基于物聯(lián)網(wǎng)的變槳系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與設(shè)計優(yōu)化

鄭 皓，趙曉陽，孫東旭

（國能信控互聯(lián)技術(shù)（河北）有限公司，河北廊坊 065500）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是可再生能源發(fā)電的重要形式，是現(xiàn)階段新能源開發(fā)中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模化商業(yè)開發(fā)前景的發(fā)電方式之一[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)是兆瓦級以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制和保護(hù)的重要裝置，其作用是在運行時控制風(fēng)機(jī)的氣動載荷，停機(jī)時作為風(fēng)機(jī)的主剎車系統(tǒng)確保安全。

目前，在風(fēng)火同價、平價上網(wǎng)的大背景下，部件設(shè)備廠商面臨著降本增效的壓力，因此需摒棄以往多裕量的粗獷式設(shè)計方式，對系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。

1 變槳系統(tǒng)工作原理

變槳系統(tǒng)采用3 套控制系統(tǒng)分別對每個槳葉的槳距角進(jìn)行控制。每套系統(tǒng)主要包括變槳PLC、伺服驅(qū)動器、永磁同步電機(jī)、變槳減速機(jī)、后備電源及其管理系統(tǒng)、位置傳感器等。

風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)將槳葉的目標(biāo)位置通過通信總線發(fā)送到各變槳PLC，變槳PLC 控制伺服驅(qū)動器帶動變槳電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動變槳減速機(jī)通過輪轂軸承帶動葉片旋轉(zhuǎn)。變槳電機(jī)旋變和感應(yīng)開關(guān)等位置傳感器可以反饋給伺服驅(qū)動器槳葉的位置信息。輪轂內(nèi)部的動力電源和控制信號全部通過滑環(huán)接入。如果交流供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，由備用電源系統(tǒng)（超級電容組）向伺服驅(qū)動器供電，快速將槳葉調(diào)節(jié)為順槳位置。

2 基于載荷分析的變槳系統(tǒng)選型設(shè)計

在變槳系統(tǒng)選型設(shè)計初期，首先要進(jìn)行DLC（Data Load Case，載荷工況）分析。載荷分析用于為變槳系統(tǒng)選擇合適功率等級的驅(qū)動器、電機(jī)以及后備電源，得到系統(tǒng)的“功率邊界”。即電機(jī)輸出應(yīng)該在任何條件下優(yōu)于載荷，屬于選型設(shè)計的基礎(chǔ)。如果其連續(xù)性能和峰值性能優(yōu)于分析結(jié)果的邊界值，則可以假設(shè)風(fēng)機(jī)在任何載荷工況下都可以平穩(wěn)運行。圖1 顯示了典型的載荷工況下，變槳系統(tǒng)需要滿足的邊界。變槳系統(tǒng)在緊急情況下由后備電源提供電能驅(qū)動槳葉順槳到安全位置，所用能量由EFC（Emergency feather control，緊急順槳控制）過程中的功率積分計算而來。其次，根據(jù)選定部件的功率等級來進(jìn)行電氣回路計算設(shè)計。

圖1 變槳系統(tǒng)載荷工況圖

參考文獻(xiàn)[2]提供了一種基于載荷分析的變槳系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案，主要是基于仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行事前設(shè)計，但針對現(xiàn)場實際運行的工況沒有做到設(shè)計閉環(huán)。

3 基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的變槳系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

提出一種利用現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)來做到設(shè)計閉環(huán)的方法。首先采用變槳系統(tǒng)PLC 較強的算力在邊緣側(cè)進(jìn)行運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，得出實際運行邊界。其次采用IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）設(shè)備通過移動網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送至后端。針對新產(chǎn)品樣機(jī)運行或老產(chǎn)品后評估階段，可對原有的設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，做到設(shè)計閉環(huán)。另外，也可采用此方案針對不同地理特征區(qū)域的相同產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計評估。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

IoT 可為原有的工業(yè)設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力[3]。4G 工業(yè)路由器可為用戶設(shè)備提供無線遠(yuǎn)距離快速聯(lián)網(wǎng)的能力。其向上可連接全頻段4G 網(wǎng)絡(luò)，傳送數(shù)據(jù)到云端。向下可通過RS485 接口或LAN口連接本地設(shè)備，支持串口數(shù)據(jù)透傳DTU、Modbus TCP 轉(zhuǎn)RTU，以及MQTT 功能。帶有多種加密傳輸功能，保證數(shù)據(jù)傳輸安全。

3.2 系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計

目前風(fēng)電場采用廠級監(jiān)控系統(tǒng)SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)）來采集和管控風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)。由于其處于監(jiān)控層以及數(shù)據(jù)量大、實時響應(yīng)差等原因，數(shù)據(jù)采集周期為1 s 或更長，其數(shù)據(jù)粒度無法精準(zhǔn)的反應(yīng)變槳系統(tǒng)運行狀態(tài)。另外，在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)上增加新的變槳數(shù)據(jù)傳輸通道，也需要風(fēng)機(jī)廠家和業(yè)主的配合，增加了工作難度。

方案使用4G 工業(yè)路由器直接連接變槳PLC 的RS485 端口，端口配置為只發(fā)送數(shù)據(jù)、不接收數(shù)據(jù)，進(jìn)一步保障了變槳系統(tǒng)的使用安全。使用MQTT 協(xié)議連接至云端，發(fā)送速度最快可達(dá)百毫秒級別，滿足實際使用需求。

數(shù)據(jù)上傳速率根據(jù)實際情況可分為3 類?？焖俨杉瘮?shù)據(jù)每百毫秒更新上傳（電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、葉輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率、實時風(fēng)速等），慢速采集數(shù)據(jù)每十秒更新上傳（溫度等），統(tǒng)計上報數(shù)據(jù)每分鐘或更長時間更新上傳（輸出最大轉(zhuǎn)矩、順槳能耗等）。

3.3 數(shù)據(jù)處理

WIND PG 變槳驅(qū)動器是專為風(fēng)電變槳系統(tǒng)定制開發(fā)的一體化驅(qū)動器，集成的PLC 采用CORTEX A8 處理器，主頻達(dá)到1 GHz，集成CODESYS 開發(fā)環(huán)境，為邊緣側(cè)數(shù)據(jù)處理提供了良好的算力及平臺支持。

3.3.1 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩分析

驅(qū)動器DSP 和PLC 的數(shù)據(jù)交互周期為2 ms，那么由公式（1）計算獲得每1 s 和每600 s 的變槳電機(jī)電流平均值。在未弱磁運行時，輸出電流乘以轉(zhuǎn)矩系數(shù)KT 可得到輸出轉(zhuǎn)矩。

式中 i——計算周期數(shù)

n——參與計算的周期數(shù)，1 s 則為500，600 s 則為300 000

t——參與計算的時刻

Ic（i）——每個周期的變槳電機(jī)電流，A

IRMS（i）——變槳電機(jī)電流平均值，A

需計算得到數(shù)據(jù)如下：

（1）1 s 電流最大，以及對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

（2）600 s 電流最大，以及對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

（3）1 s 轉(zhuǎn)速最大，以及對應(yīng)的電流。

（4）600 s 轉(zhuǎn)速最大，以及對應(yīng)的電流。

使用以上數(shù)據(jù)來重新驗算載荷仿真得到的變槳系統(tǒng)邊界，并進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力與驅(qū)動器電流輸出能力的選型優(yōu)化。

3.3.2 順槳能量統(tǒng)計

在載荷仿真時，順槳能量主要由電網(wǎng)掉電工況DLC5.1 的緊急順槳來表征。風(fēng)機(jī)實際運行時，掉電順槳工況較少，無法獲得足夠數(shù)據(jù)。于是以安全鏈觸發(fā)的緊急順槳來替代，根據(jù)實際情況選擇較大的順槳能量來進(jìn)行比對。

以某3 MW 機(jī)組設(shè)計參數(shù)，安全鏈停機(jī)速度為4.5°/s。完成一次（0～90）°的緊急順槳需要20 s。故實時計算20 s 的系統(tǒng)輸出能量。能量計算的公式（2）如下：

式中 Ti——電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N

ni——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

Δt——順槳時長，s

W——順槳過程中所需要的的能量，kJ

3.4 設(shè)計優(yōu)化

3.4.1 電機(jī)及驅(qū)動器選型優(yōu)化

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到了變槳系統(tǒng)1 s 及600 s 的最大轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速需求。以600 s 的數(shù)據(jù)來校核電機(jī)的S1 工況，以1 s 的數(shù)據(jù)來校核電機(jī)的最大扭矩。另外，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)折算出驅(qū)動器輸出電流，用以校核驅(qū)動器出力。

3.4.2 后備電源容量優(yōu)化

統(tǒng)計的后備電源能耗為順槳過程中實際消耗的能量，該能量與運行風(fēng)速、槳葉齒圈潤滑狀況等均有關(guān)系，應(yīng)同時參考上述數(shù)據(jù)，來綜合判斷后備電源容量選取。

3.4.3 變槳系統(tǒng)電氣系統(tǒng)及輪轂滑環(huán)選型優(yōu)化

同理，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可對變槳電氣系統(tǒng)及輪轂滑環(huán)選型進(jìn)行復(fù)核優(yōu)化，降低系統(tǒng)成本。

4 結(jié)語

提出一種基于現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的變槳系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化方法。通過對變槳系統(tǒng)在現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計分析，得到運行邊界。其次采用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過移動網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送至后端。經(jīng)過長期收集不同區(qū)域風(fēng)場以及不同運行工況下的數(shù)據(jù)，可基本代表該機(jī)型的運行邊界。使用其對原有的設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，解決了變槳系統(tǒng)根據(jù)仿真數(shù)據(jù)來設(shè)計，造成一次部件選型過大的問題，提高了變槳系統(tǒng)的產(chǎn)品競爭力。