在线式风机变桨系统后备动力性能检测系统研究与应用

　　风电机组变桨后备电源，在机组出现安全链故障或者电网异常时，确保风电机组安全顺桨，避免超速飞车、甚至倒塔事故发生，对风电机组的安全生产起着至关重要的作用。目前主机厂家采用的后备电源在线监测手段的主要问题是：仅监测蓄电池组充放电电压，无法真实反映电池性能;仅用紧急顺桨时间判断后备动力系统性能，无法区分是电源还是变桨系统阻力问题;部分机组必须人工定期测试后备系统，增加了人工维护成本;厂家要求蓄电池两年强制报废更换，增加了备件更换成本。鉴于上述问题，我公司对蓄电池性能与变桨系统阻力监测指标进行了研究，建立了变桨系统后备动力性能检测平台，开发了风电机组变桨蓄电池性能在线集中监控系统，实现了系统工程化应用。

　　技术简介

　　该项目通过对变桨后备动力系统的研究，为风电机组变桨蓄电池检测提供了完整的解决方案，系统通过高频采样

　　记录风电机组紧急顺桨过程的放电数据，采用内阻、SOC、SOH等指标反映蓄电池的性能，采用顺桨阻力矩指标反映变桨传动系统的阻力情况;系统配备了集中监控系统监测风电场内各机组后备动力系统的性能状态，记录并展示了系统性能的历史变化趋势，对系统性能的异常变化及时发出报警，保障了风电机组急停顺桨安全，为后备电源的维护和更换提供客观依据。该系统已经在龙源集团麒麟山风场投运，目前系统运行稳定、效果良好、发现蓄电池性能问题1例。

　　变桨后备系统的主要问题

　　变桨蓄电池失效密封阀控式铅酸(VRLA)蓄电池因其造价便宜、技术成熟，是电变桨系统广泛采用的后备动力电源，厂家承诺的电池寿命为6 年，在实际生产中，运行时间超过三年，蓄电池的失效问题就日益明显了，主要原因如下：

　　存储时自放电损耗遥

　　电池在开路状态下储存时，电池容量会因为自放电而降低，温度越高放电容量损害越快。风场建设初期，风电机组因各种原因无法并网，蓄电池就被长时间搁置，如果存储温度很高，那么蓄电池计算得出的最佳阀位常数为0.802064。计算得出的重叠度函数如表3~8所示。

　　按照上述数据，修改DPU阀门管理程序中部分模块的参数，修改后进行单/多阀切换。试验时DEH 功率回路、调节级压力回路切除。单/多阀切换时间仍为300 秒，在主汽压为15MPa 进行切换试验，其阀切换前后，负荷波动明显减小。

　　经过流量特性修正后的曲线，其负荷波动较小，进行机组阀切换时能保证机组安全运行。与此同时，在切换及负荷变化过程中，汽流变化平缓，瓦温、振动也都能够得到一定的改善，不会出现较大变化，保证机组安全稳定地运行。上表中仍存在一定的负荷波动，主要是因为阀切换前后，调节级压力变化引起的，这是正常现象。

　　在数字电液调节系统中，由于转速的测量环节、转速控制PID、油动机的驱动环节都已达到了相当高的控制精度，基本上已经解决了非线性和迟缓的问题，影响电液调节系统控制精度的主要问题在于调节阀门流量非线性，而阀门流量的非线性主要是由高调阀实际流量特性与DEH 系统中预置的流量特性曲线存在差异造成的。结合双辽公司二号机阀门流量特性试验撰写本文，可能由于机组、现场设备以及其它客观因素的差异，加之理论与实际经验不全面，难免存在理论上的偏颇和不足，恳请各位专家和专业人员批评指正，互相学习的同时，进一步提高热控系统的控制精度和可靠性。会发生“未用先坏”现象。

　　工作温度高低遥

　　温度是影响蓄电池性能的重要因素，东北地区冬天很低，低温使得蓄电池放电容量大幅减少，无法完成顺桨;南方地区温度高，高温度会加快电池老化，导致电池的频繁更换。

　　单体老化不平衡遥

　　由于变桨系统需要多个蓄电池单体串联使用，蓄电池组往往因为个别单体加速老化而提前失效。

　　大电流放电影响遥

　　顺桨启动瞬间，需要蓄电池大电流放电，在大电流下蓄电池的容量显著减少(如放电150A，电池只能维持几秒钟)。那么如果变桨传动系统在某个环节发生卡住，大电流就会在短时间内将蓄电池“耗干”，导致顺桨无法完成。

　　变桨传动阻力异常

　　变桨传动系统锈蚀、磨损、阻塞造成的变桨系统启动及运转阻力异常增大，加之蓄电池大电流放电能力有限，造成紧急顺桨失败。而通常发生顺桨无法完成，通常归结为蓄电池原因，阻力异常问题难于发现。

　　关键技术及其与同类技术比较

　　目前主流的变桨电池检测方法归结为三类：

　　一、蓄电池检测：检测电池端电压、内阻判断电池性能。电压检测不能反映蓄电池真实性能，内阻主要靠人工测试，无法在线进行。

　　二、给电池组增加一个瞬态放电电路，定期进行放电，测试电池内阻等性能。该方法检测效果虽好，但对于已投产机组增加瞬态电路，并干预电池放电控制比较困难，难于实施推广。

　　三、紧急顺桨测试：在小风时，自动或人工执行顺桨，通过顺桨时间判断后备系统性能。该方法无法定位是变桨蓄电池还是传动系统问题。

　　针对上述问题，项目完成了如下关键技术研制：

　　全面评价后备电源变桨系统性能——国内首创

　　项目使用紧急顺桨过程中的高频采样数据分析变桨后备动力系统性能，从蓄电池性能和变桨系统阻力双方面进行评价，精确定位故障原因。

　　后备动力系统性能综合评价指标

　　项目使用紧急顺桨过程的启动电压降、放电总功率等指标，反映蓄电池老化与顺桨启动阻力综合情况，相对于顺桨时间，启动电压降能定位问题是否发生在顺桨初期。

　　蓄电池性能评价指标

　　项目通过极化内阻均值及变化指标、SOC、SOH 反映蓄电池性能，对每盒蓄电池组进行检测，实现电池盒间性能指标的差异比较。这些指标从多种角度，反映出蓄电池性能问题。

　　变桨传动系统阻力监测——国内首创

　　项目通过对紧急顺桨放电过程中的变桨传动系统的受力分析，建立顺桨阻力矩计算模型，实现紧急顺桨阻力的动态监测。

　　研制了后备动力性能检测系统样机

　　项目开发风电机组变桨电池前置数据采集处理子系统，位于风电机组轮毂处，负责采集、处理、上送电池充放电数据，整个系统不干预电池控制，设计方案便于实施;开发风电机组变桨电池集中监控系统，位于风电场中控室，负责集中监测所有风电机组蓄电池状态，储存管理各台风电机组历史数据记录，提供历史数据查询展示功能。

　　检测系统实验平台——国内首创

　　系统的检测设备和算法都需要测试检验，但是在实际风电机组上进行实验受到很大制约，出于运行安全的考虑，变桨电机堵转等极端工况无法在实际机组实施测试，为此，项目建立了变桨后备动力系统模拟实验台，模拟风电机组后备动力变桨系统的工作过程以及变桨极端工况，用于后备动力性能检测指标和检测系统的设计、研发、验证。

　　在线检测系统总体设计

　　系统主要由位于风机轮毂的数据采集处理设备、位于中控室的集中监测系统和两者之间的通讯链路组成。

　　数据采集处理系统负责采集分析蓄电池状态数据(包括各电池组端电压、电流、电池柜温度、变桨电机转速等)，并将数据打包发送给集中监测系统，每个风机叶片电池柜配备一个数据采集处理设备;通讯链路包括轮毂至风机机舱的无线通讯(轮毂相对机舱转动)、机舱至塔底的网线通讯和风机至中控室的光纤网络;集中监测系统负责接收解析和保存各采集系统发送的数据，并将电池的数据信息展示给风场运检人员，包括电池充放电状态、报警信息等，运检人员还可以通过系统查看电池的历史数据信息，通过界面对前置监测系统进行参数配置。

　　应用情况

　　该系统于2013 年9 月完成在麒麟山风电场13~3 号机组完成现场调试工作，一年来，系统运行状况良好，发现蓄电池问题1 例。实践证明，该系统可以实时监测后备动力系统性能，展示设备性能变化趋势，确保风电机组紧急顺桨安全，为制定后备动力系统的维护计划提供科学的依据，大大提升了风电机组后备动力系统性能的检测水平，降低了检测成本，提高了检测效率。

　　经济效益及意义

　　变桨后备动力性能检测系统实时监测后备系统性能状态，自动对系统的早期故障进行预警和定位，为系统的维护检修赢得时间，避免“飞车”事故的发生，保障了紧急停机时的风电机组安全;系统为蓄电池前瞻性维护提供客观依据，改变旧电池“一刀切”式的报废模式，延长后备电源的平均服役时间，减少不必要的电源更换成本;系统的研制探索了轮毂内安装蓄电池检测装置的设计方法和无线通讯方式，相关经验易于推广到超级电容后备变桨系统中，减少了系统研发投资。实践证明，研究成果具有良好的经济、社会效益和广泛应用前景，研究成果达到国内先进水平。