風(fēng)電運(yùn)維 | 變槳優(yōu)化升級(jí)技術(shù)研究

1.前言

我國風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到3億千瓦，與此同時(shí)，風(fēng)電檢修和維護(hù)管理粗放，運(yùn)維成本高昂且效率低下的狀況成為不爭(zhēng)的事實(shí)[1]。

有些早期的變槳系統(tǒng)技術(shù)方案不成熟，維護(hù)要求嚴(yán)格， 備件獲取困難，故障率高，故障停機(jī)時(shí)間長，惡性炸機(jī)故障頻發(fā)，是影響風(fēng)場(chǎng)運(yùn)營效益的主要因素之一。某整機(jī)廠直流變槳系統(tǒng)故障排在風(fēng)機(jī)所有故障的第一位，占風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障的40%以上[2]。本文基于對(duì)某型號(hào)直流變槳系統(tǒng)的深入分析，提出一種直流變槳系統(tǒng)改為交流變槳系統(tǒng)的方案（簡稱直改交方案），可以有效解決客戶的痛點(diǎn)。

2.變槳系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)與運(yùn)維現(xiàn)狀

2.1 早期直流變槳系統(tǒng)的特點(diǎn)

直流變槳系統(tǒng)是使用直流電機(jī)及直流伺服驅(qū)動(dòng)器作為核心部件的變槳控制系統(tǒng)[3]。包括系統(tǒng)控制器、變頻器、直流電機(jī)、后備電池組、充電機(jī)、開關(guān)電源以及其他配套設(shè)備組成。該系統(tǒng)曾被各家整機(jī)廠引入其電控系統(tǒng)，下圖為其典型的7柜系統(tǒng)簡圖。

圖1：1.5mw風(fēng)電機(jī)組直流7柜變槳系統(tǒng)組成簡圖

直流變槳系統(tǒng)的特點(diǎn)是技術(shù)簡單，成本相對(duì)可控。缺點(diǎn)是集成度低，需維護(hù)部件多，如直流電機(jī)、鉛酸電池都需要定期維護(hù)，對(duì)維護(hù)工作的要求較高。

2.2 直流變槳系統(tǒng)的運(yùn)維情況

目前已出質(zhì)保的風(fēng)機(jī)中，直流變槳系統(tǒng)的數(shù)量相對(duì)較多，尤其在2014-2015年出保的機(jī)組。直流變槳系統(tǒng)的運(yùn)維情況大多故障頻發(fā)，機(jī)組利用率不高，風(fēng)場(chǎng)效益尤其受變槳系統(tǒng)故障停機(jī)影響較大。下圖為一個(gè)典型風(fēng)場(chǎng)A在2021年其全部118臺(tái)風(fēng)機(jī)的變槳故障統(tǒng)計(jì)（某時(shí)間段），風(fēng)場(chǎng)全部為直流變槳系統(tǒng)。

圖2：某風(fēng)電場(chǎng)A半年變槳系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)

下圖為其故障代碼的分類：

圖3：某風(fēng)電場(chǎng)A半年變槳系統(tǒng)故障分類

下圖展示了其中幾個(gè)故障率高，價(jià)值比高的部件：

圖4：典型直流系統(tǒng)中故障較嚴(yán)重的主要部件

隨著部分變槳產(chǎn)品公司被并購及退出變槳市場(chǎng)，故障率偏高的早期變槳系統(tǒng)面臨著越來越大的技術(shù)支持問題，如變槳重大問題無人分析和解決; 高穿等技術(shù)改造無法實(shí)施；壞件維修困難，備件獲取困難，備件成本不斷增加等問題，給業(yè)主造成了長期的嚴(yán)重困擾。

2.3 交流變槳系統(tǒng)的特點(diǎn)

交流變槳系統(tǒng)，即使用交流調(diào)速技術(shù)的變槳系統(tǒng)，控制方式為交流矢量閉環(huán)控制，其特點(diǎn)如下：

技術(shù)成熟：交流變槳在風(fēng)電領(lǐng)域已有10年以上的大規(guī)模應(yīng)用。目前市場(chǎng)主流機(jī)型全部采用交流變槳技術(shù)，得到客戶的普遍認(rèn)可。

集成度高：包括開關(guān)電源、充電機(jī)、信號(hào)監(jiān)測(cè)、抱閘控制等主要功能集成到變槳驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)復(fù)雜度降低。

維護(hù)簡單：變槳系統(tǒng)內(nèi)不再有需要定期維護(hù)的部件，系統(tǒng)故障監(jiān)控，顯示界面完善，風(fēng)場(chǎng)維護(hù)難度低。

成本低：相比直流系統(tǒng)，系統(tǒng)降減少件數(shù)量40%左右，線路減少60%左右，成本優(yōu)勢(shì)明顯。

目前主流主機(jī)廠的技術(shù)路線，均為交流變槳系統(tǒng)。以下為某整機(jī)廠使用MICC品牌的PD-C620A-55驅(qū)動(dòng)器組成的5mw變槳系統(tǒng)簡圖。

圖5：5MW風(fēng)電機(jī)組3柜變槳系統(tǒng)組成簡圖

交流系統(tǒng)早已取代直流系統(tǒng)，成為風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的主流。

3.直改交方案的設(shè)計(jì)

直改交方案需要從載荷設(shè)計(jì)，物料選型，通信與控制，安裝，施工可行性，系統(tǒng)可靠性，經(jīng)濟(jì)性幾個(gè)方面綜合考慮，并以可靠性與經(jīng)濟(jì)性為最主要指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

載荷設(shè)計(jì)：根據(jù)風(fēng)機(jī)載荷數(shù)據(jù)，選定電機(jī)的額定輸出扭矩、額定轉(zhuǎn)速、最大扭矩、制動(dòng)器扭矩等，并考慮風(fēng)場(chǎng)的低溫、防腐等特點(diǎn)。也可以參考原直流電機(jī)的額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)選定合適的電機(jī)。

物料選型：考慮業(yè)主的可維護(hù)性，主要物料應(yīng)為風(fēng)電市場(chǎng)主流品牌型號(hào)，如變槳伺服控制器、電機(jī)、后備電源等。除此之外用到的部件，除盡量保留原有部件外（評(píng)估無壽命損傷的），選取市場(chǎng)通用部件為主，且為主流品牌。

通信與控制：通信上以不改變?cè)兄骺乜刂撇呗詾闃?biāo)準(zhǔn)，變槳控制器（PLC或變槳伺服驅(qū)動(dòng)器的二次開發(fā)程序）應(yīng)兼容原有控制邏輯，控制信號(hào)以及反饋信號(hào)邏輯。

安裝：應(yīng)盡量考慮兼容原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在原有的設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上進(jìn)行改動(dòng)。由于交流系統(tǒng)本身的復(fù)雜度遠(yuǎn)小于直流系統(tǒng)，所以系統(tǒng)組成部件會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于直流系統(tǒng)，技改后部件的安裝幾乎不成問題。

施工可行性：采取小部件集成的方式，減小單件重量，易維護(hù)施工，難度低，適合推廣。在輪轂內(nèi)施工，不需要使用吊車，受天氣影響小。

經(jīng)濟(jì)性：盡量保留原有系統(tǒng)的可靠性高的部件，以節(jié)約成本，如結(jié)構(gòu)部件、開關(guān)與配電、浪涌防雷、PLC、電纜等。而原系統(tǒng)中可靠性較低的部件盡量拆除，如接觸器、電池、通信線路、電壓電流等檢測(cè)模塊、二極管功率模塊、充電機(jī)等等。

直改交方案的核心部件由控制器、變槳伺服驅(qū)動(dòng)器、交流變槳電機(jī)及超級(jí)電容組成，如下圖所示：

圖6：直改交系統(tǒng)主要部件組成

主要部件的技術(shù)參數(shù)：

以上主要部件的技術(shù)指標(biāo)，以原系統(tǒng)載荷需求為基礎(chǔ)，參考目前主流的交流變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4.電氣原理設(shè)計(jì)

直改交方案的電氣原理設(shè)計(jì)，需評(píng)估原有系統(tǒng)的使用情況。其部分部件的可靠性仍具有較高的水平，如配電回路、防雷回路、控制線路、通信線路等。

變槳系統(tǒng)與上位機(jī)24V控制接口應(yīng)保持邏輯的一致性，如下圖所示：

圖7：變槳系統(tǒng)與主控的24V控制信號(hào)定義

變槳系統(tǒng)與上位機(jī)通信規(guī)約，以及線路規(guī)范應(yīng)保持一致性，如下圖所示：

圖8：變槳系統(tǒng)與主控的通信回路

在保持上述2個(gè)控制回路不變的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)的控制回路搭建。包括控制器與變槳伺服驅(qū)動(dòng)器的控制回路與通信。以下為系統(tǒng)總示意圖：

圖9：直改交系統(tǒng)框架

中控柜原理設(shè)計(jì)：保留與外部接口相關(guān)的防雷部件及配電部件，并去掉多余的線路及控制部件。重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)安全控制線路，不間斷供電等。

控制柜原理設(shè)計(jì)：保留400V供電，柜體上的負(fù)荷開關(guān)，加熱電路，制動(dòng)電阻電路。增加的電路包括：與中控柜的通信、24V邏輯控制回路、柜內(nèi)電機(jī)回路、邏輯控制等。

電池柜原理設(shè)計(jì)：保留配電接線部分，去掉鉛酸電池，替換為超級(jí)電容模組。

以上原理設(shè)計(jì)除面向主控的接口外，均可以參照目前主流機(jī)型的設(shè)計(jì)，并結(jié)合原有系統(tǒng)的接口、線路等進(jìn)行合理利用，以達(dá)到為客戶節(jié)約成本的目的。

5.系統(tǒng)安全功能設(shè)計(jì)

變槳系統(tǒng)作為風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制的核心系統(tǒng)，其安全性要求是必須考慮的，即直改交方案在提高可靠性，降低成本的同時(shí)，安全設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到或接近原有的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5.1 安全鏈

在原直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)出現(xiàn)變槳系統(tǒng)故障時(shí)，變槳系統(tǒng)會(huì)將故障信息上傳至主控，由主控判斷故障級(jí)別，風(fēng)機(jī)可以運(yùn)行至停機(jī)位置，或斷開安全鏈，變槳系統(tǒng)切換至電池供電并進(jìn)行緊急收槳。此過程將不受外界影響，不會(huì)中斷。

直改交方案的安全鏈方案是：變槳系統(tǒng)故障均由驅(qū)動(dòng)器監(jiān)控和判斷，系統(tǒng)安全鏈串聯(lián)至每個(gè)驅(qū)動(dòng)器。如果任何一個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障（包括外部故障），則由當(dāng)前驅(qū)動(dòng)器斷開安全鏈，所有驅(qū)動(dòng)器觸發(fā)緊急收槳，此過程不受外界影響，不會(huì)中斷。

相比直流變槳系統(tǒng)，直改交方案中，故障判斷以及觸發(fā)機(jī)制，均設(shè)計(jì)在變槳系統(tǒng)中，不再通過主控判斷；并且觸發(fā)緊急收槳時(shí)，是否使用電池供電由變槳驅(qū)動(dòng)器根據(jù)電源情況進(jìn)行判斷，在400V供電正常時(shí)，不再使用電池供電。經(jīng)過時(shí)間的檢驗(yàn)，這是一種可靠成熟的設(shè)計(jì)，并被廣泛應(yīng)用。直改交安全鏈設(shè)計(jì)見下圖：

圖10：交流變槳系統(tǒng)安全鏈設(shè)計(jì)

5.2 后備電源

原直流變槳系統(tǒng)的后備電源，被設(shè)計(jì)為緊急收槳模式下的唯一供電電源。當(dāng)風(fēng)機(jī)由于各種因素導(dǎo)致故障率偏高時(shí)，會(huì)引起電池的使用頻率加大，同時(shí)造成壽命降低、故障率增加等惡性循環(huán)。

在直改交方案中，400V供電優(yōu)先作為緊急收槳的電源，后備電源作為備用。當(dāng)400V電源不足以支持系統(tǒng)運(yùn)行（包括高低穿工況），電池才切入運(yùn)行，將電池的使用頻率降到最低。這里強(qiáng)調(diào)的是，如果方案配置了鉛酸電池或其他電池，這種降低使用頻率的方式可以有效增加電池的壽命[4]。

在直改交方案中，除了緊急收槳機(jī)制的優(yōu)化，后備電源也由鉛酸電池，改為超級(jí)電容模組。超級(jí)電容放電功率大，壽命長，溫度范圍寬等特點(diǎn)也更適合變槳的嚴(yán)酷環(huán)境。下圖為后備電源的外觀設(shè)計(jì)：

圖11：160F6F超級(jí)電容模組外觀設(shè)計(jì)

5.3 低穿/高穿

原直流系統(tǒng)在初始設(shè)計(jì)時(shí)，并不具備低穿/高穿功能。大部分風(fēng)場(chǎng)在后期進(jìn)行技改，完成電網(wǎng)適應(yīng)性認(rèn)證。而直改交方案中，伺服驅(qū)動(dòng)器本身設(shè)計(jì)了低穿高穿的功能。

LVRT低電壓穿越實(shí)現(xiàn)方式是：變槳伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部可以檢測(cè)400V供電電壓，并在母線低于后備電壓時(shí)（450V），切入后備電源供電。此過程在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，可以做到無縫銜接。當(dāng)?shù)痛┏瑫r(shí)，系統(tǒng)報(bào)故障開始進(jìn)行緊急收槳，風(fēng)機(jī)停機(jī)至安全位置。

HVRT高電壓穿越實(shí)現(xiàn)方式是：變槳伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部對(duì)電路進(jìn)行高耐壓設(shè)計(jì)，可以承受130%額定電壓穩(wěn)定運(yùn)行，超出130%時(shí)關(guān)閉整流電路。此時(shí)母線電壓會(huì)迅速降低至后備電源電壓，并繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)高穿超時(shí)，系統(tǒng)報(bào)故障并開始緊急收槳，風(fēng)機(jī)停機(jī)至安全位置。

直改交方案基于LVRT和HVRT功能的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)連續(xù)電網(wǎng)故障穿越能力。

5.4 系統(tǒng)獨(dú)立性

直改交方案中，將3個(gè)軸彼此設(shè)計(jì)為冗余技術(shù)，即用于確保一路器件或系統(tǒng)失效時(shí)，另一路器件或系統(tǒng)仍能有效地執(zhí)行所要求的功能[5]。實(shí)際設(shè)計(jì)中體現(xiàn)在各個(gè)軸柜的回路獨(dú)立性上，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

各軸的電池電路獨(dú)立，充放電均來自變槳驅(qū)動(dòng)器接口。

各軸的24V控制電路獨(dú)立，每個(gè)軸的電源來自驅(qū)動(dòng)器的接口電源。

安全鏈信號(hào)隔離，與各個(gè)軸控制回路隔離。

主控信號(hào)與變槳系統(tǒng)信號(hào)隔離，包括風(fēng)暴位置反饋信號(hào)，也與各個(gè)軸的回路隔離。

各個(gè)軸的手動(dòng)控制信號(hào)獨(dú)立，且分別控制。

以上設(shè)計(jì)杜絕了因某一設(shè)備或系統(tǒng)失效導(dǎo)致的多個(gè)葉片同時(shí)不收槳的可能性。

5.5 其他功能

直改交方案中的其他重要功能，簡要列舉如下：

開環(huán)收槳策略：當(dāng)編碼器故障時(shí)，系統(tǒng)可以在無編碼器信號(hào)情況下，收槳至安全停機(jī)位置。

多種后備電源適配策略：后備電源電壓200-450V，充電電流可調(diào)0.1-2.4A，可以適配超級(jí)電容，鋰電池，鉛酸電池等多種方案，配置更靈活。

后備電源容量測(cè)試功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行超級(jí)電容容量檢測(cè)，并通過通信上傳至主控。

后備電源測(cè)試功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的后備電源緊急收槳測(cè)試，并在后備緊急收槳失敗時(shí)，切換回400V供電繼續(xù)收槳。

6.施工

直改交方案需在風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行施工，為了降低施工難度，本方案選擇小部件安裝的方式，即所有部件均可以通過塔筒或風(fēng)機(jī)自身配備的吊機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)。施工限制條件與風(fēng)場(chǎng)基礎(chǔ)維護(hù)相同。主要部件的重量，體積統(tǒng)計(jì)如下：

施工可能的風(fēng)險(xiǎn)及控制措施，應(yīng)做好預(yù)案以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。

7.技改效益分析

以某風(fēng)場(chǎng)2020年直改交項(xiàng)目為例：技改前直流7柜變槳系統(tǒng)，技改后為直改交方案（電池保留原鉛酸電池）。項(xiàng)目實(shí)施前后各選取4個(gè)月故障統(tǒng)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，變槳故障總數(shù)由1606次減少到26次，故障率占比由51.61%降低到2.26%，由此可看出故障數(shù)量下降到非常低的水平，基本能夠反映直改交方案的效益。