DQZHAN技術(shù)訊：在線式風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)后備動(dòng)力性能檢測(cè)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(shí)，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(duì)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(cè)手段的主要問(wèn)題是：僅監(jiān)測(cè)蓄電池組充放電電壓，無(wú)法真實(shí)反映電池性能;僅用緊急順槳時(shí)間判斷后備動(dòng)力系統(tǒng)性能，無(wú)法區(qū)分是電源還是變槳系統(tǒng)阻力問(wèn)題;部分機(jī)組必須人工定期測(cè)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(bào)廢更換，增加了備件更換成本。鑒于上述問(wèn)題，我公司對(duì)蓄電池性能與變槳系統(tǒng)阻力監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了研究，建立了變槳系統(tǒng)后備動(dòng)力性能檢測(cè)平臺(tái)，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(jiǎn)介

該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)變槳后備動(dòng)力系統(tǒng)的研究，為風(fēng)電機(jī)組變槳蓄電池檢測(cè)提供了完整的解決方案，系統(tǒng)通過(guò)高頻采樣

記錄風(fēng)電機(jī)組緊急順槳過(guò)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(dòng)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(cè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各機(jī)組后備動(dòng)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(shì)，對(duì)系統(tǒng)性能的異常變化及時(shí)發(fā)出報(bào)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?jiān)醇瘓F(tuán)麒麟山風(fēng)場(chǎng)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(wèn)題1例。

變槳后備系統(tǒng)的主要問(wèn)題

變槳蓄電池失效密封閥控式鉛酸(VRLA)蓄電池因其造價(jià)便宜、技術(shù)成熟，是電變槳系統(tǒng)廣泛采用的后備動(dòng)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(shí)間超過(guò)三年，蓄電池的失效問(wèn)題就日益明顯了，主要原因如下：

存儲(chǔ)時(shí)自放電損耗遙

電池在開路狀態(tài)下儲(chǔ)存時(shí)，電池容量會(huì)因?yàn)樽苑烹姸档?，溫度越高放電容量損害越快。風(fēng)場(chǎng)建設(shè)初期，風(fēng)電機(jī)組因各種原因無(wú)法并網(wǎng)，蓄電池就被長(zhǎng)時(shí)間擱置，如果存儲(chǔ)溫度很高，那么蓄電池計(jì)算得出的*佳閥位常數(shù)為0.802064。計(jì)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(yàn)時(shí)DEH 功率回路、調(diào)節(jié)級(jí)壓力回路切除。單/多閥切換時(shí)間仍為300 秒，在主汽壓為15MPa 進(jìn)行切換試驗(yàn)，其閥切換前后，負(fù)荷波動(dòng)明顯減小

可以看出，經(jīng)過(guò)流量特性修正后的曲線，其負(fù)荷波動(dòng)較小，進(jìn)行機(jī)組閥切換時(shí)能保證機(jī)組**運(yùn)行。與此同時(shí)，在切換及負(fù)荷變化過(guò)程中，汽流變化平緩，瓦溫、振動(dòng)也都能夠得到一定的改善，不會(huì)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(dòng)，主要是因?yàn)殚y切換前后，調(diào)節(jié)級(jí)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(cè)量環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速控制PID、油動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(wèn)題，影響電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精度的主要問(wèn)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(hào)機(jī)閥門流量特性試驗(yàn)撰寫本文，可能由于機(jī)組、現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)不**，難免存在理論上的偏頗和不足，懇請(qǐng)各位專家和專業(yè)人員批評(píng)指正，互相學(xué)習(xí)的同時(shí)，進(jìn)一步提高熱控系統(tǒng)的控制精度和可靠性。會(huì)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(wú)法完成順槳;南方地區(qū)溫度高，高溫度會(huì)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(gè)蓄電池單體串聯(lián)使用，蓄電池組往往因?yàn)閭€(gè)別單體加速老化而提前失效。

大電流放電影響遙

順槳啟動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)在某個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生卡住，大電流就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)將蓄電池“耗干”，導(dǎo)致順槳無(wú)法完成。

變槳傳動(dòng)阻力異常

變槳傳動(dòng)系統(tǒng)銹蝕、磨損、阻塞造成的變槳系統(tǒng)啟動(dòng)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(wú)法完成，通常歸結(jié)為蓄電池原因，阻力異常問(wèn)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(cè)方法歸結(jié)為三類：

一、蓄電池檢測(cè)：檢測(cè)電池端電壓、內(nèi)阻判斷電池性能。電壓檢測(cè)不能反映蓄電池真實(shí)性能，內(nèi)阻主要靠人工測(cè)試，無(wú)法在線進(jìn)行。

二、給電池組增加一個(gè)瞬態(tài)放電電路，定期進(jìn)行放電，測(cè)試電池內(nèi)阻等性能。該方法檢測(cè)效果雖好，但對(duì)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(cè)試：在小風(fēng)時(shí)，自動(dòng)或人工執(zhí)行順槳，通過(guò)順槳時(shí)間判斷后備系統(tǒng)性能。該方法無(wú)法定位是變槳蓄電池還是傳動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，項(xiàng)目完成了如下關(guān)鍵技術(shù)研制：

**評(píng)價(jià)后備電源變槳系統(tǒng)性能——國(guó)內(nèi)開創(chuàng)

項(xiàng)目使用緊急順槳過(guò)程中的高頻采樣數(shù)據(jù)分析變槳后備動(dòng)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(píng)價(jià)，**定位故障原因。

后備動(dòng)力系統(tǒng)性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

項(xiàng)目使用緊急順槳過(guò)程的啟動(dòng)電壓降、放電總功率等指標(biāo)，反映蓄電池老化與順槳啟動(dòng)阻力綜合情況，相對(duì)于順槳時(shí)間，啟動(dòng)電壓降能定位問(wèn)題是否發(fā)生在順槳初期。

蓄電池性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

項(xiàng)目通過(guò)極化內(nèi)阻均值及變化指標(biāo)、SOC、SOH 反映蓄電池性能，對(duì)每盒蓄電池組進(jìn)行檢測(cè)，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(wèn)題。

變槳傳動(dòng)系統(tǒng)阻力監(jiān)測(cè)——國(guó)內(nèi)開創(chuàng)

項(xiàng)目通過(guò)對(duì)緊急順槳放電過(guò)程中的變槳傳動(dòng)系統(tǒng)的受力分析，建立順槳阻力矩計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)緊急順槳阻力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

研制了后備動(dòng)力性能檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)

項(xiàng)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(gè)系統(tǒng)不干預(yù)電池控制，設(shè)計(jì)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(chǎng)中控室，負(fù)責(zé)集中監(jiān)測(cè)所有風(fēng)電機(jī)組蓄電池狀態(tài)，儲(chǔ)存管理各臺(tái)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(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——國(guó)內(nèi)開創(chuàng)

系統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備和算法都需要測(cè)試檢驗(yàn)，但是在實(shí)際風(fēng)電機(jī)組上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(wú)法在實(shí)際機(jī)組實(shí)施測(cè)試，為此，項(xiàng)目建立了變槳后備動(dòng)力系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬風(fēng)電機(jī)組后備動(dòng)力變槳系統(tǒng)的工作過(guò)程以及變槳極端工況，用于后備動(dòng)力性能檢測(cè)指標(biāo)和檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、驗(yàn)證。

在線檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(cè)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(cè)系統(tǒng)，每個(gè)風(fēng)機(jī)葉片電池柜配備一個(gè)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(wú)線通訊(輪轂相對(duì)機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng))、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(cè)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(chǎng)運(yùn)檢人員，包括電池充放電狀態(tài)、報(bào)警信息等，運(yùn)檢人員還可以通過(guò)系統(tǒng)查看電池的歷史數(shù)據(jù)信息，通過(guò)界面對(duì)前置監(jiān)測(cè)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(chǎng)13~3 號(hào)機(jī)組完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作，一年來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，發(fā)現(xiàn)蓄電池問(wèn)題1 例。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后備動(dòng)力系統(tǒng)性能，展示設(shè)備性能變化趨勢(shì)，確保風(fēng)電機(jī)組緊急順槳**，為制定后備動(dòng)力系統(tǒng)的維護(hù)計(jì)劃提供科學(xué)的依據(jù)，大大提升了風(fēng)電機(jī)組后備動(dòng)力系統(tǒng)性能的檢測(cè)水平，降低了檢測(cè)成本，提高了檢測(cè)效率。

經(jīng)濟(jì)效益及意義

變槳后備動(dòng)力性能檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后備系統(tǒng)性能狀態(tài)，自動(dòng)對(duì)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(shí)間，避免“飛車”事故的發(fā)生，保障了緊急停機(jī)時(shí)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(bào)廢模式，延長(zhǎng)后備電源的平均服役時(shí)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(cè)裝置的設(shè)計(jì)方法和無(wú)線通訊方式，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)易于推廣到超級(jí)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(huì)效益和廣泛應(yīng)用前景，研究成果達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。