淺談1.5MW變槳實訓平臺系統設計與實現

杜春峰，武鵬，武繼聰

（河北新天科創新能源技術有限公司，河北 張家口 075000）

1 引言

變槳系統是整個風力發電系統的重要部件。2008～2011年國內風機經過了一個高峰期的安裝運行，迄今已有10年左右。因為各種的原因導致風機的維護不到位，經常出現一些故障，尤其是風機的變槳系統，是整個風機的故障高發區。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揮著重要作用。由于風力發電系統處于實時工作狀態，長時間停機勢必對發電量造成影響，為了盡量縮短維護時間，增加可靠性，需作業人員提前熟悉變槳系統狀況，理解變槳系統工作原理，熟練解決變槳系統遇到的問題，特設計本變槳平臺實訓系統。

2 變槳實訓平臺系統功能

采用三軸結構，分別模擬變槳系統的軸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，協助變槳控制系統觸發故障。其中，每個軸的執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。變槳軸控柜故障模擬斷點通過將軸控柜所有柜內故障模擬斷點的上下引線通過殼體外側的重載連接器引出，并將這些斷點延伸至故障模擬柜，從而實現對其遠程控制。變槳軸控柜與其他執行機構，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，變槳系統接收風電機組主控系統指令，依據主控要求自動啟動、自動變槳、自動順槳等實時調節槳距角，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。當系統出現電網掉電、通訊故障、安全鏈斷開、驅動器故障、后備電源故障等現象時，變槳系統自動完成安全順槳。

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）主控發到變槳的信息，包括槳葉的角度設定值、槳葉的調節速度、主控系統的控制命令，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、當前調節速度、電機的電流、電機的溫度、系統狀態信息等。（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）軸控柜內斷路器跳閘。通過軸控柜內的遠程I/O模塊發送指令，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。通過在變槳執行機構上調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）軸控柜內部線路斷路。通過控制故障模擬柜內的接觸器或繼電器動作，模擬軸控柜內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，存儲到數據庫當中，在數據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、1.5MW變槳故障模擬系統、考核系統，總體設計框架見圖1所示。變槳系統硬件為倍福PLC控制器、通信模塊、數字量輸入模塊、數字輸出模塊和模擬量輸入量模塊等，變槳系統與故障及控制模擬管理系統可以進行數據交互，故障及控制模擬管理系統根據變槳系統運行情況模擬出故障信號。

圖1 系統框圖

4 變槳實訓平臺故障模擬系統

4.1 信號梳理

變槳無法模擬的信號由模擬系統給出，將變槳系統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中回路某段截斷，截斷的前端接入故障模擬系統，再經由故障模擬輸出至截斷的后端，從而使故障模擬系統對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動器故障、變槳錯誤、電池電壓故障、電網掉電、極限開關旁路超時等。對于Ⅱ類故障，完全由故障模擬系統及實訓平臺HMI 軟件實現，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的軟件邏輯實現，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、變槳系統與HMI共同建立起實訓平臺系統，變槳系統與HMI的通信采用Profibus或CANOPEN協議，實訓平臺故障模擬管理系統與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，實現變槳系統的自動啟動、自動變槳、自動順槳等。（3）緊急收槳模擬，如果系統出現電網掉電、通訊故障、安全鏈斷開、驅動器故障變槳系統自動完成緊急收槳。（4）低電壓穿越模擬，系統出現電網掉電，但掉電時長不超過3s時，變槳系統由其他電源保證控制回路及驅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

實現對Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類故障點位進行統計，共計43個故障，根據實訓需要可以增加故障點數。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。故障模擬柜內還配有PLC模塊，用于模擬風電機組主控制器，與變槳系統進行實時通訊；并按照人機界面發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，實現故障點的通斷。

4.4 HMI界面設計

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

5 考試系統設計

考試系統包括用戶管理、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運行狀態和運行控制邏輯。學員通過實驗平臺即可了解變槳系統原理、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濟價值。

圖4 變槳實訓平臺樣機