實(shí)驗(yàn)界面。

圖5 HMI界面

3 教學(xué)應(yīng)用

3.1 變槳距實(shí)驗(yàn)和故障模擬實(shí)驗(yàn)

(1) 變槳距實(shí)驗(yàn)。近年來,獨(dú)立變槳技術(shù)發(fā)展迅速。該技術(shù)能夠解決風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)等造成的風(fēng)電機(jī)組載荷分布不均勻的問題,提高機(jī)組的安全性。本裝置在實(shí)現(xiàn)模擬統(tǒng)一變槳的基礎(chǔ)上還可以做獨(dú)立變槳距實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí),在主控制器上選擇變槳類型,設(shè)置風(fēng)速，模擬變槳距時(shí)風(fēng)速情況,輪轂內(nèi)的電機(jī)根據(jù)風(fēng)速大小調(diào)整槳距,保持風(fēng)電機(jī)組的最佳功率輸出。

(2) 故障模擬實(shí)驗(yàn)。故障測試實(shí)驗(yàn)包括主控柜故障、軸控柜故障和電池柜故障。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用PLC控制器產(chǎn)生變槳故障,供學(xué)生查找故障、分析變槳故障對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響,學(xué)習(xí)和研究風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)。

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密結(jié)合實(shí)際,使學(xué)生直觀地了解到變槳距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程,為學(xué)生解決實(shí)際問題和科研探索創(chuàng)造條件。已開設(shè)的實(shí)驗(yàn)有：(1)變槳距實(shí)驗(yàn),包括統(tǒng)一變槳距實(shí)驗(yàn)和獨(dú)立變槳距實(shí)驗(yàn)；(2)故障測試實(shí)驗(yàn),包括主控柜故障實(shí)驗(yàn)、軸控柜故障實(shí)驗(yàn)和電池柜故障實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果

變槳距實(shí)驗(yàn)和故障模擬實(shí)驗(yàn)的流程如圖6所示,學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)流程即可完成實(shí)驗(yàn)。

圖6 實(shí)驗(yàn)流程圖

在電動(dòng)變槳故障模擬系統(tǒng)正常工作時(shí),通過主控柜中充電回路給電池柜中的備用電池充電,使電源發(fā)生故障時(shí)電池柜仍能夠工作。例如在變槳故障設(shè)置柜中設(shè)置風(fēng)輪軸1的電池充電故障,主控柜中電池充電回路收到故障信號(hào)后充電接觸器6K1斷開(見圖7)。這時(shí)要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和圖紙查找故障原因。當(dāng)檢測到接觸器6K1斷開——即電池充電故障后,與人機(jī)交互界面顯示的故障對(duì)比,確認(rèn)查找故障的正確性。

圖7 主控柜充電電路

4 結(jié)語

參考風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建的電動(dòng)變槳故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有功能強(qiáng)大、操作簡便的優(yōu)點(diǎn),能夠完成故障模擬和電動(dòng)變槳等實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是針對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中存在的問題而設(shè)計(jì),對(duì)風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和優(yōu)化具有指導(dǎo)性和驗(yàn)證性的作用。本文所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行電動(dòng)變槳故障診斷,對(duì)風(fēng)電場工作人員預(yù)先制定合理的維修保養(yǎng)計(jì)劃、降低運(yùn)行成本具有重要意義。