基于老舊風電機組變槳系統技改替換的研究與應用

丁宛超

（國能信控互聯技術（河北）有限公司，河北 廊坊 065500）

變槳系統作為大型風電機組控制系統的核心部分之一，對機組安全、穩定、高效的運行具有十分重要的作用。國內變槳系統以電動變槳為主，包括電動直流變槳系統和交流變槳系統。電動變槳系統通常由系統PLC、驅動器、變槳電機、后備電源組成。目前直流變槳系統以國外廠商居多，國內部分廠商技術路線與國外接近，系統整體設計復雜，維護不方便，隨著國內變槳系統廠商的崛起，國外廠商受到較大沖擊，國內變槳行業競爭日趨激烈，部分國內外變槳廠商退出變槳市場，導致一些早期的變槳系統缺少技術服務及備品備件供應，風電機組非正常停機時間長，發電量損失嚴重。同時由于缺少軟硬件的優化更新，這些變槳系統存在一定的安全隱患，更換為當前主流變槳系統是客戶和廠商共同的目標。

變槳系統安裝于風機輪轂內，更換已投運機組的變槳系統常規做法是利用塔吊將葉輪吊至地面，拆除葉片后，再將原變槳系統拆解并安裝新變槳系統，完成后將葉輪組裝好并吊至空中組裝。這樣相當于新吊裝一臺風電機組，吊裝費用往往比變槳設備費還要高，客戶很難承擔，所以開發一款技術先進、免塔吊吊裝的變槳系統非常符合市場預期需求。

1 直流變槳系統和交流變槳系統工作原理介紹

直流變槳系統結構如圖1所示，通常為7柜設計，由1個變槳主控柜，3個軸柜和3個后備電池柜組成。變槳系統接口經滑環接入風機主控，包括400VAC供電、24VDC信號接口、通訊接口。變槳主控柜與風電機組進行數據交互，通訊方式為Profibus-Dp或CANOpen，主控柜控制3個軸柜的變槳驅動器驅動槳葉至指定位置。每個槳葉設置一套限位開關用于變槳電機電氣限位制動，槳葉位置及變槳速度由光電編碼器反饋，形成閉環控制。滑環24VDC安全鏈信號將變槳系統無故障狀態反饋至風機安全保護系統，當風機出現緊急停機故障時，變槳系統接收風電機組EFC信號執行緊急順槳停機。直流變槳系統滑環24VDC信號還包括手動操作使能信號，96°限位開關的ByPass信號等。

圖1

主流交流變槳系統結構如圖2所示，小兆瓦級別變槳系統通常由3柜組成，每個軸柜內安裝PLC，伺服驅動器，超級電容后備電源等主要部件，結構簡單，維護方便，大兆瓦級別變槳系統通常由6柜組成，由于后備電源能量要求高，需單獨設計后備電源柜。3個軸柜內伺服驅動器作為風電機組3個通訊子站與機組主控進行數據交互，控制變槳電機驅動槳葉至指定位置。滑環24VDC安全鏈信號將變槳系統無故障狀態反饋至風機安全保護系統，當風機出現緊急停機故障時，變槳系統接收風電機組EFC信號執行緊急順槳停機。

圖2

風電變槳控制系統是兆瓦級以上風力發電機組控制和保護的重要裝置，是風機停機的主剎車系統。

在風機啟動過程中，變槳系統控制槳葉的角度以實現風機依靠風力自行啟動。在風機正常運行過程中，變槳系統控制槳葉的角度，追尋最優葉尖速比λ，使風能利用系數最大。當風速超過滿發風速后，變槳系統通過調槳使風機發電功率穩定，不過載。在風機正常停機或緊急停機時,變槳系統控制槳葉轉到安全位置，實現空氣動力剎車，確保風機安全停運。

2 老舊變槳系統面臨的問題

一些老舊直流變槳系統投運已經8～10年甚至更長時間，元器件及線路老化，組成變槳系統各個器件之間連接線路接頭松動等問題導致虛接、信號干擾等問題凸顯，直流電機故障率居高不下，伺服驅動器、充電機等備件價格昂貴且部分廠商停產，加大后期維護問題難度，給客戶維護帶來極大挑戰。主要體現在以下方面：

（1）充電機故障；（2）后備電源鉛酸電池不可靠更換周期短；（3）驅動器故障；（4）變槳電機故障；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（滑環損壞或線路連接導致的故障）；（8）控制回路中接觸器故障等。

3 免塔吊易更換變槳系統技改替代方案

變槳系統采用交流永磁同步驅動配備超級電容作為后備電源的技術路線對原變槳系統進行升級技改。變槳系統的基本構成有：集成式變槳驅動器（集成交流伺服驅動、PLC、后備電源充放電管理、24V電源功能為一體）、永磁同步電機、超級電容后備電源以及外圍傳感器，系統結構如圖3所示。

圖3

易更換變槳系統安全鏈接口與風電機組兼容，可采用三線制或四線制安全鏈設計，其中3線制安全鏈方案，變槳系統在出現故障時可主動接收EFC順槳指令。

以葉輪直徑≤120m風電機組為例，變槳系統技術參數及后備電源配置計算如下：

后備電源采用超級電容儲能器件，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：可用能量（U2:200VDC）=2.02次。

變槳系統技改實施使用風電機組的小型吊裝設備將變槳部件運至塔頂，將老舊變槳系統軸柜及電池柜內部件拆除，變槳電機和限位開關等外部設備及線纜拆除，保留滑環400Vac，24Vdc信號線及潤滑油泵接口線纜。

充分利用原變槳系統軸柜及后備電源柜。集成式變槳驅動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，超級電容安裝到原電池柜中，永磁同步電機替代原直流電機并安裝于變槳減速機上。每個功能單元設有1套限位開關和位置傳感器，用于變槳系統停機及槳葉位置校驗。

圖4 定制安裝底板布局

4 易更換變槳系統數據傳輸與監控系統

變槳系統與風機主控通訊方式采用Profibus-DP或CANOpen，新變槳系統要與老舊變槳系統通訊協議兼容，將變槳運行信息上傳至風機主控，在變槳出現故障時，風機主控可以顯示其故障碼，便于維護人員處理變槳故障。

盡管可以通過軟件上的處理使新變槳系統通過握手協議匹配機組數據點位傳輸，將變槳系統主要運行信息在風機側顯示，但老舊變槳系統和交流變槳系統在系統架構和電壓等級上是不同的，并不能完整顯示所有變槳運行信息。需要開發一套變槳數據監控系統，由變槳數據采集器、機艙通訊交換機、集中監控服務器系統組成。

新變槳系統數據采集器支持Modbus TCP接口協議，采集變槳系統輸出電壓、電流、容值、變槳角度，變槳速度、溫度，故障碼等數據，接入交換機至風場環網。

變槳系統集中監控系統部署在升壓站，可以集中監控整個風場的輪轂采集數據，進行集中監控、實時故障報警，統計、報表功能。

5 結語

通過老舊變槳系統的技改替換，大幅減少變槳系統故障率，提高了風機的可利用率，降低了維護運行成本，增加風電場的生產效益。