李石晶
大唐丘北风电有限责任公司 丘北县 663200
摘要：变桨系统是风力发电场发电机控制系统中的重要组成部分之一，其在具体的应用过程中的故障发生率之高已经对国家的风电行业整体发展产生了不利影响。要想降低风电场变桨系统的故障发生率，就必须要对变桨系统进行改造。基于此，本文重点针对风电场系统的改造进行了详细的分析，以供参考。
关键词：风电场，变桨系统，改造
随着我国社会经济的发展，科学技术的进步，生态环境污染问题日益严重。而这，使得人们开始关注清洁型能源的开发。风能就是一种被众多专家学者所大力研究的一种清洁型能源。风力发电场的建设与发展顺应了时代的发展趋势，受到社会各界的高度关注。但是，现阶段风力发电场的工作环境相对恶劣，很多设备的故障率非常高，设备的运行维护成本也一直偏高。分析绝大多数设备发生故障的原因，均与变桨系统有关。所以，对风电场变桨系统的改造，具有十分重要的意义。
一、风电场变桨系统改造的必要性
变桨系统，是一种特殊的风力发电机组桨叶调节系统，该系统是对控制技术和动力系统进行了充分的应用，可以对风机发电机轮毂上叶片桨距角大小、叶片气动特性和整机受力状况进行调控，进而保持控制功率与转速的平衡。变桨系统主要有以下几部分构成：驱动电源、后备电源、变桨电机、变桨轴承、齿圈部件等。当风机启动之后，变桨系统就开始运行，变桨角度就会从顺桨90°的地方开始开桨，按照程序设定、实时工况及控制指令需求，控制桨叶在92°-0°之间变动。变桨系统只有处于不断的动作中，才能够满足设备的运行需求。所以，变桨系统的机械部分很容易出现各种各样的故障[1]。直流系统变桨故障次数统计如图1所示。
2017年11月8日骆驼沟发生风机倒塔事件，2018年3月25日宁夏某风电场出现飞车倒塔事件，2019年4月12日民勤周家井风电场出现风机坍塌事故，2020年1月2日黑龙江某风电场29号风机出现倒塔事故等等。分析这些事故的发生原因，除了元器件不可靠、控制逻辑不完善、保护失效、维护人员操作不当之外，均与变桨系统有着直接或者间接的关系。虽然在每次事故发生之后，工作人员也针对事故的发生原因以及预防策略进行了详细的分析，吸取了事故中的经验和教训，但是即便是设备隐患排查工作再到位，也不能完全排除风机出现问题故障的可能性。所以，在我国风电事业发展速度逐渐加快、装机规模逐渐增大，风机飞车、倒塔事故的发生频率逐渐增加的背景下，必须要对风电场变桨系统进行改造，从技术层面降低变桨系统的故障发生率[2]。
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二、风电场变桨系统的具体改造
（一）赶马路风电场变桨控制系统的改造
某公司赶马路风电场共安装FD82B 1.5MW 风机33台，其变桨控制系统为直流变桨控制系统，存在着老旧等问题，且其相应的后备电源的蓄电池使用寿命也相对较短，平均寿命只有3.5年，所以变桨控制系统缺陷、故障率较高，严重影响风机可利用率及安全可靠性。
依据风机厂家提供的《变桨系统直流改交流技术方案》，对其中二回线的14台风机进行改造。第一步，将1.5MW的直流变桨系统改造为交流变桨系统。其中，需要整改的硬件为变桨伺服驱动器、变桨电机、后备电源及其他线路的改动。在改造过程中，优先对原有变桨系统的器件进行充分利用，目的是减少改造费用。改造前1.5MW风机直流变桨系统主要由变桨控制系统、直流驱动系统、蓄电池后备电源系统、直流伺服电机构成。变桨控制系统采用七柜体结构，其中变桨控制系统、直流驱动系统、蓄电池备用电源都单独成柜，采用冗余编码器和冗余限位开关设计，改造后的交流变桨系统采用六柜系统，中控柜的 L+B用变桨驱动器代替，变桨电机及变桨驱动器均改为交流变桨电机及交流变桨驱动器；采用超级电容作为后备电源，用驱动器对三面电容进行充电。第二步，不更换冗余编码器元件，直流变桨系统的冗余设计也依然保持不变，变桨小错误的检测功能和变桨轴控柜加热系统也继续保留。同时，增加了轴控柜温度的检测点[3]。
改造完成后，工作人员无需在对交流电机进行频繁的维护，无需使用碳粉和碳刷对交流电机进行定期清理，故障发生率明显降低；与传统的蓄电池相比，超级电容的使用寿命更长、充电次数更多、充电时间更短，故障发生率明显降低；变桨控制器和变桨充电器去除之后，变桨系统的整体故障发生率也明显降低，改造费用非常低廉[4]。
（二）羊雄山风电场变桨系统改造
羊雄山风电场FD82A/B 1.5MW 风机属于东汽较早期设计机型，风机从投产至今已运行近9年时间，随着设备的老化，近年来风机变桨控制系统变桨小错误频发，各元器件损坏较多，缺陷率较高，蓄电池使用寿命较短，控制系统老、旧，环节较为复杂，且作为后备电源的蓄电池使用寿命相对较短（平均3.5年），导致变桨控制系统故障率较高，严重影响风机可利用率及安全可靠性。
安排4人进行本次技术改造，在小风季节，对停运风机进行逐一的安装与调试，将直流变桨系统改造为技术更为成熟的交流变桨系统，平均2天完成一台。一台改造的人工成本与材料成本预计15万元。
改造完成后，工作人员无需使用碳粉和碳刷对交流电机进行定期清理，故障发生率明显降低；与传统的蓄电池相比，超级电容的使用寿命更长、充电次数更多、充电时间更短，故障发生率明显降低；变桨控制器和变桨充电器集成到了变桨驱动器中，变桨系统更为简单，故障发生率偏低，改造费用也随之降低；与主控通讯方式为CANopen，驱动器之间的通信为CANopen，通讯更加稳定可靠；变桨系统安全保护采用内部安全链和外部安全链结构，安全性能更高。外部安全链对应风机主安全链回路，进行硬件紧急停机控制；内部安全链独立于风机主安全链回路对变桨滑环超速保护、驱动器安全信号、软件看门狗等可能导致严重后果的故障点进行监控。无论是内部安全链还是外部安全链故障，变桨系统驱动器急停信号均能被触发，完成独立顺桨，实现紧急停机。与此同时，主控下发给变桨的软硬件EFC指令及变桨控制器给驱动器的软硬件EFC指令均冗余。驱动器内部具备自己的安全链设计，当驱动器故障后，驱动器独立収桨，其它轴由于安全链断开，同时触发収桨[5]。
结语：
综上所述，随着我国工业一体化建设进程的不断推进，我国的风力发电场建设规模逐渐增大，人们的日常生活与工作对于电能资源的需求得到了最大限度的满足。但是，作为风电场电机控制系统中的重要组成部分，变桨系统故障发生率的居高不下严重影响了国家的整体发展。在这种情况下，我们必须要对具体变桨系统的具体情况进行详细的分析，并以此为基础制定出针对性的改造方案，并将改造方案落到实处。只有这样，才能够不断的促进企业的可持续发展，促进国家的稳定发展。
参考文献：
[1]国电联合动力技术有限公司.降低变桨疲劳的风电场智能控制方法及系统:CN201910846387.5[P].2019-11-18.
[2]吴佳梁,李成锋.基于发电厂的风力发电机系统优化设计[J].农业机械学报,2009,40(6):94-97.
[3]许炳华.关于风力发电机变桨系统轮毂漏油技改的研究[J].能源与环境,2019,(3):90-91.
[4]张国亚.Z72-2000型风力发电机组变桨系统改造[J].内蒙古电力技术,2014,32(4):53-55.
[5]李立龙,李伟.关于直流伺服变桨技改优化[J].电力系统装备,2019,(6):57-58.