浅谈1.5MW变桨实训平台系统设计与实现

杜春峰，武鹏，武继聪

（河北新天科创新能源技术有限公司，河北 张家口 075000）

1 引言

变桨系统是整个风力发电系统的重要部件。2008～2011年国内风机经过了一个高峰期的安装运行，迄今已有10年左右。因为各种的原因导致风机的维护不到位，经常出现一些故障，尤其是风机的变桨系统，是整个风机的故障高发区。如何提高风电运维人员的技术水平，降低风机故障率，对保障风电机组正常运行发挥着重要作用。由于风力发电系统处于实时工作状态，长时间停机势必对发电量造成影响，为了尽量缩短维护时间，增加可靠性，需作业人员提前熟悉变桨系统状况，理解变桨系统工作原理，熟练解决变桨系统遇到的问题，特设计本变桨平台实训系统。

2 变桨实训平台系统功能

采用三轴结构，分别模拟变桨系统的轴1、轴2、轴3及变桨控制柜，每个轴控制柜配套一个故障模拟柜，协助变桨控制系统触发故障。其中，每个轴的执行机构与轴控制柜电气连接，轴控制柜与故障模拟柜连接，故障模拟柜与人机界面和考试系统。变桨轴控柜故障模拟断点通过将轴控柜所有柜内故障模拟断点的上下引线通过壳体外侧的重载连接器引出，并将这些断点延伸至故障模拟柜，从而实现对其远程控制。变桨轴控柜与其他执行机构，如变桨电机、后备电源柜、传感器、自动润滑泵、机组安全链等，均采用重载连接器实现电气连接。在方便学员完成电气接线实践的同时，也保证人员及设备的安全。

2.1 正常变桨与紧急顺桨功能

（1）自动变桨。正常运行时，变桨系统接收风电机组主控系统指令，依据主控要求自动启动、自动变桨、自动顺桨等实时调节桨距角，达到机组的安全运行。（2）手动变桨。在服务模式下，通过手动调桨开关，可分别对桨叶的运行方向和速度进行点动控制。（3）安全顺桨。当系统出现电网掉电、通讯故障、安全链断开、驱动器故障、后备电源故障等现象时，变桨系统自动完成安全顺桨。

2.2 故障自诊断及保护功能

具有自诊断及保护功能，能实时检测设备的故障或异常情况，并有良好的安全策略进行处理。诊断及保护包括：防雷保护、熔断器或保护开关动作、通讯超时或中断、驱动器故障、电机故障、充电器故障、传感器故障。

2.3 人机交互

（1）主控发到变桨的信息，包括桨叶的角度设定值、桨叶的调节速度、主控系统的控制命令，心跳、故障复位、模式设定等。（2）变桨回复主控的信息，包括电机编码器的当前角度值、冗余传感器的当前角度值、当前调节速度、电机的电流、电机的温度、系统状态信息等。（3）具有技能实训考核评价功能。通过人机交互界面设定考核内容，并在考核结束后生成考核评价报表。

2.4 故障模拟功能

本实训装置所模拟的故障点总体分为三类：

（1）轴控柜内断路器跳闸。通过轴控柜内的远程I/O模块发送指令，结合断路器上加装的远程分闸开关，模拟断路保护由于过流、过热等原因跳闸的故障。

（2）传感器故障。通过在变桨执行机构上调整传感器的安装位置，导致其反馈信号与实际值不符的故障。

（3）轴控柜内部线路断路。通过控制故障模拟柜内的接触器或继电器动作，模拟轴控柜内相应线路断路的故障。

2.5 实训考核功能

平台考核可分为系统自动考核和指导教师考核。对自动考核和指导教师给定的评分，存储到数据库当中，在数据库当中可以对学员的考核信息进行管理。

3 变桨实训平台总体设计

变桨实训平台主要包含1.5MW变桨系统、1.5MW变桨故障模拟系统、考核系统，总体设计框架见图1所示。变桨系统硬件为倍福PLC控制器、通信模块、数字量输入模块、数字输出模块和模拟量输入量模块等，变桨系统与故障及控制模拟管理系统可以进行数据交互，故障及控制模拟管理系统根据变桨系统运行情况模拟出故障信号。

图1 系统框图

4 变桨实训平台故障模拟系统

4.1 信号梳理

变桨无法模拟的信号由模拟系统给出，将变桨系统中的故障信号划分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类故障，Ⅰ类故障是对变桨系统中回路某段截断，截断的前端接入故障模拟系统，再经由故障模拟输出至截断的后端，从而使故障模拟系统对Ⅰ类故障中的故障实施模拟（如图2所示）。主要的故障信号有驱动器故障、变桨错误、电池电压故障、电网掉电、极限开关旁路超时等。对于Ⅱ类故障，完全由故障模拟系统及实训平台HMI 软件实现，无需电气改动，主要有通读故障、模块故障和跟随故障。Ⅲ类故障，实训平台HMI设置比较阀值，再通过故障模拟系统的软件逻辑实现，无需电气改动，例如电机过流、电机过流等故障信号，三类故障模拟界面如图3所示。故障模拟管理系统、变桨系统与HMI共同建立起实训平台系统，变桨系统与HMI的通信采用Profibus或CANOPEN协议，实训平台故障模拟管理系统与HMI通信为ADS，通过通讯接口来模拟主控控制，同时具备控制与监控功能。

图2 Ⅰ类故障模拟输入、输出示意图

图3 三类故障模拟界面设计

4.2 变桨功能模拟

主要的变桨功能模拟如下：（1）手动变桨模拟，通过手动调桨开关，可分别对桨叶的运行方向和速度进行点动控制。（2）自动变桨模拟，模拟主控给定变桨角度及控制指令，实现变桨系统的自动启动、自动变桨、自动顺桨等。（3）紧急收桨模拟，如果系统出现电网掉电、通讯故障、安全链断开、驱动器故障变桨系统自动完成紧急收桨。（4）低电压穿越模拟，系统出现电网掉电，但掉电时长不超过3s时，变桨系统由其他电源保证控制回路及驱动器等主要部件的供电，保持正常运行。（5）校零功能模拟，通过校零按钮，可分别对各桨叶进行校零操作。

4.3 故障模拟柜设计

实现对Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类故障点位进行统计，共计43个故障，根据实训需要可以增加故障点数。故障模拟柜主要部件包括远程I/O模块、继电器、接触器等，通过控制继电器和接触器的触点来模拟变桨系统任意电气连接的断路故障（包含断路器跳闸）。当需要故障模拟时，将故障模拟柜接入；当无需故障模拟时，仅需要使用短接片将变桨轴控柜模拟断点相应关系进行短接。故障模拟柜内还配有PLC模块，用于模拟风电机组主控制器，与变桨系统进行实时通讯；并按照人机界面发送的故障模拟控制指令，通过I/O模块控制相应继电器或接触器动作，实现故障点的通断。

4.4 HMI界面设计

故障模拟操作界面含实现功能、监控页面、参数设定等界面。通过平台可进行监控、故障功能模拟和参数设置，了解如何进行变桨运行功能控制。

5 考试系统设计

考试系统包括用户管理、试题管理、试卷管理等，可对学员的基本信息进行存储；试题可以通过通用模板导入，考题类型有单选、多选、填空和问答，考题的难易程度也可以进行设置；组卷方式灵活，可手动组卷，可自动生成试卷。

6 平台样机与结论

变桨实训平台可以实时模拟风机变桨系统运行状态和运行控制逻辑。学员通过实验平台即可了解变桨系统原理、部件更换、故障查询、故障处理等。在确保人身安全的同时，也能提升排查故障效率、提高风机利用率和经济价值。

图4 变桨实训平台样机