DQZHAN技術(shù)訊：在線式風機變槳系統(tǒng)后備動力性能檢測系統(tǒng)研究與應用
風電機組變槳后備電源，在機組出現(xiàn)**鏈故障或者電網(wǎng)異常時，確保風電機組**順槳，避免超速飛車、甚至倒塔事故發(fā)生，對風電機組的**生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。目前主機廠家采用的后備電源在線監(jiān)測手段的主要問題是：僅監(jiān)測蓄電池組充放電電壓，無法真實反映電池性能;僅用緊急順槳時間判斷后備動力系統(tǒng)性能，無法區(qū)分是電源還是變槳系統(tǒng)阻力問題;部分機組必須人工定期測試后備系統(tǒng)，增加了人工維護成本;廠家要求蓄電池兩年強制報廢更換，增加了備件更換成本。鑒于上述問題，我公司對蓄電池性能與變槳系統(tǒng)阻力監(jiān)測指標進行了研究，建立了變槳系統(tǒng)后備動力性能檢測平臺，開發(fā)了風電機組變槳蓄電池性能在線集中監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)工程化應用。
技術(shù)簡介
該項目通過對變槳后備動力系統(tǒng)的研究，為風電機組變槳蓄電池檢測提供了完整的解決方案，系統(tǒng)通過高頻采樣
記錄風電機組緊急順槳過程的放電數(shù)據(jù)，采用內(nèi)阻、SOC、SOH等指標反映蓄電池的性能，采用順槳阻力矩指標反映變槳傳動系統(tǒng)的阻力情況;系統(tǒng)配備了集中監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測風電場內(nèi)各機組后備動力系統(tǒng)的性能狀態(tài)，記錄并展示了系統(tǒng)性能的歷史變化趨勢，對系統(tǒng)性能的異常變化及時發(fā)出報警，保障了風電機組急停順槳**，為后備電源的維護和更換提供客觀依據(jù)。該系統(tǒng)已經(jīng)在龍源集團麒麟山風場投運，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定、效果良好、發(fā)現(xiàn)蓄電池性能問題1例。
變槳后備系統(tǒng)的主要問題
變槳蓄電池失效密封閥控式鉛酸(VRLA)蓄電池因其造價便宜、技術(shù)成熟，是電變槳系統(tǒng)廣泛采用的后備動力電源，廠家承諾的電池壽命為6 年，在實際生產(chǎn)中，運行時間超過三年，蓄電池的失效問題就日益明顯了，主要原因如下：
存儲時自放電損耗遙
電池在開路狀態(tài)下儲存時，電池容量會因為自放電而降低，溫度越高放電容量損害越快。風場建設(shè)初期，風電機組因各種原因無法并網(wǎng)，蓄電池就被長時間擱置，如果存儲溫度很高，那么蓄電池計算得出的*佳閥位常數(shù)為0.802064。計算得出的重疊度函數(shù)如表3~8所示。
按照上述數(shù)據(jù)，修改DPU閥門管理程序中部分模塊的參數(shù)，修改后進行單/多閥切換。試驗時DEH 功率回路、調(diào)節(jié)級壓力回路切除。單/多閥切換時間仍為300 秒，在主汽壓為15MPa 進行切換試驗，其閥切換前后，負荷波動明顯減小
可以看出，經(jīng)過流量特性修正后的曲線，其負荷波動較小，進行機組閥切換時能保證機組**運行。與此同時，在切換及負荷變化過程中，汽流變化平緩，瓦溫、振動也都能夠得到一定的改善，不會出現(xiàn)較大變化，保證機組**穩(wěn)定地運行。上表中仍存在一定的負荷波動，主要是因為閥切換前后，調(diào)節(jié)級壓力變化引起的，這是正常現(xiàn)象。
在數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)速的測量環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速控制PID、油動機的驅(qū)動環(huán)節(jié)都已達到了相當高的控制精度，基本上已經(jīng)解決了非線性和遲緩的問題，影響電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精度的主要問題在于調(diào)節(jié)閥門流量非線性，而閥門流量的非線性主要是由高調(diào)閥實際流量特性與DEH 系統(tǒng)中預置的流量特性曲線存在差異造成的。結(jié)合雙遼公司二號機閥門流量特性試驗撰寫本文，可能由于機組、現(xiàn)場設(shè)備以及其它客觀因素的差異，加之理論與實際經(jīng)驗不**，難免存在理論上的偏頗和不足，懇請各位專家和專業(yè)人員批評指正，互相學習的同時，進一步提高熱控系統(tǒng)的控制精度和可靠性。會發(fā)生“未用先壞”現(xiàn)象。
工作溫度高低遙
溫度是影響蓄電池性能的重要因素，東北地區(qū)冬天很低，低溫使得蓄電池放電容量大幅減少，無法完成順槳;南方地區(qū)溫度高，高溫度會加快電池老化，導致電池的頻繁更換。
單體老化不平衡遙
由于變槳系統(tǒng)需要多個蓄電池單體串聯(lián)使用，蓄電池組往往因為個別單體加速老化而提前失效。
大電流放電影響遙
順槳啟動瞬間，需要蓄電池大電流放電，在大電流下蓄電池的容量顯著減少(如放電150A，電池只能維持幾秒鐘)。那么如果變槳傳動系統(tǒng)在某個環(huán)節(jié)發(fā)生卡住，大電流就會在短時間內(nèi)將蓄電池“耗干”，導致順槳無法完成。
變槳傳動阻力異常
變槳傳動系統(tǒng)銹蝕、磨損、阻塞造成的變槳系統(tǒng)啟動及運轉(zhuǎn)阻力異常增大，加之蓄電池大電流放電能力有限，造成緊急順槳失敗。而通常發(fā)生順槳無法完成，通常歸結(jié)為蓄電池原因，阻力異常問題難于發(fā)現(xiàn)。
關(guān)鍵技術(shù)及其與同類技術(shù)比較
目前主流的變槳電池檢測方法歸結(jié)為三類：
一、蓄電池檢測：檢測電池端電壓、內(nèi)阻判斷電池性能。電壓檢測不能反映蓄電池真實性能，內(nèi)阻主要靠人工測試，無法在線進行。
二、給電池組增加一個瞬態(tài)放電電路，定期進行放電，測試電池內(nèi)阻等性能。該方法檢測效果雖好，但對于已投產(chǎn)機組增加瞬態(tài)電路，并干預電池放電控制比較困難，難于實施推廣。
三、緊急順槳測試：在小風時，自動或人工執(zhí)行順槳，通過順槳時間判斷后備系統(tǒng)性能。該方法無法定位是變槳蓄電池還是傳動系統(tǒng)問題。
針對上述問題，項目完成了如下關(guān)鍵技術(shù)研制：
**評價后備電源變槳系統(tǒng)性能——國內(nèi)開創(chuàng)
項目使用緊急順槳過程中的高頻采樣數(shù)據(jù)分析變槳后備動力系統(tǒng)性能，從蓄電池性能和變槳系統(tǒng)阻力雙方面進行評價，**定位故障原因。
后備動力系統(tǒng)性能綜合評價指標
項目使用緊急順槳過程的啟動電壓降、放電總功率等指標，反映蓄電池老化與順槳啟動阻力綜合情況，相對于順槳時間，啟動電壓降能定位問題是否發(fā)生在順槳初期。
蓄電池性能評價指標
項目通過極化內(nèi)阻均值及變化指標、SOC、SOH 反映蓄電池性能，對每盒蓄電池組進行檢測，實現(xiàn)電池盒間性能指標的差異比較。這些指標從多種角度，反映出蓄電池性能問題。
變槳傳動系統(tǒng)阻力監(jiān)測——國內(nèi)開創(chuàng)
項目通過對緊急順槳放電過程中的變槳傳動系統(tǒng)的受力分析，建立順槳阻力矩計算模型，實現(xiàn)緊急順槳阻力的動態(tài)監(jiān)測。
研制了后備動力性能檢測系統(tǒng)樣機
項目開發(fā)風電機組變槳電池前置數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)，位于風電機組輪轂處，負責采集、處理、上送電池充放電數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)不干預電池控制，設(shè)計方案便于實施;開發(fā)風電機組變槳電池集中監(jiān)控系統(tǒng)，位于風電場中控室，負責集中監(jiān)測所有風電機組蓄電池狀態(tài)，儲存管理各臺風電機組歷史數(shù)據(jù)記錄，提供歷史數(shù)據(jù)查詢展示功能。
檢測系統(tǒng)實驗平臺——國內(nèi)開創(chuàng)
系統(tǒng)的檢測設(shè)備和算法都需要測試檢驗，但是在實際風電機組上進行實驗受到很大制約，出于運行**的考慮，變槳電機堵轉(zhuǎn)等極端工況無法在實際機組實施測試，為此，項目建立了變槳后備動力系統(tǒng)模擬實驗臺，模擬風電機組后備動力變槳系統(tǒng)的工作過程以及變槳極端工況，用于后備動力性能檢測指標和檢測系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)、驗證。
在線檢測系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)主要由位于風機輪轂的數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備、位于中控室的集中監(jiān)測系統(tǒng)和兩者之間的通訊鏈路組成。
數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)負責采集分析蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)(包括各電池組端電壓、電流、電池柜溫度、變槳電機轉(zhuǎn)速等)，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給集中監(jiān)測系統(tǒng)，每個風機葉片電池柜配備一個數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備;通訊鏈路包括輪轂至風機機艙的無線通訊(輪轂相對機艙轉(zhuǎn)動)、機艙至塔底的網(wǎng)線通訊和風機至中控室的光纖網(wǎng)絡(luò);集中監(jiān)測系統(tǒng)負責接收解析和保存各采集系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將電池的數(shù)據(jù)信息展示給風場運檢人員，包括電池充放電狀態(tài)、報警信息等，運檢人員還可以通過系統(tǒng)查看電池的歷史數(shù)據(jù)信息，通過界面對前置監(jiān)測系統(tǒng)進行參數(shù)配置。
應用情況
該系統(tǒng)于2013 年9 月完成在麒麟山風電場13~3 號機組完成現(xiàn)場調(diào)試工作，一年來，系統(tǒng)運行狀況良好，發(fā)現(xiàn)蓄電池問題1 例。實踐證明，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測后備動力系統(tǒng)性能，展示設(shè)備性能變化趨勢，確保風電機組緊急順槳**，為制定后備動力系統(tǒng)的維護計劃提供科學的依據(jù)，大大提升了風電機組后備動力系統(tǒng)性能的檢測水平，降低了檢測成本，提高了檢測效率。
經(jīng)濟效益及意義
變槳后備動力性能檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測后備系統(tǒng)性能狀態(tài)，自動對系統(tǒng)的早期故障進行預警和定位，為系統(tǒng)的維護檢修贏得時間，避免“飛車”事故的發(fā)生，保障了緊急停機時的風電機組**;系統(tǒng)為蓄電池前瞻性維護提供客觀依據(jù)，改變舊電池“一刀切”式的報廢模式，延長后備電源的平均服役時間，減少不必要的電源更換成本;系統(tǒng)的研制探索了輪轂內(nèi)安裝蓄電池檢測裝置的設(shè)計方法和無線通訊方式，相關(guān)經(jīng)驗易于推廣到超級電容后備變槳系統(tǒng)中，減少了系統(tǒng)研發(fā)投資。實踐證明，研究成果具有良好的經(jīng)濟、社會效益和廣泛應用前景，研究成果達到國內(nèi)先進水平。
