基于风力发电的电动变桨故障模拟系统设计

邢作霞, 项 尚, 徐 健, 杨 轶

(1. 沈阳工业大学 电气工程学院, 辽宁 沈阳 110870； 2. 沈阳华创风能有限公司, 辽宁 沈阳 110870； 3. 中电投东北新能源发展有限公司, 辽宁 沈阳 110181)

随着风力发电技术的快速发展,风电机组的装机容量逐年提升。为了保证风电机组的发电质量和提高风能利用效率,变桨距风机逐步取代定桨距风机,成为风电机组的主流机型[1-3]。当风速超过风力发电机额定风速时,变桨距系统将根据风速的变化对叶片的桨距角β进行调节,调整叶片对气流的攻角α,以保持风电机组输出功率接近最大值和保证风电机组的安全[4-6]。然而,变桨距系统的频繁调整容易造成零部件损坏,而且变桨距系统安装在距离地面几十米甚至100多米高的轮毂内,对变桨距系统的维修非常困难。对变桨距系统进行早期故障检测,可以有效提高风电机组的运行可靠性、减少因故障造成的损失[7]。本文搭建了电动变桨故障模拟系统实验平台,为学生创造了一个研究实际工程问题的环境,使风电机组能够安全、稳定地运行,降低变桨距系统的故障发生率。

1 电动变桨故障系统总体结构设计

当前风力发电机的变桨距方式主要有液压变桨和电动变桨。液压变桨体积小、重量轻、转矩大且无需变速机构；电动变桨适应力强、响应快、精度高、不需考虑液压油泄漏问题,维修也比较方便[8-9]。大多数大型风电机组采用电动变桨距系统[10]。本文设计的风电机组电动变桨故障实验平台采用电动变桨方式,为解决实际工程问题提供技术支撑，也为学生提供了进行变桨距实验的条件。电动变桨故障模拟系统能够准确进行变桨距系统的故障诊断,为风场工作人员制订科学的维修保养计划提供依据[11-13]。

电动变桨故障模拟系统主要由变桨故障设置柜、主控柜、轴控柜和电池柜、变桨电机等构成(见图1)。变桨故障设置柜和主控柜均采用可编程序控制器(PLC)作为控制系统。变桨故障设置柜产生变桨故障信号并将故障信号传送给主控柜,主控柜控制变桨距系统产生故障。主控柜中PLC安装有功率计算程序,因此该系统也适合学生做桨距调节实验。

当风电机组工作在额定风速以上的环境中,变桨距系统将通过轴控柜控制叶片调整桨距角；当变桨距系统的轴控柜发生故障时,电池柜为变桨距系统供电，使叶片顺桨停机。主控柜通过滑环连接变桨距系统和机舱控制柜,使机舱控制柜向变桨距系统供电和传送控制信号。风电机组的主控系统和变桨距系统也通过滑环进行数据交换。

图1 电动变桨故障模拟系统

2 电动变桨故障模拟系统

电动变桨故障模拟系统分为故障输入系统和故障输出系统两部分,其控制系统网络结构如图2所示。故障输入系统由变桨故障设置柜构成。故障输出系统由主控柜、轴控柜和电池柜构成,该部分的PLC输出模块与故障输入系统的PLC之间采用Profibus-DP线的通信方式。Profibus-DP通信具有很高的现场数据传输效率和抗干扰能力,适用于工业现场级控制。学生实验时，输入模块产生的故障信号传入中央处理器(CPU),CPU中程序运算结束后把输出信号传送给故障输出系统的输出模块,产生相应的动作。同时故障名称和故障引起的变化会及时反馈到变桨故障设置柜上的HMI人机交互界面。

2.1 电动变桨故障输入子系统

电动变桨故障设置柜是本实验系统的故障发生装置,主要用于模拟风电机组运行时发生的故障。上位机采用北京昆仑通态TCP1561Hii触摸屏,下位机选用西门子S7-1200系列控制器作为故障发生系统的控制器。控制器的中央处理器(CPU)、电源模块和输入模块安装于故障设置柜中。

电动变桨故障输入子系统可以模拟变桨距系统的160个故障,这些故障包括中控柜、轴控柜和电池柜的故障。为了学生实验时操作简便,所有的故障都集中在变桨故障设置柜的后台进行操作,利用变桨故障设置柜后台的旋钮设置故障输入信号。故障信号输入电路图如图3所示。当旋钮闭合时,PLC的输入形成闭合回路产生输入信号,通过Profibus-DP线将输入信号传给PLC的CPU模块。CPU模块的控制程序根据输入信号产生故障输出信号。

图2 系统网络结构

图3 故障输入电路

2.2 电动变桨故障输出子系统

电动变桨故障输出子系统由主控柜、轴控柜和电池柜组成。主控柜、轴控柜和电池柜中PLC输出模块接收变桨故障设置柜中PLC输出信号,控制系统故障输出。故障信号输出电路图如图4所示。

图4 故障输出电路

2.3 电动变桨故障人机界面(HMI)

实验平台采用北京昆仑通态TCP1561Hii触摸屏作为HMI,其功能包括：

(1) 状态监视：故障设置柜控制轮毂的主控柜、轴控柜和电池柜。发生故障时,在HMI人机交互界面上反馈故障状态和参数变化；

(2) 参数设置：学生做变桨距实验时,可通过HMI界面设置模拟风速,测试变桨距系统随风速变化调整桨距角的情况。

变桨故障HMI界面如图5所示。界面中包括系统设置的全部故障。通过该界面,可以判断变桨故障发生的位置,进入相应界面后可观察故障状态和参数的变化。点击“退出”按钮可进入变桨距实验界面。

图5 HMI界面

3 教学应用

3.1 变桨距实验和故障模拟实验

(1) 变桨距实验。近年来,独立变桨技术发展迅速。该技术能够解决风剪切和塔影效应等造成的风电机组载荷分布不均匀的问题,提高机组的安全性。本装置在实现模拟统一变桨的基础上还可以做独立变桨距实验。实验时,在主控制器上选择变桨类型,设置风速，模拟变桨距时风速情况,轮毂内的电机根据风速大小调整桨距,保持风电机组的最佳功率输出。

(2) 故障模拟实验。故障测试实验包括主控柜故障、轴控柜故障和电池柜故障。本实验平台利用PLC控制器产生变桨故障,供学生查找故障、分析变桨故障对风电机组的影响,学习和研究风电机组稳定运行的技术。

本实验内容紧密结合实际,使学生直观地了解到变桨距系统的结构和工作过程,为学生解决实际问题和科研探索创造条件。已开设的实验有：(1)变桨距实验,包括统一变桨距实验和独立变桨距实验；(2)故障测试实验,包括主控柜故障实验、轴控柜故障实验和电池柜故障实验。

3.2 实验操作和结果

变桨距实验和故障模拟实验的流程如图6所示,学生按照实验流程即可完成实验。

图6 实验流程图

在电动变桨故障模拟系统正常工作时,通过主控柜中充电回路给电池柜中的备用电池充电,使电源发生故障时电池柜仍能够工作。例如在变桨故障设置柜中设置风轮轴1的电池充电故障,主控柜中电池充电回路收到故障信号后充电接触器6K1断开(见图7)。这时要求学生根据实验平台和图纸查找故障原因。当检测到接触器6K1断开——即电池充电故障后,与人机交互界面显示的故障对比,确认查找故障的正确性。

图7 主控柜充电电路

4 结语

参考风力发电机变桨距系统结构搭建的电动变桨故障模拟实验平台具有功能强大、操作简便的优点,能够完成故障模拟和电动变桨等实验。这些实验内容都是针对风电机组运行中存在的问题而设计,对风电机组稳定运行和优化具有指导性和验证性的作用。本文所搭建的实验平台能够准确地进行电动变桨故障诊断,对风电场工作人员预先制定合理的维修保养计划、降低运行成本具有重要意义。