风力发电领域PLC控制系统的升级改造方案_胡玉辉.pdf

/风力发电领域 控制系统的升级改造方案胡玉辉席振威（.国华爱依斯（黄骅）风电有限公司.华锐风电科技（集团）股份有限公司）摘要：我国风能资源丰富，风能储量和可开发量都居世界首位，其中 高陆地可开发风能储量.亿 ，海上风能储量 .亿 ，总计 亿 。从装机容量细分结构情况来看，年我国陆上风力发电装机容量为 万 ，占装机容量的 ；海上风力发电装机容量为 万 ，占装机容量的 。按照国务院 年 月印发的 能源发展战略行动计划，随着国家加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系，风力发电作为新能源开发利用中最成熟的一门技术，如何更加高效、可持续地利用成为其中关键。随着全行业的产品升级迭代和技术进步不断推动的老旧机组改造升级，主控系统作为风力发电众多系统中最为重要的系统之一，过时的控制系统竞争能力不断减弱，逐渐无法满足更加复杂的风电机组在通讯、处理速度、功能扩展、冗余设计等方面的指标要求。本文基于机组需求分析、硬件对比、控制系统升级方案、风场实际效果验证等方面，主要介绍 系统升级为 控制系统的改造，为提高机组稳定运行提供有力支持。关键词：风力发电机组；主控系统升级 概述.研究背景采用双馈变速恒频发电系统的 .大型风力发电机组，作为国内主流风力发电机型，已装机量近 台，是国内已装机量最多的机型 。此款机型使用了当时先进的 系列控制系统。经过多年的运行，出现控制器老化，故障率高，厂家部分器件停产等诸多问题，严重限制机组软件扩展能力，增加实际维护成本，这就要求风电场逐步淘汰落后的控制系统，的升级改造势在必行。巴赫曼公司在全球风力发电设备自动化领域处于领先地位，在风力发电控制系统中拥有超过 的市场份额。分析 产品参数指标，巴赫曼 产品响应速度快，存储内存容量大，系统具备多重冗余功能、工作温湿度范围宽泛，适用各种复杂工况环境，与 控制系统相比拥有巨大的优势。由此，本次选取工控行业中最为高端、在风电领域居于领先地位的 系列替换 系列控制系统，为风电场安全可靠运行提供保障，更能为机组的发电能力提供强有力的技术支撑。.研究意义本文主要方向为主控制系统的升级改造，使发电机组拥有更大的数据存储能力、更强的工况适应性和较低的故障率，以满足风机后续开发等带来的应用要求，为风力发电机组安全高效、可持续运行提供保障。发电机组主控制器的总体改造需求方案将基于 .风力发电机组的实际情况，开展主控制器在软硬件方面的升级研究。确认 在硬件配置、功能拓展等方面的升级需求，制定总体的改造方案。.硬件配置对比由表 所示，系统的硬件相较于 系统，在内存大小、接口类型与个数、运行环境要求、拓展性与后期维护性上，有巨大的提升。并且 控制系统需要 块 ，通过网线连接，程序设计复杂、数据容易丢失、故障率高。而 控制系统，仅需要 块 ，通过固定背板连接模块，内部集成信号传输，数据不易丢失。两块 硬件实物图如图 和图 所示。电气技术与经济 技术与应用/表 硬件参数对比参数 配置 结构形状整体式模块式 存储大小 存储大小 存储器大小 数据存储载体 卡 工业级 卡 处理器上串口个数个个串口协议仅支持 支持 处理器以太网口个数个个运行温度条件 湿度要求 无凝结 无凝结电力供应 主 安装位置机舱塔基数据记录方式实时上传本地存储可拓展性接口数固定，拓展性差可根据需求增减，灵活配置维护持续性厂家已停产，备件无法保证厂家推荐产品，备件充足图 硬件图电气技术与经济 技术与应用 /图 硬件实物图.软件配置对比相较于 ，自带更强大的组态软件，拥有 硬件故障诊断、虚拟屏编写、模块组件配置、运行数据实时记录、机组各项功能运行状态监控等 组态不具备的功能，这极大提高主控程序编写、实际风机运行维护、数据抓取等方面的工作效率。再配合 机组拥有更先进的 系统、触摸屏控制系统，为风电场远程智能监控提供更加可靠的保障。.风机组系统需求介绍风力发电机组一般由偏航变桨系统、变频系统、主控系统、远程监控系统组成，如图 所示。图 风机控制系统架构图）主控系统：主要进行风机正常工作的逻辑控制、监控机组信号、异常状态判断及处理、记录数据等功能；）变频系统：主要是将发电机产生的交流电转换为直流电，再转换为恒频恒压的交流电并入电网；）偏航变桨系统：主要是进行改善机组受力、控制转速来维持机组恒功率运行等作用；）远程监控系统（）：主要用于机组远程监控，可通过查询实时数据、历史报表等信息，分析机组长时间运行状态，也可快速定位故障点，排查与恢复系统正常运行。通过以上各系统的功能介绍可知，主控系统在整个风机系统中，处于逻辑决断地位，负责采集各类输入信号进行逻辑处理，再将处理后的数据下发给机组设备，以实现对整个风机的运行控制。所以升级后的主控系统 硬件，需要包含 模块、电源模块、模块、模拟量输入模块、通讯模块、光纤通讯模块、串口模块，具体见表 。表 控制系统硬件模块序号模块名称模块功能 背板供电 光纤通讯 通讯 串口通讯 模拟量输入 主控系统升级改造方案及运行效果.塔基柜内改造）断开塔基供电保险；）确认安全后，拆除 上接线，并整理好接线，取下 ；）将 按照原理图，安装在第一层导轨上，调整好线槽走线；电气技术与经济 技术与应用/）将 的线号管拆除，重套上 的线号管然后压接，接在对应的信号点上（见图 ）。图 塔基柜改造前后对比图.机舱柜内改造）按下控制柜门急停按钮，并打开柜门断开电源与保险；）拆除控制柜内 上的接线，并整理好接线，取下 ；）移动超速继电器到柜体右侧第二层，并安装 ；）安装转接板并接线，完成后盖上盖板（见图 和图 ）。图 机舱柜内 改造前后对比图电气技术与经济 技术与应用 /图 机舱升级改造后实际布置图.升级后运行效果依照方案，施工人员将辽宁某风电场全场的主控系统由 升级为 ，于 年 月 日开始实施，历时一个月全部完成升级。现在选取全场 台机组改造先后进行对比，选取 年月 日至 年 月 日全场故障报表作为 升级前 系统的运行情况，选取 年月 日至 年 月 日全场故障报表作为 升级为 系统的运行情况。现在选取全场 台机组改造先后进行对比，详细数据见表 表 。表 改造前 控制系统风场信息表风场名称辽宁某风电场主控类型.-版报表日期 .历时时间（天）故障天数（天）风场机组（台）故障机组（台）故障总计（次）故障类型（种）风场日均故障（次）.机组日均故障（次）.表 改造前 控制系统运行故障统计排序机组名称故障次数故障占比累计占比累计故障时间（）.电气技术与经济 技术与应用/（续）排序机组名称故障次数故障占比累计占比累计故障时间（）.电气技术与经济 技术与应用 /表 控制系统风场故障信息表风场名称辽宁某风电场主控类型.-版报表日期 .历时时间（天）故障天数（天）风场机组（台）故障机组（台）故障总计（次）故障类型（种）风场日均故障（次）.机组日均故障（次）.表 造后 控制系统运行故障统计排序机组名称故障次数故障占比累计占比累计故障时间（）.电气技术与经济 技术与应用/（续）排序机组名称故障次数故障占比累计占比累计故障时间（）.由改造前后两个月，运行数据对比看出，机组升级为 控制系统后，故障次数由原来的 下降至 次，故障率同比下降 .；全场累计故障时间 由 下 降 至 ，故 障 时 间 同 比 下降 .。.本章小结由改造方案、现场实际改造前后数据得出，塔基、机舱控制柜内布置更加合理，为机组的后续增加功能提供空间。并且改造后有效降低风场故障率，减少风机故障时间，由此判断主控系统的升级改造可有效提高风机运行的稳定性。结束语由于早期机组使用的 系列控制系统，出现性能差、硬件老化、厂家供货不足等问题，这严重影响到机组的运行可靠性与安全性。现提出控制系统升级为更加先进的 系列产品。经过系统需求分析、硬件软件对比、改造方案、实际风场运行数据分析，验证风机控制系统升级为可行性。控制系统的升级，贯穿风电场运营全过程，为智能化发电平台建设、高级功能应用、风场经济性回报提供有力的支撑。参考文献 申宽育.中国的风能资源与风力发电 西北水电，（）：-.年中国风力发电发展现状与行业发展趋势 国际风力发电网，（）刘怡思.华锐风电 机组的优化升级技术研究 北京：华北电力大学，：-.（收稿日期：2 0 2 2-1 1-0 8）电气技术与经济 技术与应用