基于風(fēng)力發(fā)電的電動變槳故障模擬系統(tǒng)設(shè)計

邢作霞, 項 尚, 徐 健, 楊 軼

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870； 2. 沈陽華創(chuàng)風(fēng)能有限公司, 遼寧 沈陽 110870； 3. 中電投東北新能源發(fā)展有限公司, 遼寧 沈陽 110181)

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展,風(fēng)電機組的裝機容量逐年提升。為了保證風(fēng)電機組的發(fā)電質(zhì)量和提高風(fēng)能利用效率,變槳距風(fēng)機逐步取代定槳距風(fēng)機,成為風(fēng)電機組的主流機型[1-3]。當風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機額定風(fēng)速時,變槳距系統(tǒng)將根據(jù)風(fēng)速的變化對葉片的槳距角β進行調(diào)節(jié),調(diào)整葉片對氣流的攻角α,以保持風(fēng)電機組輸出功率接近最大值和保證風(fēng)電機組的安全[4-6]。然而,變槳距系統(tǒng)的頻繁調(diào)整容易造成零部件損壞,而且變槳距系統(tǒng)安裝在距離地面幾十米甚至100多米高的輪轂內(nèi),對變槳距系統(tǒng)的維修非常困難。對變槳距系統(tǒng)進行早期故障檢測,可以有效提高風(fēng)電機組的運行可靠性、減少因故障造成的損失[7]。本文搭建了電動變槳故障模擬系統(tǒng)實驗平臺,為學(xué)生創(chuàng)造了一個研究實際工程問題的環(huán)境,使風(fēng)電機組能夠安全、穩(wěn)定地運行,降低變槳距系統(tǒng)的故障發(fā)生率。

1 電動變槳故障系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

當前風(fēng)力發(fā)電機的變槳距方式主要有液壓變槳和電動變槳。液壓變槳體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩大且無需變速機構(gòu)；電動變槳適應(yīng)力強、響應(yīng)快、精度高、不需考慮液壓油泄漏問題,維修也比較方便[8-9]。大多數(shù)大型風(fēng)電機組采用電動變槳距系統(tǒng)[10]。本文設(shè)計的風(fēng)電機組電動變槳故障實驗平臺采用電動變槳方式,為解決實際工程問題提供技術(shù)支撐，也為學(xué)生提供了進行變槳距實驗的條件。電動變槳故障模擬系統(tǒng)能夠準確進行變槳距系統(tǒng)的故障診斷,為風(fēng)場工作人員制訂科學(xué)的維修保養(yǎng)計劃提供依據(jù)[11-13]。

電動變槳故障模擬系統(tǒng)主要由變槳故障設(shè)置柜、主控柜、軸控柜和電池柜、變槳電機等構(gòu)成(見圖1)。變槳故障設(shè)置柜和主控柜均采用可編程序控制器(PLC)作為控制系統(tǒng)。變槳故障設(shè)置柜產(chǎn)生變槳故障信號并將故障信號傳送給主控柜,主控柜控制變槳距系統(tǒng)產(chǎn)生故障。主控柜中PLC安裝有功率計算程序,因此該系統(tǒng)也適合學(xué)生做槳距調(diào)節(jié)實驗。

當風(fēng)電機組工作在額定風(fēng)速以上的環(huán)境中,變槳距系統(tǒng)將通過軸控柜控制葉片調(diào)整槳距角；當變槳距系統(tǒng)的軸控柜發(fā)生故障時,電池柜為變槳距系統(tǒng)供電，使葉片順槳停機。主控柜通過滑環(huán)連接變槳距系統(tǒng)和機艙控制柜,使機艙控制柜向變槳距系統(tǒng)供電和傳送控制信號。風(fēng)電機組的主控系統(tǒng)和變槳距系統(tǒng)也通過滑環(huán)進行數(shù)據(jù)交換。

圖1 電動變槳故障模擬系統(tǒng)

2 電動變槳故障模擬系統(tǒng)

電動變槳故障模擬系統(tǒng)分為故障輸入系統(tǒng)和故障輸出系統(tǒng)兩部分,其控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。故障輸入系統(tǒng)由變槳故障設(shè)置柜構(gòu)成。故障輸出系統(tǒng)由主控柜、軸控柜和電池柜構(gòu)成,該部分的PLC輸出模塊與故障輸入系統(tǒng)的PLC之間采用Profibus-DP線的通信方式。Profibus-DP通信具有很高的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸效率和抗干擾能力,適用于工業(yè)現(xiàn)場級控制。學(xué)生實驗時，輸入模塊產(chǎn)生的故障信號傳入中央處理器(CPU),CPU中程序運算結(jié)束后把輸出信號傳送給故障輸出系統(tǒng)的輸出模塊,產(chǎn)生相應(yīng)的動作。同時故障名稱和故障引起的變化會及時反饋到變槳故障設(shè)置柜上的HMI人機交互界面。

2.1 電動變槳故障輸入子系統(tǒng)

電動變槳故障設(shè)置柜是本實驗系統(tǒng)的故障發(fā)生裝置,主要用于模擬風(fēng)電機組運行時發(fā)生的故障。上位機采用北京昆侖通態(tài)TCP1561Hii觸摸屏,下位機選用西門子S7-1200系列控制器作為故障發(fā)生系統(tǒng)的控制器?？刂破鞯闹醒胩幚砥?CPU)、電源模塊和輸入模塊安裝于故障設(shè)置柜中。

電動變槳故障輸入子系統(tǒng)可以模擬變槳距系統(tǒng)的160個故障,這些故障包括中控柜、軸控柜和電池柜的故障。為了學(xué)生實驗時操作簡便,所有的故障都集中在變槳故障設(shè)置柜的后臺進行操作,利用變槳故障設(shè)置柜后臺的旋鈕設(shè)置故障輸入信號。故障信號輸入電路圖如圖3所示。當旋鈕閉合時,PLC的輸入形成閉合回路產(chǎn)生輸入信號,通過Profibus-DP線將輸入信號傳給PLC的CPU模塊。CPU模塊的控制程序根據(jù)輸入信號產(chǎn)生故障輸出信號。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 故障輸入電路

2.2 電動變槳故障輸出子系統(tǒng)

電動變槳故障輸出子系統(tǒng)由主控柜、軸控柜和電池柜組成。主控柜、軸控柜和電池柜中PLC輸出模塊接收變槳故障設(shè)置柜中PLC輸出信號,控制系統(tǒng)故障輸出。故障信號輸出電路圖如圖4所示。

圖4 故障輸出電路

2.3 電動變槳故障人機界面(HMI)

實驗平臺采用北京昆侖通態(tài)TCP1561Hii觸摸屏作為HMI,其功能包括：

(1) 狀態(tài)監(jiān)視：故障設(shè)置柜控制輪轂的主控柜、軸控柜和電池柜。發(fā)生故障時,在HMI人機交互界面上反饋故障狀態(tài)和參數(shù)變化；

(2) 參數(shù)設(shè)置：學(xué)生做變槳距實驗時,可通過HMI界面設(shè)置模擬風(fēng)速,測試變槳距系統(tǒng)隨風(fēng)速變化調(diào)整槳距角的情況。

變槳故障HMI界面如圖5所示。界面中包括系統(tǒng)設(shè)置的全部故障。通過該界面,可以判斷變槳故障發(fā)生的位置,進入相應(yīng)界面后可觀察故障狀態(tài)和參數(shù)的變化。點擊“退出”按鈕可進入變槳距實驗界面。

圖5 HMI界面

3 教學(xué)應(yīng)用

3.1 變槳距實驗和故障模擬實驗

(1) 變槳距實驗。近年來,獨立變槳技術(shù)發(fā)展迅速。該技術(shù)能夠解決風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)等造成的風(fēng)電機組載荷分布不均勻的問題,提高機組的安全性。本裝置在實現(xiàn)模擬統(tǒng)一變槳的基礎(chǔ)上還可以做獨立變槳距實驗。實驗時,在主控制器上選擇變槳類型,設(shè)置風(fēng)速，模擬變槳距時風(fēng)速情況,輪轂內(nèi)的電機根據(jù)風(fēng)速大小調(diào)整槳距,保持風(fēng)電機組的最佳功率輸出。

(2) 故障模擬實驗。故障測試實驗包括主控柜故障、軸控柜故障和電池柜故障。本實驗平臺利用PLC控制器產(chǎn)生變槳故障,供學(xué)生查找故障、分析變槳故障對風(fēng)電機組的影響,學(xué)習(xí)和研究風(fēng)電機組穩(wěn)定運行的技術(shù)。

本實驗內(nèi)容緊密結(jié)合實際,使學(xué)生直觀地了解到變槳距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作過程,為學(xué)生解決實際問題和科研探索創(chuàng)造條件。已開設(shè)的實驗有：(1)變槳距實驗,包括統(tǒng)一變槳距實驗和獨立變槳距實驗；(2)故障測試實驗,包括主控柜故障實驗、軸控柜故障實驗和電池柜故障實驗。

3.2 實驗操作和結(jié)果

變槳距實驗和故障模擬實驗的流程如圖6所示,學(xué)生按照實驗流程即可完成實驗。

圖6 實驗流程圖

在電動變槳故障模擬系統(tǒng)正常工作時,通過主控柜中充電回路給電池柜中的備用電池充電,使電源發(fā)生故障時電池柜仍能夠工作。例如在變槳故障設(shè)置柜中設(shè)置風(fēng)輪軸1的電池充電故障,主控柜中電池充電回路收到故障信號后充電接觸器6K1斷開(見圖7)。這時要求學(xué)生根據(jù)實驗平臺和圖紙查找故障原因。當檢測到接觸器6K1斷開——即電池充電故障后,與人機交互界面顯示的故障對比,確認查找故障的正確性。

圖7 主控柜充電電路

4 結(jié)語

參考風(fēng)力發(fā)電機變槳距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建的電動變槳故障模擬實驗平臺具有功能強大、操作簡便的優(yōu)點,能夠完成故障模擬和電動變槳等實驗。這些實驗內(nèi)容都是針對風(fēng)電機組運行中存在的問題而設(shè)計,對風(fēng)電機組穩(wěn)定運行和優(yōu)化具有指導(dǎo)性和驗證性的作用。本文所搭建的實驗平臺能夠準確地進行電動變槳故障診斷,對風(fēng)電場工作人員預(yù)先制定合理的維修保養(yǎng)計劃、降低運行成本具有重要意義。