风力发电机变桨系统后备电源改造方案研究与实践

唐亚波

(中国大唐集团新能源股份有限公司重庆分公司，重庆 400020)

变桨系统是实现风力发电机风能转换最核心的控制系统之一[1]，而其后备电源是确保风力发电机在紧急故障情况下及时完成收桨操作的最后一道防线。某风电场安装有55台海装风电H56-850风力发电机组，于2009年投产。由于投产年限较长，变桨系统后备电源采用电池供电，电池电压故障、充电故障频发，严重威胁风力发电机组的安全。本文研究的改造方案主要技术路线是用超级电容替换原变桨系统后备电源——蓄电池。由于原变桨系统PLC内部程序不开放，不能对其运行逻辑进行更改，只能要求在保证原有功能前提下进行超级电容替代，以提高后备电源寿命周期及可靠性，减少后期维护成本。本方案将科学地确定工作电压范围、充电方式、电容监测方法以及充分考虑安全系数，选取裕量足够大的超级电容组，在电网故障低电压穿越以及紧急停机顺桨时提供更加可靠的后备动力电源，并通过带载验证及风场验证。

1 原变桨系统分析与改造方案相关部件选型

原变桨系统采用9柜结构，由1个电源中央控制柜、1个充电控制柜、1个变桨驱动柜、3个上下层结构的电池柜、3个桨叶控制柜构成。电源中央控制柜中包含1个变压器和系统控制器(PLC)及输出电路组成，见图1。充电控制柜内安装1个电池充电器为3组蓄电池充电。桨叶控制柜中并列安装3个BAMO A2 160-25-50驱动器。变桨驱动电机为直流他励电机，功率3 kW。电池柜为上下双层设计，每个电池组由12块7AH、额定电压12 V蓄电池构成。变桨通过INTERBUS现场总线与风机主控通讯。

图1 原变桨系统结构图

H56-850风力发电机组变桨系统在轮毂内的结构安装，与现在主流的变桨系统有很大的区别[2]。基本结构为：电源中央控制柜，安装在靠近机舱侧的轮毂壁上，3个电池柜安装在电源中央控制柜周围，3个桨叶控制柜安装在电池柜外围侧。变桨驱动柜和充电控制柜安装在远离机舱侧的轮毂壁上。本方案涉及到的充电器及蓄电池的更换，下面分别介绍。

1.1 电池型充电器

原变桨系统电池充电器3E5安装于充电控制柜内。供电电源来自电源中央控制柜内的变压器二次侧三相交流220 V输出。充电器同时为3组蓄电池供电，通过3个二极管保护，无空开或是隔离开关。充电器电源由继电器3K11控制充电器的工作。3K11继电器则通过PLC的DO模块D4.7控制。同时充电器设有1个故障检测点信号，故障信号输出接到主控PLC数字量输入DI模块D4.8通道。原电池充电器通过断路器(3E5)分别给3个电池箱充电，3个电池箱充电分别由3个功率二极管(3V5、3V6、3V7)给3组蓄电池充电。图2是充电回路示意图。原充电控制柜的尺490 mm×388 mm×226 mm，安装位置在轮毂远离机舱的内壁上。

图2 充电器充电回路图

1.2 电池柜及电池组直流24 V输出

每个电池组由上下两层电池柜构成，每个蓄电池柜内由6块电池串联，每块电池额定电压12V DC容量7AH，出口电压144V DC。上下两层电池柜串联使用。原系统取蓄电池组的一组24 V直流电源，用作紧急顺桨时控制电路时和电机制动器的电源使用。原电池柜的尺寸：400 mm×300 mm×300 mm，分上下两层，由不锈钢板制成。

1.3 直流电机

原变桨系统驱动电机为他励4级直流电机，额定功率3 kW、额定转速2 900 r/min、制动力矩16 Nm。他励电机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速n的变化不大，属硬机械特性。

1.4 需要进行电池顺桨的情况分析

以轴1为例，变桨系统在主电源供电出现故障情况下需要电池柜提供能量变桨[3]，当系统电源故障时，继电器6K6、6K8 2个相互的闭锁的继电器动作，电池电压通过继电器6K8供给直流电机实现顺桨操作，直到92度限位动作后停止。正常情况下轴1的系统正常(包含驱动、电机、限位及电池正常且没有急停后系统正常)，安全链闭合，轴柜内6K6得电闭合，系统处于正常的工作范围。详细原理图见图3。

图3 电池顺桨时电机电枢和励磁图

2 改造方案研究

2.1 总体方案确定

轮毂尺寸实地考察情况：H56-850风力发电机组轮毂较小且不能从机舱直接进入，需通过机舱主轴上部的出口到机舱外侧，再通过轮毂罩的开口侧进入轮毂。轮毂只有一处开口，所以锁叶轮的位置是特定的位置，后期的施工要重点考虑此情况。机舱出口尺寸：矩形400 mm×600 mm；轮毂罩的入口尺寸：矩形500 mm×900 mm；轮毂的入口为圆形，直径670 mm。根据现场测量数据及轮毂内部空间大小，采用保留原系统充电控制柜体，将原系统电池充电器拆除，更换为超级电容充电器；另外拆除原3个电池柜，更换为3个超级电容柜。新变桨系统结构框图如图4。

图4 新变桨系统结构图

2.2 工作电压范围的确定

H56-850风力发电机组变桨系统供电故障时，将使用后备电源直接驱动变桨电机进行顺桨动作，这个过程中需要后备电源供电的设备包括：接触器6K8、变桨驱动电机M12以及电机制动器Y16。接触器6K8和电机制动器都是直流24 V电压供电驱动。驱动电机电枢电压和励磁由后备电源直接供电驱动。

超级电容不同于蓄电池释放能量时电压将会持续下降[4]，所以需要确认直流驱动电机的工作电压范围。确认电机最高能够承受的电压值和能够驱动负载的最低电压值。确认好这2个电压值后根据电压降得数值以及电池顺桨需要的输出能量计算电容的容值大小用于电容选型。以确保电容电压下降过程中这些部件工作正常。此部分工作还需要经过进一步的试验测试才能得到数据。

2.3 电容组选型计算

本方案选用的超级电容作为后备电源，拆除原来3个蓄电池柜，按照原安装尺寸制作3个超级电容柜。超级电容组出口线路与原系统保持一致。电容采用3块电容并联的形式。每块电容容值5.8F，额定电压168 V。选取三组电容并联使用，也是充分考虑到风机质保期后运维水平参差不齐，齿轮箱传动润滑效果下降。同时结合了变桨系统现场电容电压跌幅经验，能量裕量大，安全系数高。如果一组超级电容发生故障，另外两组超级电容能量仍可以保证顺桨1次，这是原系统不具有的功能；原系统采用的是12块蓄电池串联的形式，如果1块电池出现故障，则整个电池组将无法输出能量，桨叶将无法完成顺桨。

所以本方案除超级电容本身可靠性高于原方案中的蓄电池，超级电容的并组方式同样使得系统的安全性得到提高。详细容量核算还需要经过试验检测原系统变桨电机最低工作电压来进行。电容顺桨：当电网电压掉电时，由变桨系统后备电源提供能量完成桨叶顺桨的过程。这时就需保证所选的后备电源储存的能量能够顺利完成变桨次数的要求，这里对H56-850风力发电机组变桨系统所选电容能够完成的顺桨次数做如下说明。

根据确定电机的技术要求，电机及传动比参数：额定功率3 kW；额定转速2 900 r/min；额定转矩10 Nm；减速比2 000(预估)。变桨后备电源由2块超级电容并联组成(每块容值5.8F电容总容值11.6F)，系统截止电压按照电机额定电压90%计算130 V，电容上所储存的能量为

式中：C为电容组的容值(11.6F)；U为电容组的电压。

ΔW=0.5×11.6×(1682-1302)=65 679.2 J

即电容上储存有65 679.2 J的能量可用于变桨。

下面计算顺一次桨需要的能量计算：

W=Tn×2π×90/360×减速比

已知额定转矩10 Nm，减速比2 000，紧急顺桨角度默认从0°顺桨至90°。

W=10×2π×90/360×2 000=31 400 J

这样便求得每完成一次顺桨所需的能量。

考虑到变桨系统效率，按90%效率计算，电容储存的总能量与每完成一次所需能量的比值，即电容可完成的顺桨次数(N)：

可以看出新方案所选的后备电容储存的能量可以完成1.88次顺桨。

2.4 24 V直流电源的处理

原系统为蓄电池设计，从蓄电池组中取一路直流24 V电源用于控制电路和电池顺桨时电机制动器的动作。原系统24 V直流电源取电非常方便，考虑到系统更换为超级电容后24 V直流电源难以直接从后备电源取得，这里加设一DC/DC宽电压输入直流24 V输出电源完成来保证控制电路和电机制动器的动作，见图5。

图5 新变桨系统直流24 V电源原理图

2.5 充电器设计

本方案保留原系统充电控制柜体，将原系统电池充电器拆除，更换为超级电容充电器。交流220V电源供电，输出三路直流充电接口。由于超级电容器采用浮充方式，需屏蔽掉原充电器供电回路的继电器3K11用空开代替用来保护充电器。充电器的输出电压为168 V，每路最大输出电流为2 A，当电容电压达到168 V后，充电器输出方式为恒压限流，保持电容电压为168 V恒定。充电器设故障检测信号为充电器OK信号，当充电器自检发现故障时OK信号输出低电平；OK信号连接后接入主控系统PLC数字量输入模块DI模块D4.8通道。

2.6 系统框图

图6为本方案3个充电器连接原理示意图。在原充电控制柜内安装超级电容充电器，在三路输出中设3个隔离开关。每路输出并联一个DC/DC电源(500 W)用来在电容顺桨时给6K8继电器和电机刹车供电，进行顺桨操作。

图6 总体设计框图

3 方案实施步骤

受限于原系统的轮毂尺寸，此方案的超级电容、充电容充电器要重新进行选型和设计。

3.1 超级电容设计与选型及柜体设计制作

系统的蓄电池柜外形最大尺寸为：400 mm×300 mm×300 mm。本次改造使用的160 V 5.8F超级电容的尺寸：367 mm×235 mm×79 mm。按照原来的安装位置替换蓄电池为超级电容，还使用双层结构。要根据原蓄电池柜的安装尺寸和更换的超级电容尺寸，设计超级电容柜体。安装到原蓄电池部位。

3.2 充电器设计与选型

受原系统驱动器和直流电机的限制，后备电源的按照最高168 V计算。这个电压不同于现有的240 V或者是450 V方案，要重新设计电容充电器。新设计单相电压输入和三路输出的充电器。尺寸要按照系统原有的安装柜尺寸设计。这里可以沿用原系统充电柜。

3.3 现场测试与试验

1)现场要进行电容顺桨测试实验，实地检测电容电压降数值是多少。

2)要对直流驱动电机的励磁电压及电枢电压的工作范围进行试验测量，保证电容有足够的能量输出，使变桨系统顺桨完成并且验证上面方案中关于直流电机工作范围的预估。

4 结 语

风力发电机变桨系统需要在机组或电网故障情况下执行顺桨动作，使机组迅速停下来以确保机组安全，这对变桨系统后备电源的可靠性提出了很高的要求。早期的风机变桨系统后备电源多采用电池，寿命短、故障多，严重影响风机设备安全[5]。本文通过研究变桨系统后备电源改造策略，详细论证了改造方案，对类似风场的改造工作具有借鉴作用。当然，随着风机技术的进步，变桨系统操作电源的改进将会有更多的选择空间。