直流變槳系統交流化改造技術應用案例

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直流變槳系統交流化改造技術應用案例「直流變槳系統交流化改造」技術應用案例，在東方風電兆瓦級風力發電機組發展的早期，受制於交流電機變頻驅動器技術及可靠性的限制，兆瓦級風力發電機組主要採用直流變槳技術。

目錄

一、背景

在東方風電兆瓦級風力發電機組發展的早期，受制於交流電機變頻驅動器技術及可靠性的限制，兆瓦級風力發電機組主要採用直流變槳技術。直流變槳系統電控部分主要由：變槳控制器（L+B或變槳PLC）、驅動器、充電器、變槳電機、剎車供電變壓器、蓄電池組、AB編碼器、控制繼電器、控制接觸器、過流保護斷路器等部件組成；其集成度較低，隨着機組運行時間增加，其穩定性也逐年降低，同時早期的變槳系統供應商也停止了對直流變槳系統的更新和服務；

風力發電機組的剎車功能主要是依靠系統收槳的氣動剎車，所以變槳系統的穩定性是對整機安全性的重要保障。直流變槳系統外圍電氣設計複雜，正常變槳、低穿、緊急收槳分別有電路及相關器件，同時國內電網的不穩定性也加劇了電子元器件的老化、系統故障率升高；直流電機的碳刷需要定期維護、蓄電池每3.5年需要定期更換，這些都極大的增加了現場運維工作量和運維成本；

針對上述問題，東方新能科技開發出成熟的集成式交流變槳系統替換原1.5MW老機組的直流變槳系統，該系統適用於風輪直徑不大於89米的東方風電直流變槳系統。

二、應用案例

直流變槳系統交流化改造項目，已在中衛香山風場完成1台樣機掛機工作，批量項目已在大唐雲南丘北趕馬路風場完成13台機組改造，改造後機組運行良好，整體故障率下降80%。

方案採用集成式交流變槳驅動器，其硬件集PLC控制器、充電器、開關電源以及豐富的I/O接口等功能於一體，後備電源採用環境適應性更強的超級電容，變槳電機採用自然冷卻型交流永磁同步電機，同時應用無風扇免維護設計，改造後系統具有高安全性、高可靠性、高集成度等優點。

變槳系統交流化改造產品特點：

立足於上萬颱風機運行經驗，採用成熟的變槳控制邏輯

系統具備風輪超速保護、雙冗餘硬件安全鏈功能，安全性進一步提升

基於多重冗餘設計理念，平均無故障運行時間達20000小時以上

變槳系統採用集成式交流變槳系統，設計簡潔、可靠性高

交流電機、超級電容免維護

支持多種通訊協議，滿足客戶需求

高品質、低成本

通過技術改造，可以消除諸多安全隱患，提升客戶滿意度，避免事故發生，為客戶創造了社會效益，同時可降低客戶每年備件採購費用50%，整體降低變槳系統故障率80%。

三、技術要點

將直流變槳系統改造為技術更為成熟的交流變槳系統，採用東方風電成熟使用的AP系列集成式變槳技術，取消了原L+B/變槳PLC以及充電器，由驅動器集成數字量模擬量採集控制功能、通訊方式改為更穩定快捷的CANopen、後備電源由鉛酸蓄電池改為超級電容系統，簡化外圍電氣迴路設計。

序號 器件名稱 直流系統 交流系統 功能集成

1 電機剎車電源模塊 有 無 驅動器

2 充電器 有 無 驅動器

3 L+B/變槳PLC 有 無 不需要

4 控制繼電器 有 有 減少70%

優點如下：

交流電機免維護，不用定期清理碳粉和更換碳刷，故障率更低；

超級電容相較於蓄電池使用壽命更長、充電次數更多、充電時間更短、且放電能力不受低溫影響，故障率更低（正常溫度環境下充放電次數達50萬次），在風機壽命期內無須再次更換。

變槳控制器、變槳充電器集成在變槳驅動器中，變槳系統簡單，整體故障率更低，改造費用也隨之降低；

與主控通訊方式為CANopen，驅動器之間的通信為CANopen，通訊更加穩定可靠；

變槳系統安全保護採用內部安全鏈和外部安全鏈結構，安全性能更高。外部安全鏈對應風機主安全鏈（主控EFC）迴路，進行硬件緊急停機控制；內部安全鏈獨立於風機主安全鏈迴路對變槳滑環超速保護、驅動器安全信號、軟件看門狗等可能導致嚴重後果的故障點進行監控。無論是內部安全鏈還是外部安全鏈故障，變槳系統驅動器急停信號均能被觸發，完成獨立順槳，實現緊急停機。同時：主控下發給變槳的軟硬件EFC指令及變槳控制器給驅動器的軟硬件EFC指令均冗餘。驅動器內部具備自己的安全鏈設計，當驅動器故障後（包括驅動器檢測到通訊故障），驅動器獨立収槳，其它軸由於安全鏈斷開，同時觸發収槳。

交流電機在滿載下運行三小時左右溫升僅為1°，不需要加熱器及風扇等外部裝置；

變槳系統具備自診斷及保護功能，能實時診斷設備的故障或異常情況，對出現的故障進行處理，按照不同的故障等級實現可靠順槳，同時有完善的事故存儲記錄信息，便於故障診斷查詢；提高了風力發電機組變槳控制系統安全可靠性，降低設備缺陷率，進一步提高設備可利用率及安全可靠性，確保風電場安全、穩定運行。

滿足高/低穿功能要求，為後續電網要求的機組高穿改造奠定基礎；

改善勞動環境和條件，減少人員攀爬風機次數，進入輪轂次數，降低潛在的安全風險；

減少故障損失電量及相應備品備件的採購，避免因變槳系統故障多次發生風機長停，創造更多經濟效益；

減少變槳系統所需設備數量，相應降低故障率。

創新性

由於改造後變槳系統採用CAN通訊，而早期主控系統多為RS485通訊，為實現交流變槳系統與原配套的主控系統在通訊協議、控制邏輯、DIO接口等方面的全面匹配，方案採用硬接點功能轉接配合通訊協議轉換的型式實現主控與變槳系統運行控制匹配。

四、應用前景

東方風電機組的直流變槳系統超過5000套，並且整個市場直流變槳系統存量超過萬套，目前，直流變槳系統交流化改造已成為風電後市場改造主流項目，改造預期市場效益可觀。受限於早期各品牌直流變槳系統設計方向的差異，改造採用的器件需要特殊定製，增大了改造的難度與成本。