唐亞波

(中國大唐集團(tuán)新能源股份有限公司重慶分公司，重慶 400020)

變槳系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換最核心的控制系統(tǒng)之一[1]，而其后備電源是確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)在緊急故障情況下及時完成收槳操作的最后一道防線。某風(fēng)電場安裝有55臺海裝風(fēng)電H56-850風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，于2009年投產(chǎn)。由于投產(chǎn)年限較長，變槳系統(tǒng)后備電源采用電池供電，電池電壓故障、充電故障頻發(fā)，嚴(yán)重威脅風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全。本文研究的改造方案主要技術(shù)路線是用超級電容替換原變槳系統(tǒng)后備電源——蓄電池。由于原變槳系統(tǒng)PLC內(nèi)部程序不開放，不能對其運(yùn)行邏輯進(jìn)行更改，只能要求在保證原有功能前提下進(jìn)行超級電容替代，以提高后備電源壽命周期及可靠性，減少后期維護(hù)成本。本方案將科學(xué)地確定工作電壓范圍、充電方式、電容監(jiān)測方法以及充分考慮安全系數(shù)，選取裕量足夠大的超級電容組，在電網(wǎng)故障低電壓穿越以及緊急停機(jī)順槳時提供更加可靠的后備動力電源，并通過帶載驗(yàn)證及風(fēng)場驗(yàn)證。

1 原變槳系統(tǒng)分析與改造方案相關(guān)部件選型

原變槳系統(tǒng)采用9柜結(jié)構(gòu)，由1個電源中央控制柜、1個充電控制柜、1個變槳驅(qū)動柜、3個上下層結(jié)構(gòu)的電池柜、3個槳葉控制柜構(gòu)成。電源中央控制柜中包含1個變壓器和系統(tǒng)控制器(PLC)及輸出電路組成，見圖1。充電控制柜內(nèi)安裝1個電池充電器為3組蓄電池充電。槳葉控制柜中并列安裝3個BAMO A2 160-25-50驅(qū)動器。變槳驅(qū)動電機(jī)為直流他勵電機(jī)，功率3 kW。電池柜為上下雙層設(shè)計，每個電池組由12塊7AH、額定電壓12 V蓄電池構(gòu)成。變槳通過INTERBUS現(xiàn)場總線與風(fēng)機(jī)主控通訊。

圖1 原變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

H56-850風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)在輪轂內(nèi)的結(jié)構(gòu)安裝，與現(xiàn)在主流的變槳系統(tǒng)有很大的區(qū)別[2]?；窘Y(jié)構(gòu)為：電源中央控制柜，安裝在靠近機(jī)艙側(cè)的輪轂壁上，3個電池柜安裝在電源中央控制柜周圍，3個槳葉控制柜安裝在電池柜外圍側(cè)。變槳驅(qū)動柜和充電控制柜安裝在遠(yuǎn)離機(jī)艙側(cè)的輪轂壁上。本方案涉及到的充電器及蓄電池的更換，下面分別介紹。

1.1 電池型充電器

原變槳系統(tǒng)電池充電器3E5安裝于充電控制柜內(nèi)。供電電源來自電源中央控制柜內(nèi)的變壓器二次側(cè)三相交流220 V輸出。充電器同時為3組蓄電池供電，通過3個二極管保護(hù)，無空開或是隔離開關(guān)。充電器電源由繼電器3K11控制充電器的工作。3K11繼電器則通過PLC的DO模塊D4.7控制。同時充電器設(shè)有1個故障檢測點(diǎn)信號，故障信號輸出接到主控PLC數(shù)字量輸入DI模塊D4.8通道。原電池充電器通過斷路器(3E5)分別給3個電池箱充電，3個電池箱充電分別由3個功率二極管(3V5、3V6、3V7)給3組蓄電池充電。圖2是充電回路示意圖。原充電控制柜的尺490 mm×388 mm×226 mm，安裝位置在輪轂遠(yuǎn)離機(jī)艙的內(nèi)壁上。

圖2 充電器充電回路圖

1.2 電池柜及電池組直流24 V輸出

每個電池組由上下兩層電池柜構(gòu)成，每個蓄電池柜內(nèi)由6塊電池串聯(lián)，每塊電池額定電壓12V DC容量7AH，出口電壓144V DC。上下兩層電池柜串聯(lián)使用。原系統(tǒng)取蓄電池組的一組24 V直流電源，用作緊急順槳時控制電路時和電機(jī)制動器的電源使用。原電池柜的尺寸：400 mm×300 mm×300 mm，分上下兩層，由不銹鋼板制成。

1.3 直流電機(jī)

原變槳系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)為他勵4級直流電機(jī)，額定功率3 kW、額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min、制動力矩16 Nm。他勵電機(jī)的電樞電阻Ra很小，所以在負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速n的變化不大，屬硬機(jī)械特性。

1.4 需要進(jìn)行電池順槳的情況分析

以軸1為例，變槳系統(tǒng)在主電源供電出現(xiàn)故障情況下需要電池柜提供能量變槳[3]，當(dāng)系統(tǒng)電源故障時，繼電器6K6、6K8 2個相互的閉鎖的繼電器動作，電池電壓通過繼電器6K8供給直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)順槳操作，直到92度限位動作后停止。正常情況下軸1的系統(tǒng)正常(包含驅(qū)動、電機(jī)、限位及電池正常且沒有急停后系統(tǒng)正常)，安全鏈閉合，軸柜內(nèi)6K6得電閉合，系統(tǒng)處于正常的工作范圍。詳細(xì)原理圖見圖3。

圖3 電池順槳時電機(jī)電樞和勵磁圖

2 改造方案研究

2.1 總體方案確定

輪轂尺寸實(shí)地考察情況：H56-850風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂較小且不能從機(jī)艙直接進(jìn)入，需通過機(jī)艙主軸上部的出口到機(jī)艙外側(cè)，再通過輪轂罩的開口側(cè)進(jìn)入輪轂。輪轂只有一處開口，所以鎖葉輪的位置是特定的位置，后期的施工要重點(diǎn)考慮此情況。機(jī)艙出口尺寸：矩形400 mm×600 mm；輪轂罩的入口尺寸：矩形500 mm×900 mm；輪轂的入口為圓形，直徑670 mm。根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)及輪轂內(nèi)部空間大小，采用保留原系統(tǒng)充電控制柜體，將原系統(tǒng)電池充電器拆除，更換為超級電容充電器；另外拆除原3個電池柜，更換為3個超級電容柜。新變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4。

圖4 新變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作電壓范圍的確定

H56-850風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)供電故障時，將使用后備電源直接驅(qū)動變槳電機(jī)進(jìn)行順槳動作，這個過程中需要后備電源供電的設(shè)備包括：接觸器6K8、變槳驅(qū)動電機(jī)M12以及電機(jī)制動器Y16。接觸器6K8和電機(jī)制動器都是直流24 V電壓供電驅(qū)動。驅(qū)動電機(jī)電樞電壓和勵磁由后備電源直接供電驅(qū)動。

超級電容不同于蓄電池釋放能量時電壓將會持續(xù)下降[4]，所以需要確認(rèn)直流驅(qū)動電機(jī)的工作電壓范圍。確認(rèn)電機(jī)最高能夠承受的電壓值和能夠驅(qū)動負(fù)載的最低電壓值。確認(rèn)好這2個電壓值后根據(jù)電壓降得數(shù)值以及電池順槳需要的輸出能量計算電容的容值大小用于電容選型。以確保電容電壓下降過程中這些部件工作正常。此部分工作還需要經(jīng)過進(jìn)一步的試驗(yàn)測試才能得到數(shù)據(jù)。

2.3 電容組選型計算

本方案選用的超級電容作為后備電源，拆除原來3個蓄電池柜，按照原安裝尺寸制作3個超級電容柜。超級電容組出口線路與原系統(tǒng)保持一致。電容采用3塊電容并聯(lián)的形式。每塊電容容值5.8F，額定電壓168 V。選取三組電容并聯(lián)使用，也是充分考慮到風(fēng)機(jī)質(zhì)保期后運(yùn)維水平參差不齊，齒輪箱傳動潤滑效果下降。同時結(jié)合了變槳系統(tǒng)現(xiàn)場電容電壓跌幅經(jīng)驗(yàn)，能量裕量大，安全系數(shù)高。如果一組超級電容發(fā)生故障，另外兩組超級電容能量仍可以保證順槳1次，這是原系統(tǒng)不具有的功能；原系統(tǒng)采用的是12塊蓄電池串聯(lián)的形式，如果1塊電池出現(xiàn)故障，則整個電池組將無法輸出能量，槳葉將無法完成順槳。

所以本方案除超級電容本身可靠性高于原方案中的蓄電池，超級電容的并組方式同樣使得系統(tǒng)的安全性得到提高。詳細(xì)容量核算還需要經(jīng)過試驗(yàn)檢測原系統(tǒng)變槳電機(jī)最低工作電壓來進(jìn)行。電容順槳：當(dāng)電網(wǎng)電壓掉電時，由變槳系統(tǒng)后備電源提供能量完成槳葉順槳的過程。這時就需保證所選的后備電源儲存的能量能夠順利完成變槳次數(shù)的要求，這里對H56-850風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)所選電容能夠完成的順槳次數(shù)做如下說明。

根據(jù)確定電機(jī)的技術(shù)要求，電機(jī)及傳動比參數(shù)：額定功率3 kW；額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min；額定轉(zhuǎn)矩10 Nm；減速比2 000(預(yù)估)。變槳后備電源由2塊超級電容并聯(lián)組成(每塊容值5.8F電容總?cè)葜?1.6F)，系統(tǒng)截止電壓按照電機(jī)額定電壓90%計算130 V，電容上所儲存的能量為

式中：C為電容組的容值(11.6F)；U為電容組的電壓。

ΔW=0.5×11.6×(1682-1302)=65 679.2 J

即電容上儲存有65 679.2 J的能量可用于變槳。

下面計算順一次槳需要的能量計算：

W=Tn×2π×90/360×減速比

已知額定轉(zhuǎn)矩10 Nm，減速比2 000，緊急順槳角度默認(rèn)從0°順槳至90°。

W=10×2π×90/360×2 000=31 400 J

這樣便求得每完成一次順槳所需的能量。

考慮到變槳系統(tǒng)效率，按90%效率計算，電容儲存的總能量與每完成一次所需能量的比值，即電容可完成的順槳次數(shù)(N)：

可以看出新方案所選的后備電容儲存的能量可以完成1.88次順槳。

2.4 24 V直流電源的處理

原系統(tǒng)為蓄電池設(shè)計，從蓄電池組中取一路直流24 V電源用于控制電路和電池順槳時電機(jī)制動器的動作。原系統(tǒng)24 V直流電源取電非常方便，考慮到系統(tǒng)更換為超級電容后24 V直流電源難以直接從后備電源取得，這里加設(shè)一DC/DC寬電壓輸入直流24 V輸出電源完成來保證控制電路和電機(jī)制動器的動作，見圖5。

圖5 新變槳系統(tǒng)直流24 V電源原理圖

2.5 充電器設(shè)計

本方案保留原系統(tǒng)充電控制柜體，將原系統(tǒng)電池充電器拆除，更換為超級電容充電器。交流220V電源供電，輸出三路直流充電接口。由于超級電容器采用浮充方式，需屏蔽掉原充電器供電回路的繼電器3K11用空開代替用來保護(hù)充電器。充電器的輸出電壓為168 V，每路最大輸出電流為2 A，當(dāng)電容電壓達(dá)到168 V后，充電器輸出方式為恒壓限流，保持電容電壓為168 V恒定。充電器設(shè)故障檢測信號為充電器OK信號，當(dāng)充電器自檢發(fā)現(xiàn)故障時OK信號輸出低電平；OK信號連接后接入主控系統(tǒng)PLC數(shù)字量輸入模塊DI模塊D4.8通道。

2.6 系統(tǒng)框圖

圖6為本方案3個充電器連接原理示意圖。在原充電控制柜內(nèi)安裝超級電容充電器，在三路輸出中設(shè)3個隔離開關(guān)。每路輸出并聯(lián)一個DC/DC電源(500 W)用來在電容順槳時給6K8繼電器和電機(jī)剎車供電，進(jìn)行順槳操作。

圖6 總體設(shè)計框圖

3 方案實(shí)施步驟

受限于原系統(tǒng)的輪轂尺寸，此方案的超級電容、充電容充電器要重新進(jìn)行選型和設(shè)計。

3.1 超級電容設(shè)計與選型及柜體設(shè)計制作

系統(tǒng)的蓄電池柜外形最大尺寸為：400 mm×300 mm×300 mm。本次改造使用的160 V 5.8F超級電容的尺寸：367 mm×235 mm×79 mm。按照原來的安裝位置替換蓄電池為超級電容，還使用雙層結(jié)構(gòu)。要根據(jù)原蓄電池柜的安裝尺寸和更換的超級電容尺寸，設(shè)計超級電容柜體。安裝到原蓄電池部位。

3.2 充電器設(shè)計與選型

受原系統(tǒng)驅(qū)動器和直流電機(jī)的限制，后備電源的按照最高168 V計算。這個電壓不同于現(xiàn)有的240 V或者是450 V方案，要重新設(shè)計電容充電器。新設(shè)計單相電壓輸入和三路輸出的充電器。尺寸要按照系統(tǒng)原有的安裝柜尺寸設(shè)計。這里可以沿用原系統(tǒng)充電柜。

3.3 現(xiàn)場測試與試驗(yàn)

1)現(xiàn)場要進(jìn)行電容順槳測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)地檢測電容電壓降數(shù)值是多少。

2)要對直流驅(qū)動電機(jī)的勵磁電壓及電樞電壓的工作范圍進(jìn)行試驗(yàn)測量，保證電容有足夠的能量輸出，使變槳系統(tǒng)順槳完成并且驗(yàn)證上面方案中關(guān)于直流電機(jī)工作范圍的預(yù)估。

4 結(jié) 語

風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)需要在機(jī)組或電網(wǎng)故障情況下執(zhí)行順槳動作，使機(jī)組迅速停下來以確保機(jī)組安全，這對變槳系統(tǒng)后備電源的可靠性提出了很高的要求。早期的風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)后備電源多采用電池，壽命短、故障多，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)設(shè)備安全[5]。本文通過研究變槳系統(tǒng)后備電源改造策略，詳細(xì)論證了改造方案，對類似風(fēng)場的改造工作具有借鑒作用。當(dāng)然，隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，變槳系統(tǒng)操作電源的改進(jìn)將會有更多的選擇空間。