杜春峰，武鵬，武繼聰

（河北新天科創(chuàng)新能源技術(shù)有限公司，河北 張家口 075000）

1 引言

變槳系統(tǒng)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要部件。2008～2011年國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)了一個(gè)高峰期的安裝運(yùn)行，迄今已有10年左右。因?yàn)楦鞣N的原因?qū)е嘛L(fēng)機(jī)的維護(hù)不到位，經(jīng)常出現(xiàn)一些故障，尤其是風(fēng)機(jī)的變槳系統(tǒng)，是整個(gè)風(fēng)機(jī)的故障高發(fā)區(qū)。如何提高風(fēng)電運(yùn)維人員的技術(shù)水平，降低風(fēng)機(jī)故障率，對(duì)保障風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行發(fā)揮著重要作用。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)勢(shì)必對(duì)發(fā)電量造成影響，為了盡量縮短維護(hù)時(shí)間，增加可靠性，需作業(yè)人員提前熟悉變槳系統(tǒng)狀況，理解變槳系統(tǒng)工作原理，熟練解決變槳系統(tǒng)遇到的問(wèn)題，特設(shè)計(jì)本變槳平臺(tái)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

2 變槳實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)功能

采用三軸結(jié)構(gòu)，分別模擬變槳系統(tǒng)的軸1、軸2、軸3及變槳控制柜，每個(gè)軸控制柜配套一個(gè)故障模擬柜，協(xié)助變槳控制系統(tǒng)觸發(fā)故障。其中，每個(gè)軸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與軸控制柜電氣連接，軸控制柜與故障模擬柜連接，故障模擬柜與人機(jī)界面和考試系統(tǒng)。變槳軸控柜故障模擬斷點(diǎn)通過(guò)將軸控柜所有柜內(nèi)故障模擬斷點(diǎn)的上下引線通過(guò)殼體外側(cè)的重載連接器引出，并將這些斷點(diǎn)延伸至故障模擬柜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其遠(yuǎn)程控制。變槳軸控柜與其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如變槳電機(jī)、后備電源柜、傳感器、自動(dòng)潤(rùn)滑泵、機(jī)組安全鏈等，均采用重載連接器實(shí)現(xiàn)電氣連接。在方便學(xué)員完成電氣接線實(shí)踐的同時(shí)，也保證人員及設(shè)備的安全。

2.1 正常變槳與緊急順槳功能

（1）自動(dòng)變槳。正常運(yùn)行時(shí)，變槳系統(tǒng)接收風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)指令，依據(jù)主控要求自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)變槳、自動(dòng)順槳等實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)槳距角，達(dá)到機(jī)組的安全運(yùn)行。（2）手動(dòng)變槳。在服務(wù)模式下，通過(guò)手動(dòng)調(diào)槳開(kāi)關(guān)，可分別對(duì)槳葉的運(yùn)行方向和速度進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制。（3）安全順槳。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)掉電、通訊故障、安全鏈斷開(kāi)、驅(qū)動(dòng)器故障、后備電源故障等現(xiàn)象時(shí)，變槳系統(tǒng)自動(dòng)完成安全順槳。

2.2 故障自診斷及保護(hù)功能

具有自診斷及保護(hù)功能，能實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的故障或異常情況，并有良好的安全策略進(jìn)行處理。診斷及保護(hù)包括：防雷保護(hù)、熔斷器或保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作、通訊超時(shí)或中斷、驅(qū)動(dòng)器故障、電機(jī)故障、充電器故障、傳感器故障。

2.3 人機(jī)交互

（1）主控發(fā)到變槳的信息，包括槳葉的角度設(shè)定值、槳葉的調(diào)節(jié)速度、主控系統(tǒng)的控制命令，心跳、故障復(fù)位、模式設(shè)定等。（2）變槳回復(fù)主控的信息，包括電機(jī)編碼器的當(dāng)前角度值、冗余傳感器的當(dāng)前角度值、當(dāng)前調(diào)節(jié)速度、電機(jī)的電流、電機(jī)的溫度、系統(tǒng)狀態(tài)信息等。（3）具有技能實(shí)訓(xùn)考核評(píng)價(jià)功能。通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)定考核內(nèi)容，并在考核結(jié)束后生成考核評(píng)價(jià)報(bào)表。

2.4 故障模擬功能

本實(shí)訓(xùn)裝置所模擬的故障點(diǎn)總體分為三類(lèi)：

（1）軸控柜內(nèi)斷路器跳閘。通過(guò)軸控柜內(nèi)的遠(yuǎn)程I/O模塊發(fā)送指令，結(jié)合斷路器上加裝的遠(yuǎn)程分閘開(kāi)關(guān)，模擬斷路保護(hù)由于過(guò)流、過(guò)熱等原因跳閘的故障。

（2）傳感器故障。通過(guò)在變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)上調(diào)整傳感器的安裝位置，導(dǎo)致其反饋信號(hào)與實(shí)際值不符的故障。

（3）軸控柜內(nèi)部線路斷路。通過(guò)控制故障模擬柜內(nèi)的接觸器或繼電器動(dòng)作，模擬軸控柜內(nèi)相應(yīng)線路斷路的故障。

2.5 實(shí)訓(xùn)考核功能

平臺(tái)考核可分為系統(tǒng)自動(dòng)考核和指導(dǎo)教師考核。對(duì)自動(dòng)考核和指導(dǎo)教師給定的評(píng)分，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，在數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中可以對(duì)學(xué)員的考核信息進(jìn)行管理。

3 變槳實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

變槳實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要包含1.5MW變槳系統(tǒng)、1.5MW變槳故障模擬系統(tǒng)、考核系統(tǒng)，總體設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1所示。變槳系統(tǒng)硬件為倍福PLC控制器、通信模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字輸出模塊和模擬量輸入量模塊等，變槳系統(tǒng)與故障及控制模擬管理系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，故障及控制模擬管理系統(tǒng)根據(jù)變槳系統(tǒng)運(yùn)行情況模擬出故障信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)框圖

4 變槳實(shí)訓(xùn)平臺(tái)故障模擬系統(tǒng)

4.1 信號(hào)梳理

變槳無(wú)法模擬的信號(hào)由模擬系統(tǒng)給出，將變槳系統(tǒng)中的故障信號(hào)劃分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)故障，Ⅰ類(lèi)故障是對(duì)變槳系統(tǒng)中回路某段截?cái)?，截?cái)嗟那岸私尤牍收夏M系統(tǒng)，再經(jīng)由故障模擬輸出至截?cái)嗟暮蠖?，從而使故障模擬系統(tǒng)對(duì)Ⅰ類(lèi)故障中的故障實(shí)施模擬（如圖2所示）。主要的故障信號(hào)有驅(qū)動(dòng)器故障、變槳錯(cuò)誤、電池電壓故障、電網(wǎng)掉電、極限開(kāi)關(guān)旁路超時(shí)等。對(duì)于Ⅱ類(lèi)故障，完全由故障模擬系統(tǒng)及實(shí)訓(xùn)平臺(tái)HMI 軟件實(shí)現(xiàn)，無(wú)需電氣改動(dòng)，主要有通讀故障、模塊故障和跟隨故障。Ⅲ類(lèi)故障，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)HMI設(shè)置比較閥值，再通過(guò)故障模擬系統(tǒng)的軟件邏輯實(shí)現(xiàn)，無(wú)需電氣改動(dòng)，例如電機(jī)過(guò)流、電機(jī)過(guò)流等故障信號(hào)，三類(lèi)故障模擬界面如圖3所示。故障模擬管理系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)與HMI共同建立起實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)，變槳系統(tǒng)與HMI的通信采用Profibus或CANOPEN協(xié)議，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)故障模擬管理系統(tǒng)與HMI通信為ADS，通過(guò)通訊接口來(lái)模擬主控控制，同時(shí)具備控制與監(jiān)控功能。

圖2 Ⅰ類(lèi)故障模擬輸入、輸出示意圖

圖3 三類(lèi)故障模擬界面設(shè)計(jì)

4.2 變槳功能模擬

主要的變槳功能模擬如下：（1）手動(dòng)變槳模擬，通過(guò)手動(dòng)調(diào)槳開(kāi)關(guān)，可分別對(duì)槳葉的運(yùn)行方向和速度進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制。（2）自動(dòng)變槳模擬，模擬主控給定變槳角度及控制指令，實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)的自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)變槳、自動(dòng)順槳等。（3）緊急收槳模擬，如果系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)掉電、通訊故障、安全鏈斷開(kāi)、驅(qū)動(dòng)器故障變槳系統(tǒng)自動(dòng)完成緊急收槳。（4）低電壓穿越模擬，系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)掉電，但掉電時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)3s時(shí)，變槳系統(tǒng)由其他電源保證控制回路及驅(qū)動(dòng)器等主要部件的供電，保持正常運(yùn)行。（5）校零功能模擬，通過(guò)校零按鈕，可分別對(duì)各槳葉進(jìn)行校零操作。

4.3 故障模擬柜設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)對(duì)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)故障點(diǎn)位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共計(jì)43個(gè)故障，根據(jù)實(shí)訓(xùn)需要可以增加故障點(diǎn)數(shù)。故障模擬柜主要部件包括遠(yuǎn)程I/O模塊、繼電器、接觸器等，通過(guò)控制繼電器和接觸器的觸點(diǎn)來(lái)模擬變槳系統(tǒng)任意電氣連接的斷路故障（包含斷路器跳閘）。當(dāng)需要故障模擬時(shí)，將故障模擬柜接入；當(dāng)無(wú)需故障模擬時(shí)，僅需要使用短接片將變槳軸控柜模擬斷點(diǎn)相應(yīng)關(guān)系進(jìn)行短接。故障模擬柜內(nèi)還配有PLC模塊，用于模擬風(fēng)電機(jī)組主控制器，與變槳系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊；并按照人機(jī)界面發(fā)送的故障模擬控制指令，通過(guò)I/O模塊控制相應(yīng)繼電器或接觸器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的通斷。

4.4 HMI界面設(shè)計(jì)

故障模擬操作界面含實(shí)現(xiàn)功能、監(jiān)控頁(yè)面、參數(shù)設(shè)定等界面。通過(guò)平臺(tái)可進(jìn)行監(jiān)控、故障功能模擬和參數(shù)設(shè)置，了解如何進(jìn)行變槳運(yùn)行功能控制。

5 考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考試系統(tǒng)包括用戶管理、試題管理、試卷管理等，可對(duì)學(xué)員的基本信息進(jìn)行存儲(chǔ)；試題可以通過(guò)通用模板導(dǎo)入，考題類(lèi)型有單選、多選、填空和問(wèn)答，考題的難易程度也可以進(jìn)行設(shè)置；組卷方式靈活，可手動(dòng)組卷，可自動(dòng)生成試卷。

6 平臺(tái)樣機(jī)與結(jié)論

變槳實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)模擬風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行控制邏輯。學(xué)員通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)即可了解變槳系統(tǒng)原理、部件更換、故障查詢(xún)、故障處理等。在確保人身安全的同時(shí)，也能提升排查故障效率、提高風(fēng)機(jī)利用率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖4 變槳實(shí)訓(xùn)平臺(tái)樣機(jī)