風力發電機變槳系統后備電源改造方案研究與實踐

唐亞波

(中國大唐集團新能源股份有限公司重慶分公司，重慶 400020)

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

1 原變槳系統分析與改造方案相關部件選型

原變槳系統采用9柜結構，由1個電源中央控制柜、1個充電控制柜、1個變槳驅動柜、3個上下層結構的電池柜、3個槳葉控制柜構成。電源中央控制柜中包含1個變壓器和系統控制器(PLC)及輸出電路組成，見圖1。充電控制柜內安裝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驅動器。變槳驅動電機為直流他勵電機，功率3 kW。電池柜為上下雙層設計，每個電池組由12塊7AH、額定電壓12 V蓄電池構成。變槳通過INTERBUS現場總線與風機主控通訊。

圖1 原變槳系統結構圖

H56-850風力發電機組變槳系統在輪轂內的結構安裝，與現在主流的變槳系統有很大的區別[2]?；窘Y構為：電源中央控制柜，安裝在靠近機艙側的輪轂壁上，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。變槳驅動柜和充電控制柜安裝在遠離機艙側的輪轂壁上。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

原變槳系統電池充電器3E5安裝于充電控制柜內。供電電源來自電源中央控制柜內的變壓器二次側三相交流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，無空開或是隔離開關。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。同時充電器設有1個故障檢測點信號，故障信號輸出接到主控PLC數字量輸入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，安裝位置在輪轂遠離機艙的內壁上。

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成，每個蓄電池柜內由6塊電池串聯，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使用。原系統取蓄電池組的一組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

原變槳系統驅動電機為他勵4級直流電機，額定功率3 kW、額定轉速2 900 r/min、制動力矩16 Nm。他勵電機的電樞電阻Ra很小，所以在負載變化時，轉速n的變化不大，屬硬機械特性。

1.4 需要進行電池順槳的情況分析

以軸1為例，變槳系統在主電源供電出現故障情況下需要電池柜提供能量變槳[3]，當系統電源故障時，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供給直流電機實現順槳操作，直到92度限位動作后停止。正常情況下軸1的系統正常(包含驅動、電機、限位及電池正常且沒有急停后系統正常)，安全鏈閉合，軸柜內6K6得電閉合，系統處于正常的工作范圍。詳細原理圖見圖3。

圖3 電池順槳時電機電樞和勵磁圖

2 改造方案研究

2.1 總體方案確定

輪轂尺寸實地考察情況：H56-850風力發電機組輪轂較小且不能從機艙直接進入，需通過機艙主軸上部的出口到機艙外側，再通過輪轂罩的開口側進入輪轂。輪轂只有一處開口，所以鎖葉輪的位置是特定的位置，后期的施工要重點考慮此情況。機艙出口尺寸：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。根據現場測量數據及輪轂內部空間大小，采用保留原系統充電控制柜體，將原系統電池充電器拆除，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。新變槳系統結構框圖如圖4。

圖4 新變槳系統結構圖

2.2 工作電壓范圍的確定

H56-850風力發電機組變槳系統供電故障時，將使用后備電源直接驅動變槳電機進行順槳動作，這個過程中需要后備電源供電的設備包括：接觸器6K8、變槳驅動電機M12以及電機制動器Y16。接觸器6K8和電機制動器都是直流24 V電壓供電驅動。驅動電機電樞電壓和勵磁由后備電源直接供電驅動。

超級電容不同于蓄電池釋放能量時電壓將會持續下降[4]，所以需要確認直流驅動電機的工作電壓范圍。確認電機最高能夠承受的電壓值和能夠驅動負載的最低電壓值。確認好這2個電壓值后根據電壓降得數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過進一步的試驗測試才能得到數據。

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保持一致。電容采用3塊電容并聯的形式。每塊電容容值5.8F，額定電壓168 V。選取三組電容并聯使用，也是充分考慮到風機質保期后運維水平參差不齊，齒輪箱傳動潤滑效果下降。同時結合了變槳系統現場電容電壓跌幅經驗，能量裕量大，安全系數高。如果一組超級電容發生故障，另外兩組超級電容能量仍可以保證順槳1次，這是原系統不具有的功能；原系統采用的是12塊蓄電池串聯的形式，如果1塊電池出現故障，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的安全性得到提高。詳細容量核算還需要經過試驗檢測原系統變槳電機最低工作電壓來進行。電容順槳：當電網電壓掉電時，由變槳系統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的要求，這里對H56-850風力發電機組變槳系統所選電容能夠完成的順槳次數做如下說明。

根據確定電機的技術要求，電機及傳動比參數：額定功率3 kW；額定轉速2 900 r/min；額定轉矩10 Nm；減速比2 000(預估)。變槳后備電源由2塊超級電容并聯組成(每塊容值5.8F電容總容值11.6F)，系統截止電壓按照電機額定電壓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

已知額定轉矩10 Nm，減速比2 000，緊急順槳角度默認從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(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

原系統為蓄電池設計，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制動器的動作。原系統24 V直流電源取電非常方便，考慮到系統更換為超級電容后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制動器的動作，見圖5。

圖5 新變槳系統直流24 V電源原理圖

2.5 充電器設計

本方案保留原系統充電控制柜體，將原系統電池充電器拆除，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，當電容電壓達到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。充電器設故障檢測信號為充電器OK信號，當充電器自檢發現故障時OK信號輸出低電平；OK信號連接后接入主控系統PLC數字量輸入模塊DI模塊D4.8通道。

2.6 系統框圖

圖6為本方案3個充電器連接原理示意圖。在原充電控制柜內安裝超級電容充電器，在三路輸出中設3個隔離開關。每路輸出并聯一個DC/DC電源(500 W)用來在電容順槳時給6K8繼電器和電機剎車供電，進行順槳操作。

圖6 總體設計框圖

3 方案實施步驟

受限于原系統的輪轂尺寸，此方案的超級電容、充電容充電器要重新進行選型和設計。

3.1 超級電容設計與選型及柜體設計制作

系統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，還使用雙層結構。要根據原蓄電池柜的安裝尺寸和更換的超級電容尺寸，設計超級電容柜體。安裝到原蓄電池部位。

3.2 充電器設計與選型

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

3.3 現場測試與試驗

1)現場要進行電容順槳測試實驗，實地檢測電容電壓降數值是多少。

2)要對直流驅動電機的勵磁電壓及電樞電壓的工作范圍進行試驗測量，保證電容有足夠的能量輸出，使變槳系統順槳完成并且驗證上面方案中關于直流電機工作范圍的預估。

4 結 語

風力發電機變槳系統需要在機組或電網故障情況下執行順槳動作，使機組迅速停下來以確保機組安全，這對變槳系統后備電源的可靠性提出了很高的要求。早期的風機變槳系統后備電源多采用電池，壽命短、故障多，嚴重影響風機設備安全[5]。本文通過研究變槳系統后備電源改造策略，詳細論證了改造方案，對類似風場的改造工作具有借鑒作用。當然，隨著風機技術的進步，變槳系統操作電源的改進將會有更多的選擇空間。