淺談1.5MW變槳實訓平臺系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

杜春峰，武鵬，武繼聰

（河北新天科創(chuàng)新能源技術有限公司，河北 張家口 075000）

1 引言

變槳系統(tǒng)是整個風力發(fā)電系統(tǒng)的重要部件。2008～2011年國內(nèi)風機經(jīng)過了一個高峰期的安裝運行，迄今已有10年左右。因為各種的原因?qū)е嘛L機的維護不到位，經(jīng)常出現(xiàn)一些故障，尤其是風機的變槳系統(tǒng)，是整個風機的故障高發(fā)區(qū)。如何提高風電運維人員的技術水平，降低風機故障率，對保障風電機組正常運行發(fā)揮著重要作用。由于風力發(fā)電系統(tǒng)處于實時工作狀態(tài)，長時間停機勢必對發(fā)電量造成影響，為了盡量縮短維護時間，增加可靠性，需作業(yè)人員提前熟悉變槳系統(tǒng)狀況，理解變槳系統(tǒng)工作原理，熟練解決變槳系統(tǒng)遇到的問題，特設計本變槳平臺實訓系統(tǒng)。

2 變槳實訓平臺系統(tǒng)功能

采用三軸結構，分別模擬變槳系統(tǒng)的軸1、軸2、軸3及變槳控制柜，每個軸控制柜配套一個故障模擬柜，協(xié)助變槳控制系統(tǒng)觸發(fā)故障。其中，每個軸的執(zhí)行機構與軸控制柜電氣連接，軸控制柜與故障模擬柜連接，故障模擬柜與人機界面和考試系統(tǒng)。變槳軸控柜故障模擬斷點通過將軸控柜所有柜內(nèi)故障模擬斷點的上下引線通過殼體外側(cè)的重載連接器引出，并將這些斷點延伸至故障模擬柜，從而實現(xiàn)對其遠程控制。變槳軸控柜與其他執(zhí)行機構，如變槳電機、后備電源柜、傳感器、自動潤滑泵、機組安全鏈等，均采用重載連接器實現(xiàn)電氣連接。在方便學員完成電氣接線實踐的同時，也保證人員及設備的安全。

2.1 正常變槳與緊急順槳功能

（1）自動變槳。正常運行時，變槳系統(tǒng)接收風電機組主控系統(tǒng)指令，依據(jù)主控要求自動啟動、自動變槳、自動順槳等實時調(diào)節(jié)槳距角，達到機組的安全運行。（2）手動變槳。在服務模式下，通過手動調(diào)槳開關，可分別對槳葉的運行方向和速度進行點動控制。（3）安全順槳。當系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)掉電、通訊故障、安全鏈斷開、驅(qū)動器故障、后備電源故障等現(xiàn)象時，變槳系統(tǒng)自動完成安全順槳。

2.2 故障自診斷及保護功能

具有自診斷及保護功能，能實時檢測設備的故障或異常情況，并有良好的安全策略進行處理。診斷及保護包括：防雷保護、熔斷器或保護開關動作、通訊超時或中斷、驅(qū)動器故障、電機故障、充電器故障、傳感器故障。

2.3 人機交互

（1）主控發(fā)到變槳的信息，包括槳葉的角度設定值、槳葉的調(diào)節(jié)速度、主控系統(tǒng)的控制命令，心跳、故障復位、模式設定等。（2）變槳回復主控的信息，包括電機編碼器的當前角度值、冗余傳感器的當前角度值、當前調(diào)節(jié)速度、電機的電流、電機的溫度、系統(tǒng)狀態(tài)信息等。（3）具有技能實訓考核評價功能。通過人機交互界面設定考核內(nèi)容，并在考核結束后生成考核評價報表。

2.4 故障模擬功能

本實訓裝置所模擬的故障點總體分為三類：

（1）軸控柜內(nèi)斷路器跳閘。通過軸控柜內(nèi)的遠程I/O模塊發(fā)送指令，結合斷路器上加裝的遠程分閘開關，模擬斷路保護由于過流、過熱等原因跳閘的故障。

（2）傳感器故障。通過在變槳執(zhí)行機構上調(diào)整傳感器的安裝位置，導致其反饋信號與實際值不符的故障。

（3）軸控柜內(nèi)部線路斷路。通過控制故障模擬柜內(nèi)的接觸器或繼電器動作，模擬軸控柜內(nèi)相應線路斷路的故障。

2.5 實訓考核功能

平臺考核可分為系統(tǒng)自動考核和指導教師考核。對自動考核和指導教師給定的評分，存儲到數(shù)據(jù)庫當中，在數(shù)據(jù)庫當中可以對學員的考核信息進行管理。

3 變槳實訓平臺總體設計

變槳實訓平臺主要包含1.5MW變槳系統(tǒng)、1.5MW變槳故障模擬系統(tǒng)、考核系統(tǒng)，總體設計框架見圖1所示。變槳系統(tǒng)硬件為倍福PLC控制器、通信模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字輸出模塊和模擬量輸入量模塊等，變槳系統(tǒng)與故障及控制模擬管理系統(tǒng)可以進行數(shù)據(jù)交互，故障及控制模擬管理系統(tǒng)根據(jù)變槳系統(tǒng)運行情況模擬出故障信號。

圖1 系統(tǒng)框圖

4 變槳實訓平臺故障模擬系統(tǒng)

4.1 信號梳理

變槳無法模擬的信號由模擬系統(tǒng)給出，將變槳系統(tǒng)中的故障信號劃分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類故障，Ⅰ類故障是對變槳系統(tǒng)中回路某段截斷，截斷的前端接入故障模擬系統(tǒng)，再經(jīng)由故障模擬輸出至截斷的后端，從而使故障模擬系統(tǒng)對Ⅰ類故障中的故障實施模擬（如圖2所示）。主要的故障信號有驅(qū)動器故障、變槳錯誤、電池電壓故障、電網(wǎng)掉電、極限開關旁路超時等。對于Ⅱ類故障，完全由故障模擬系統(tǒng)及實訓平臺HMI 軟件實現(xiàn)，無需電氣改動，主要有通讀故障、模塊故障和跟隨故障。Ⅲ類故障，實訓平臺HMI設置比較閥值，再通過故障模擬系統(tǒng)的軟件邏輯實現(xiàn)，無需電氣改動，例如電機過流、電機過流等故障信號，三類故障模擬界面如圖3所示。故障模擬管理系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)與HMI共同建立起實訓平臺系統(tǒng)，變槳系統(tǒng)與HMI的通信采用Profibus或CANOPEN協(xié)議，實訓平臺故障模擬管理系統(tǒng)與HMI通信為ADS，通過通訊接口來模擬主控控制，同時具備控制與監(jiān)控功能。

圖2 Ⅰ類故障模擬輸入、輸出示意圖

圖3 三類故障模擬界面設計

4.2 變槳功能模擬

主要的變槳功能模擬如下：（1）手動變槳模擬，通過手動調(diào)槳開關，可分別對槳葉的運行方向和速度進行點動控制。（2）自動變槳模擬，模擬主控給定變槳角度及控制指令，實現(xiàn)變槳系統(tǒng)的自動啟動、自動變槳、自動順槳等。（3）緊急收槳模擬，如果系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)掉電、通訊故障、安全鏈斷開、驅(qū)動器故障變槳系統(tǒng)自動完成緊急收槳。（4）低電壓穿越模擬，系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)掉電，但掉電時長不超過3s時，變槳系統(tǒng)由其他電源保證控制回路及驅(qū)動器等主要部件的供電，保持正常運行。（5）校零功能模擬，通過校零按鈕，可分別對各槳葉進行校零操作。

4.3 故障模擬柜設計

實現(xiàn)對Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類故障點位進行統(tǒng)計，共計43個故障，根據(jù)實訓需要可以增加故障點數(shù)。故障模擬柜主要部件包括遠程I/O模塊、繼電器、接觸器等，通過控制繼電器和接觸器的觸點來模擬變槳系統(tǒng)任意電氣連接的斷路故障（包含斷路器跳閘）。當需要故障模擬時，將故障模擬柜接入；當無需故障模擬時，僅需要使用短接片將變槳軸控柜模擬斷點相應關系進行短接。故障模擬柜內(nèi)還配有PLC模塊，用于模擬風電機組主控制器，與變槳系統(tǒng)進行實時通訊；并按照人機界面發(fā)送的故障模擬控制指令，通過I/O模塊控制相應繼電器或接觸器動作，實現(xiàn)故障點的通斷。

4.4 HMI界面設計

故障模擬操作界面含實現(xiàn)功能、監(jiān)控頁面、參數(shù)設定等界面。通過平臺可進行監(jiān)控、故障功能模擬和參數(shù)設置，了解如何進行變槳運行功能控制。

5 考試系統(tǒng)設計

考試系統(tǒng)包括用戶管理、試題管理、試卷管理等，可對學員的基本信息進行存儲；試題可以通過通用模板導入，考題類型有單選、多選、填空和問答，考題的難易程度也可以進行設置；組卷方式靈活，可手動組卷，可自動生成試卷。

6 平臺樣機與結論

變槳實訓平臺可以實時模擬風機變槳系統(tǒng)運行狀態(tài)和運行控制邏輯。學員通過實驗平臺即可了解變槳系統(tǒng)原理、部件更換、故障查詢、故障處理等。在確保人身安全的同時，也能提升排查故障效率、提高風機利用率和經(jīng)濟價值。

圖4 變槳實訓平臺樣機