风力发电机组主控系统模块升级改造

2017-04-02苗宝平刘彦东

时代农机 2017年9期

关键词：机舱发电机组风力

苗宝平，刘彦东

（中广核新能源控股有限公司内蒙古分公司，内蒙古呼和浩特 010000）

风力发电机组主控系统模块升级改造

苗宝平，刘彦东

（中广核新能源控股有限公司内蒙古分公司，内蒙古呼和浩特 010000）

通过对北重风机控制系统模块现状的分析，提出了对风机控制系统模块升级改造的规划方案，该方案实施后将彻底改变风机主控系统运行不稳定的情况，使机组可以安全可靠的运行。文章就针对2008年投入运行使用的北重FD80-2000风力发电机组进行升级改造方案进行详细说明。

风力发电；主控系统；升级改造

1 背景说明

风机主控系统是风力发电机组控制系统的主体，实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器），与监控系统接口完成风力发电机组实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统（变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。北重风力发电机组FD80-2000型机组使用的是德国DeWind厂家在早期风力发电机组设计阶段选用的是倍福K-bus模块，其通讯方式为Lightbus总线。由于运行时间久导致故障频发，并且由于技术陈旧查找故障点较为困难，无法精准定位故障模块，机舱的总线端子模块后挂接58个模块，发生故障后需要挨个排查，极大的增加了故障诊断的工作量，严重影响机组运行。随技术不断更新进步，早期K-bus模块落后的功能，已远远不能完全满足现今风力发电机组的技术要求。

2 K-BUS模块主要问题：

（1）电磁兼容问题：随着电子器件的逐渐老化、线路可能破损，控制柜内可能出现电磁干扰问题。但是原设计中电器设计电磁兼容性不够高，不能应对复杂的电磁环境，并且在初期设计时K-bus模块没有增加总线防浪涌模块和信号防雷等。

（2）环境适应问题：因为风电场一般都处于人烟稀少，特殊气候条件恶劣环境下，最低环境温度能达到零下30摄氏度。而且，由于风力发电机组设计原因，控制柜内温度在运行时也会达到零度以下。然后，K-bus模块的运行温度范围在0～55℃，已经不能满足现场运行条件。在低温下模块会出现不可预计状态，导致风力发电机组故障停机。

（3）模块问题：K-bus模块缺乏单个模块故障诊断功能，只能通过前端EtherCAT总线端子耦合模块（E-bus模块）判断随后的K-bus模块是否出现问题。但是，机舱的总线端子模块后挂接大量的信号输入、输出等模块，极大地增加了故障诊断的工作量，给风电场运维人员带来诸多不便。

（4）后期机组维护困难问题：技术陈旧的模块目前各个公司采购困难，机组发生故障后，等待备件时间长，极大地影响了风电场的发电量。

3 升级改造原则

为了提高老旧机型的运行水平，为保证被改造风电机组的安全，减少对机组发电量的影响，同时使改造具有一定的先进性和系统内的示范性，特确定以下改造原则：

（1）尽量缩小改造范围，利用系统原有部件，缩短改造时间，使改造费用科学合理；

（2）针对风力发电机组运行中的主要问题进行针对性修改；

（3）改造的核心控制器件通用性和扩展性强，技术上选用目前先进产品，采购上保证硬件有多家供应商可供选择。在不脱离原有电气设计的基础上，现提出将倍福K-Bus模块升级为E-Bus模块的方案。并且为利用原有线路、保证系统的稳定性和方便后续的维护工作，针对原K-bus模块型号特点，选用接线基本一致的E-bus模块型号进行替换。

4 设备替换

塔底有一个PLC主站，一个BOX 5从站。BOX 5主要控制塔底柜上按钮、塔底风扇、变频器通讯的干接点等。BOX 5通过光纤交换机，到机舱上的BOX 6从站。基本上机舱所有辅机控制功能都在BOX 6从站上实现。所以，BOX 6上接有58个模块。由于一个从站上模块过多，出现问题的概率最大。如果无法准确定位故障位置，则需要花费大量的时间去排查故障根源。

由于变频器干接点通讯在变频器改造后并未使用，机舱通讯串口模块6021在改造前也一直未使用。同时通过现场考察实际柜内接线情况，初步确定改造内容如下：

（1）更换现有的倍福KL模块为倍福EL模块。模块安全等级，接线方式，模块位置和接线基本不变。

（2）更换总线耦合端子BK1120为EK1100；去除塔底模块（16AO1 KL4022；16AO3 KL4022；16DI5KL1304；17DI1 KL1304；19AI0 KL3042；21ST1 KL9110；21DO3KL2012；21DO5 KL2012；21DO7 KL2012；22DO1 KL2012）；去除机舱模块（29CO1 KL6021）。

（3）在BOX6从站模块的供电方面，增加防浪涌模块EL9550。同时，E-bus需要增加总线供电模块EL9400。

（4）在UPS 24V供电部分增加24V防雷模块。

（5）根据模块损坏频率，在对应回路上增加电器隔离。

5 改造后的技术特点

（1）选用倍福公司已经推出E-bus模块因为可以完全替代K-bus模块，和其他不需改造的模块兼容性好，通讯方式更改为EtherCAT总线方式，其通信速度更快，抗干扰能力更强。现在所有使用倍福产品的风力发电机组控制厂家基本只选用E-bus模块，K-bus模块已经到了逐渐被替代的阶段。

（2）EtherCAT技术实现了断点检测；连续的线缆质量测量能够精确定位传输错误；一代逻辑诊断域等功能，实现故障快速定位。有利于节约故障处理时间，提高风力发电机组运行效率。

（3）E-bus模块的抗干扰能力能强，优化的控制和通讯架构实现极高性能。高速的数字量和模拟量 I/O，使用时间戳和超采样功能可以实现极高的定时分辨率（10ns）。为了考虑到总线上的浪涌保护，可以在供电回路添加防浪涌模块。如果考虑雷击导致传感器串入高压，可以在电气回路上添加对应的防雷模块等电气设计的改造。

（4）E-bus模块的运行温度范围在-25～60℃。非常适合风电场所处的特殊气候条件地形，E-bus模块能正常运行。