DQZHAN技術(shù)訊：在線式風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)后備動力性能檢測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

風(fēng)電機(jī)組變槳后備電源，在機(jī)組出現(xiàn)**鏈故障或者電網(wǎng)異常時，確保風(fēng)電機(jī)組**順槳，避免超速飛車、甚至倒塔事故發(fā)生，對風(fēng)電機(jī)組的**生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。目前主機(jī)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(shí)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(jī)組必須人工定期測試后備系統(tǒng)，增加了人工維護(hù)成本;廠家要求蓄電池兩年強(qiáng)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(biāo)進(jìn)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(fēng)電機(jī)組變槳蓄電池性能在線集中監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工程化應(yīng)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(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組緊急順槳過程的放電數(shù)據(jù)，采用內(nèi)阻、SOC、SOH等指標(biāo)反映蓄電池的性能，采用順槳阻力矩指標(biāo)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(fēng)電場內(nèi)各機(jī)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(fēng)電機(jī)組急停順槳**，為后備電源的維護(hù)和更換提供客觀依據(jù)。該系統(tǒng)已經(jīng)在龍源集團(tuán)麒麟山風(fēng)場投運(yùn)，目前系統(tǒng)運(yùn)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(shí)際生產(chǎn)中，運(yùn)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(fēng)場建設(shè)初期，風(fēng)電機(jī)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(jìn)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(jìn)行切換試驗，其閥切換前后，負(fù)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(fù)荷波動較小，進(jìn)行機(jī)組閥切換時能保證機(jī)組**運(yùn)行。與此同時，在切換及負(fù)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(jī)組**穩(wěn)定地運(yùn)行。上表中仍存在一定的負(fù)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?，F(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(jī)的驅(qū)動環(huán)節(jié)都已達(dá)到了相當(dāng)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(shí)際流量特性與DEH 系統(tǒng)中預(yù)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(jī)閥門流量特性試驗撰寫本文，可能由于機(jī)組、現(xiàn)場設(shè)備以及其它客觀因素的差異，加之理論與實(shí)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(xué)習(xí)的同時，進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(yùn)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(shí)性能，內(nèi)阻主要靠人工測試，無法在線進(jìn)行。

二、給電池組增加一個瞬態(tài)放電電路，定期進(jìn)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(jī)組增加瞬態(tài)電路，并干預(yù)電池放電控制比較困難，難于實(shí)施推廣。

三、緊急順槳測試：在小風(fēng)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(jìn)行評價，**定位故障原因。

后備動力系統(tǒng)性能綜合評價指標(biāo)

項目使用緊急順槳過程的啟動電壓降、放電總功率等指標(biāo)，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(biāo)

項目通過極化內(nèi)阻均值及變化指標(biāo)、SOC、SOH 反映蓄電池性能，對每盒蓄電池組進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)電池盒間性能指標(biāo)的差異比較。這些指標(biāo)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(shí)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(jī)

項目開發(fā)風(fēng)電機(jī)組變槳電池前置數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)，位于風(fēng)電機(jī)組輪轂處，負(fù)責(zé)采集、處理、上送電池充放電數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)不干預(yù)電池控制，設(shè)計方案便于實(shí)施;開發(fā)風(fēng)電機(jī)組變槳電池集中監(jiān)控系統(tǒng)，位于風(fēng)電場中控室，負(fù)責(zé)集中監(jiān)測所有風(fēng)電機(jī)組蓄電池狀態(tài)，儲存管理各臺風(fēng)電機(jī)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(shí)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(shí)際風(fēng)電機(jī)組上進(jìn)行實(shí)驗受到很大制約，出于運(yùn)行**的考慮，變槳電機(jī)堵轉(zhuǎn)等極端工況無法在實(shí)際機(jī)組實(shí)施測試，為此，項目建立了變槳后備動力系統(tǒng)模擬實(shí)驗臺，模擬風(fēng)電機(jī)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(biāo)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(fēng)機(jī)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(fù)責(zé)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(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)機(jī)艙的無線通訊(輪轂相對機(jī)艙轉(zhuǎn)動)、機(jī)艙至塔底的網(wǎng)線通訊和風(fēng)機(jī)至中控室的光纖網(wǎng)絡(luò);集中監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(fēng)場運(yùn)檢人員，包括電池充放電狀態(tài)、報警信息等，運(yùn)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(jìn)行參數(shù)配置。

應(yīng)用情況

該系統(tǒng)于2013 年9 月完成在麒麟山風(fēng)電場13~3 號機(jī)組完成現(xiàn)場調(diào)試工作，一年來，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，發(fā)現(xiàn)蓄電池問題1 例。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以實(shí)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(fēng)電機(jī)組緊急順槳**，為制定后備動力系統(tǒng)的維護(hù)計劃提供科學(xué)的依據(jù)，大大提升了風(fēng)電機(jī)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(jì)效益及意義

變槳后備動力性能檢測系統(tǒng)實(shí)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(jìn)行預(yù)警和定位，為系統(tǒng)的維護(hù)檢修贏得時間，避免“飛車”事故的發(fā)生，保障了緊急停機(jī)時的風(fēng)電機(jī)組**;系統(tǒng)為蓄電池前瞻性維護(hù)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(shí)踐證明，研究成果具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益和廣泛應(yīng)用前景，研究成果達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。