苗寶平,劉彥東
(中廣核新能源控股有限公司內(nèi)蒙古分公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)
風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)模塊升級改造
苗寶平,劉彥東
(中廣核新能源控股有限公司內(nèi)蒙古分公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)
通過對北重風(fēng)機控制系統(tǒng)模塊現(xiàn)狀的分析,提出了對風(fēng)機控制系統(tǒng)模塊升級改造的規(guī)劃方案,該方案實施后將徹底改變風(fēng)機主控系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的情況,使機組可以安全可靠的運行。文章就針對2008年投入運行使用的北重FD80-2000風(fēng)力發(fā)電機組進行升級改造方案進行詳細說明。
風(fēng)力發(fā)電;主控系統(tǒng);升級改造
風(fēng)機主控系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主體,實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、保護功能。對外的三個主要接口系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)(變頻器),與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風(fēng)力發(fā)電機組實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換,與變槳控制系統(tǒng)接口完成對葉片的控制,實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行,與變頻系統(tǒng)(變頻器)接口實現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。北重風(fēng)力發(fā)電機組FD80-2000型機組使用的是德國DeWind廠家在早期風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計階段選用的是倍福K-bus模塊,其通訊方式為Lightbus總線。由于運行時間久導(dǎo)致故障頻發(fā),并且由于技術(shù)陳舊查找故障點較為困難,無法精準定位故障模塊,機艙的總線端子模塊后掛接58個模塊,發(fā)生故障后需要挨個排查,極大的增加了故障診斷的工作量,嚴重影響機組運行。隨技術(shù)不斷更新進步,早期K-bus模塊落后的功能,已遠遠不能完全滿足現(xiàn)今風(fēng)力發(fā)電機組的技術(shù)要求。
(1)電磁兼容問題:隨著電子器件的逐漸老化、線路可能破損,控制柜內(nèi)可能出現(xiàn)電磁干擾問題。但是原設(shè)計中電器設(shè)計電磁兼容性不夠高,不能應(yīng)對復(fù)雜的電磁環(huán)境,并且在初期設(shè)計時K-bus模塊沒有增加總線防浪涌模塊和信號防雷等。
(2)環(huán)境適應(yīng)問題:因為風(fēng)電場一般都處于人煙稀少,特殊氣候條件惡劣環(huán)境下,最低環(huán)境溫度能達到零下30攝氏度。而且,由于風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計原因,控制柜內(nèi)溫度在運行時也會達到零度以下。然后,K-bus模塊的運行溫度范圍在0~55℃,已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場運行條件。在低溫下模塊會出現(xiàn)不可預(yù)計狀態(tài),導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組故障停機。
(3)模塊問題:K-bus模塊缺乏單個模塊故障診斷功能,只能通過前端EtherCAT總線端子耦合模塊(E-bus模塊)判斷隨后的K-bus模塊是否出現(xiàn)問題。但是,機艙的總線端子模塊后掛接大量的信號輸入、輸出等模塊,極大地增加了故障診斷的工作量,給風(fēng)電場運維人員帶來諸多不便。
(4)后期機組維護困難問題:技術(shù)陳舊的模塊目前各個公司采購困難,機組發(fā)生故障后,等待備件時間長,極大地影響了風(fēng)電場的發(fā)電量。
為了提高老舊機型的運行水平,為保證被改造風(fēng)電機組的安全,減少對機組發(fā)電量的影響,同時使改造具有一定的先進性和系統(tǒng)內(nèi)的示范性,特確定以下改造原則:
(1)盡量縮小改造范圍,利用系統(tǒng)原有部件,縮短改造時間,使改造費用科學(xué)合理;
(2)針對風(fēng)力發(fā)電機組運行中的主要問題進行針對性修改;
(3)改造的核心控制器件通用性和擴展性強,技術(shù)上選用目前先進產(chǎn)品,采購上保證硬件有多家供應(yīng)商可供選擇。在不脫離原有電氣設(shè)計的基礎(chǔ)上,現(xiàn)提出將倍福K-Bus模塊升級為E-Bus模塊的方案。并且為利用原有線路、保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和方便后續(xù)的維護工作,針對原K-bus模塊型號特點,選用接線基本一致的E-bus模塊型號進行替換。
塔底有一個PLC主站,一個BOX 5從站。BOX 5主要控制塔底柜上按鈕、塔底風(fēng)扇、變頻器通訊的干接點等。BOX 5通過光纖交換機,到機艙上的BOX 6從站?;旧蠙C艙所有輔機控制功能都在BOX 6從站上實現(xiàn)。所以,BOX 6上接有58個模塊。由于一個從站上模塊過多,出現(xiàn)問題的概率最大。如果無法準確定位故障位置,則需要花費大量的時間去排查故障根源。
由于變頻器干接點通訊在變頻器改造后并未使用,機艙通訊串口模塊6021在改造前也一直未使用。同時通過現(xiàn)場考察實際柜內(nèi)接線情況,初步確定改造內(nèi)容如下:
(1)更換現(xiàn)有的倍福KL模塊為倍福EL模塊。模塊安全等級,接線方式,模塊位置和接線基本不變。
(2)更換總線耦合端子BK1120為EK1100;去除塔底模塊(16AO1 KL4022;16AO3 KL4022;16DI5KL1304;17DI1 KL1304;19AI0 KL3042;21ST1 KL9110;21DO3KL2012;21DO5 KL2012;21DO7 KL2012;22DO1 KL2012);去除機艙模塊(29CO1 KL6021)。
(3)在BOX6從站模塊的供電方面,增加防浪涌模塊EL9550。同時,E-bus需要增加總線供電模塊EL9400。
(4)在UPS 24V供電部分增加24V防雷模塊。
(5)根據(jù)模塊損壞頻率,在對應(yīng)回路上增加電器隔離。
(1)選用倍福公司已經(jīng)推出E-bus模塊因為可以完全替代K-bus模塊,和其他不需改造的模塊兼容性好,通訊方式更改為EtherCAT總線方式,其通信速度更快,抗干擾能力更強?,F(xiàn)在所有使用倍福產(chǎn)品的風(fēng)力發(fā)電機組控制廠家基本只選用E-bus模塊,K-bus模塊已經(jīng)到了逐漸被替代的階段。
(2)EtherCAT技術(shù)實現(xiàn)了斷點檢測;連續(xù)的線纜質(zhì)量測量能夠精確定位傳輸錯誤;一代邏輯診斷域等功能,實現(xiàn)故障快速定位。有利于節(jié)約故障處理時間,提高風(fēng)力發(fā)電機組運行效率。
(3)E-bus模塊的抗干擾能力能強,優(yōu)化的控制和通訊架構(gòu)實現(xiàn)極高性能。高速的數(shù)字量和模擬量 I/O,使用時間戳和超采樣功能可以實現(xiàn)極高的定時分辨率(10ns)。為了考慮到總線上的浪涌保護,可以在供電回路添加防浪涌模塊。如果考慮雷擊導(dǎo)致傳感器串入高壓,可以在電氣回路上添加對應(yīng)的防雷模塊等電氣設(shè)計的改造。
(4)E-bus模塊的運行溫度范圍在-25~60℃。非常適合風(fēng)電場所處的特殊氣候條件地形,E-bus模塊能正常運行。
陳舊的技術(shù)會極大地影響風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電量,增加故障率的同時還影響故障處理時間,導(dǎo)致故障多發(fā)故障時間長,通過模塊升級改造后可提高故障診斷能力,降低故障處理時間,降低故障率,提高風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電量。此方法也可推廣至其他使用倍福模塊風(fēng)力發(fā)電機組上。
[1]霍志紅.風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2010.
[2]王春.風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)及仿真[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2016.
苗寶平(1982-),男,內(nèi)蒙古人,大學(xué)本科,工程師,主要研究方向:自動化。