基于物聯網的變槳系統數據采集與設計優化

鄭 皓，趙曉陽，孫東旭

（國能信控互聯技術（河北）有限公司，河北廊坊 065500）

0 引言

風力發電是可再生能源發電的重要形式，是現階段新能源開發中技術最成熟、最具規模化商業開發前景的發電方式之一[1]。風力發電機組變槳控制系統是兆瓦級以上風力發電機組控制和保護的重要裝置，其作用是在運行時控制風機的氣動載荷，停機時作為風機的主剎車系統確保安全。

目前，在風火同價、平價上網的大背景下，部件設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計方式，對系統進一步優化。

1 變槳系統工作原理

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

風機主控系統將槳葉的目標位置通過通信總線發送到各變槳PLC，變槳PLC 控制伺服驅動器帶動變槳電機旋轉，從而驅動變槳減速機通過輪轂軸承帶動葉片旋轉。變槳電機旋變和感應開關等位置傳感器可以反饋給伺服驅動器槳葉的位置信息。輪轂內部的動力電源和控制信號全部通過滑環接入。如果交流供電系統出現故障，由備用電源系統（超級電容組）向伺服驅動器供電，快速將槳葉調節為順槳位置。

2 基于載荷分析的變槳系統選型設計

在變槳系統選型設計初期，首先要進行DLC（Data Load Case，載荷工況）分析。載荷分析用于為變槳系統選擇合適功率等級的驅動器、電機以及后備電源，得到系統的“功率邊界”。即電機輸出應該在任何條件下優于載荷，屬于選型設計的基礎。如果其連續性能和峰值性能優于分析結果的邊界值，則可以假設風機在任何載荷工況下都可以平穩運行。圖1 顯示了典型的載荷工況下，變槳系統需要滿足的邊界。變槳系統在緊急情況下由后備電源提供電能驅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，根據選定部件的功率等級來進行電氣回路計算設計。

圖1 變槳系統載荷工況圖

參考文獻[2]提供了一種基于載荷分析的變槳系統優化設計方案，主要是基于仿真數據進行事前設計，但針對現場實際運行的工況沒有做到設計閉環。

3 基于現場數據的變槳系統設計優化

提出一種利用現場實際運行數據來做到設計閉環的方法。首先采用變槳系統PLC 較強的算力在邊緣側進行運行數據統計與分析，得出實際運行邊界。其次采用IoT（Internet of Things，物聯網技術）設備通過移動網絡將其發送至后端。針對新產品樣機運行或老產品后評估階段，可對原有的設計方案進行優化，做到設計閉環。另外，也可采用此方案針對不同地理特征區域的相同產品進行設計評估。

3.1 物聯網技術簡介

IoT 可為原有的工業設備提供安全可靠的連接通信能力[3]。4G 工業路由器可為用戶設備提供無線遠距離快速聯網的能力。其向上可連接全頻段4G 網絡，傳送數據到云端。向下可通過RS485 接口或LAN口連接本地設備，支持串口數據透傳DTU、Modbus TCP 轉RTU，以及MQTT 功能。帶有多種加密傳輸功能，保證數據傳輸安全。

3.2 系統拓撲設計

目前風電場采用廠級監控系統SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據監控系統）來采集和管控風機數據。由于其處于監控層以及數據量大、實時響應差等原因，數據采集周期為1 s 或更長，其數據粒度無法精準的反應變槳系統運行狀態。另外，在現有風機及監控系統上增加新的變槳數據傳輸通道，也需要風機廠家和業主的配合，增加了工作難度。

方案使用4G 工業路由器直接連接變槳PLC 的RS485 端口，端口配置為只發送數據、不接收數據，進一步保障了變槳系統的使用安全。使用MQTT 協議連接至云端，發送速度最快可達百毫秒級別，滿足實際使用需求。

數據上傳速率根據實際情況可分為3 類。快速采集數據每百毫秒更新上傳（電機轉矩、電機轉速、葉輪轉速、發電功率、實時風速等），慢速采集數據每十秒更新上傳（溫度等），統計上報數據每分鐘或更長時間更新上傳（輸出最大轉矩、順槳能耗等）。

3.3 數據處理

WIND PG 變槳驅動器是專為風電變槳系統定制開發的一體化驅動器，集成的PLC 采用CORTEX A8 處理器，主頻達到1 GHz，集成CODESYS 開發環境，為邊緣側數據處理提供了良好的算力及平臺支持。

3.3.1 電機輸出轉矩分析

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

式中 i——計算周期數

n——參與計算的周期數，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電流，A

IRMS（i）——變槳電機電流平均值，A

需計算得到數據如下：

（1）1 s 電流最大，以及對應的轉速。

（2）600 s 電流最大，以及對應的轉速。

（3）1 s 轉速最大，以及對應的電流。

（4）600 s 轉速最大，以及對應的電流。

使用以上數據來重新驗算載荷仿真得到的變槳系統邊界，并進行電機轉矩輸出能力與驅動器電流輸出能力的選型優化。

3.3.2 順槳能量統計

在載荷仿真時，順槳能量主要由電網掉電工況DLC5.1 的緊急順槳來表征。風機實際運行時，掉電順槳工況較少，無法獲得足夠數據。于是以安全鏈觸發的緊急順槳來替代，根據實際情況選擇較大的順槳能量來進行比對。

以某3 MW 機組設計參數，安全鏈停機速度為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 的系統輸出能量。能量計算的公式（2）如下：

式中 Ti——電機轉矩，N

ni——電機轉速，r/min

Δt——順槳時長，s

W——順槳過程中所需要的的能量，kJ

3.4 設計優化

3.4.1 電機及驅動器選型優化

由統計數據得到了變槳系統1 s 及600 s 的最大轉矩及轉速需求。以600 s 的數據來校核電機的S1 工況，以1 s 的數據來校核電機的最大扭矩。另外，根據電機轉矩系數折算出驅動器輸出電流，用以校核驅動器出力。

3.4.2 后備電源容量優化

統計的后備電源能耗為順槳過程中實際消耗的能量，該能量與運行風速、槳葉齒圈潤滑狀況等均有關系，應同時參考上述數據，來綜合判斷后備電源容量選取。

3.4.3 變槳系統電氣系統及輪轂滑環選型優化

同理，根據統計數據可對變槳電氣系統及輪轂滑環選型進行復核優化，降低系統成本。

4 結語

提出一種基于現場運行數據的變槳系統設計優化方法。通過對變槳系統在現場運行數據的實時統計分析，得到運行邊界。其次采用物聯網設備通過移動網絡將其發送至后端。經過長期收集不同區域風場以及不同運行工況下的數據，可基本代表該機型的運行邊界。使用其對原有的設計方案進行優化，解決了變槳系統根據仿真數據來設計，造成一次部件選型過大的問題，提高了變槳系統的產品競爭力。