关于老旧风机控制系统提质增效改造

2023年10月16日-19日，2023北京国际风能大会暨展览会（CWP2023）在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京，聚焦中国能源革命的未来。

10月19日上午，恒丰赛特实业（上海）有限公司资深大客户经理施涛涛在风电机组优化升级专题论坛上发表题为《关于老旧风机控制系统提质增效改造》的主题演讲。

以下为发言全文：

各位风电同仁早上好，恒丰赛特是一家集中于技术研发、设计、生产、销售与高新技术企业。我们公司总部在上海浦东张江高科，生产基地在四川绵阳。主要在前端是为整机厂家做一些电控系统的配套，主要是主控和变桨，后市场做一些提质增效的改造，我是专业做主控和变桨的技改，今天就介绍一下我们公司和整机厂家的合作。

我演讲的课题分为四个方面，是背景介绍、执行情况、改造效果、客户的满意度。

这是国内一个小的整机厂家，是他自己把原来的风机收回来了，他原来早期都是用的国外的控制系统，主控和变桨都是的，它也是第一次进行国产化的改造。本次改造帮他解决主控和变桨系统，被国外卡脖子问题，我们有效的帮他们规避了风险。他们在生产过程中之前都是运用的这套国外系统，运行过程中代码要重复修改，核心代码没有到他们手里，部分算法都是掌握在国外工程师手里，不能满足后续的服务。在变桨系统当中，变桨电机频繁的损坏，角度，部分变桨有一些原因没有办法解决，极大的影响了现场调试和并网的稳定性。我们跟他整机合作，把这个主控唯一被动的局面打破了。恒丰赛特的代码可以给这个整机厂家开放的，我们让他们来学习整个程序的控制逻辑，弥补这个软件技术层面的空缺，避免被国外整机厂家卡脖子。我们通过对原用国外变桨系统软件、硬件整体的替换，可以有效解决整个变桨系统质量问题，提高整机运行的稳定性。

这是我们公司拿到项目之后一个整体的流程，刚刚几位整机厂家也说了，在安全有效的基础上才可以改，首先我们到风场之后由项目经理会到现场勘察之后，会拿到一些整机的资料，分为下面的几个小组一起来做这个事情。第一个技术支持组，会把整机厂家跟我们合作的风机模型、其他部件大致的数据都会给到我们，我们通过整机载荷自己运算之后才会做下一步的整机改造方案。首先第一个是数据的核算，第二个是现场研发会做一个评估报告，第三个会提供国产化改造的要求、机组各项数据收集、机组的施工。

这是准备阶段实施的过程，分为准备阶段、研发阶段、实施阶段、验证阶段、技术支持与服务。我们会把近几年客户的输入、风场运行数据，到现场实际的考察、风机机组机械、尺寸、需求、订单协议。第二是到研发改造整体方、电器原理图、控制、风机载荷、控制系统、用户手册、软件仿真和测试、测试。下面是实施阶段，样机的安装、接线检查、安全电测试，业主整机厂商现场培训。最终风场调试测试报告，这是功率曲线的验证、可利用率、可负载验证，最后是全方位后面的技术支持。

这是执行情况，图中是机舱的触摸屏，原来是老式的黑屏，我们给它改为一个全触摸的彩屏，字面都是中文显示，以及是英文，方便业主的维护操作。这是我们自己知识产权推出的控制策略，第一个通过自适应偏航来消除偏航的误差，第二个是功率曲线控制的Knee Booster的拐点，第三是最优风能的能量捕获，第四个是智能电功率的提升，最后是阵风控制。

第一个是PR逻辑，主要原理是将SCADA，风机的相对角、风向、功率、风速等进行数字上传到服务器，采用特定的算法数据上传，并下发风机的偏航指令，在不同的工况下找到最优的PR角度，从而能提升发电量。第二个是老旧机组余量的提升，大家知道早期是1.5MW，特别是一些双馈的机组设计余量还是比较大。我们通过这个余量，通过现场实时风况对比，从而达到提升发电量的目的。第三个是Knee Booster的拐点变化，我们从应用动态控制算法优化变速段跟横速段的切换控制，使风机尽可能在最优转速上提升功率曲线拐点处的功率输出。最后是一个最佳风能的捕获，最佳CP值的控制算法是基于风机模型并结合PI控制，通过实时微调桨叶追求最佳风能的CP值，提供在低风速下最佳效果。这是在线自动补偿和最优变桨参数的实时安装和安装偏差。这个是新增风速的控制功率桨角的功能，快速的跟踪风速变化，并使最大风能转化成效率，增加发电量。这个是阵风控制，大范围变化导致风机航向不能正向偏功，可能正常一段风过来的时候动作是几秒，如果来了一阵阵风之后，控制逻辑就要相对的变化，我们会增加偏航的速度，风机不能有效的损失发电量，我们采用阵风的控制来捕获它的风向和风速。

这是变桨系统，把原来直流七柜改成交流的变桨方案，这是我们列举了以前的方案，跟新方案的一个对比。以前七柜技术比较落后，故障率比较高，严重影响了整个机组的发电量，驱动器故障率也是比较高，它的功能比较单一，备件价格比较昂贵，直流电机在紧急旋转的时候对整个机组的冲击载荷还是比较大的，柜类的器件比较多，电气回路比较复杂，业主处理故障还要带着电机图纸慢慢去测。蓄电池的成本也比较高，寿命比较短，我们就把它换成主流的交流变桨方案，性价比高，认可度高。用的主流的交流的驱动器，把CPU、开关电源、充电器全部集合在一起，可靠性高。电机换成永磁同步，控制还是比较准确，器件少，电气回路简单，故障点少，便于维护。超级电容量寿命比较长，具备检测功能的能力，柜体结构紧凑，接口配置灵活。现在市场上是分为两种，一种从后面机舱，先测量一下轮毂的距离，如果尺寸能够的话，我们是测量能放得下，就不用把变桨整体替换，就在里面改。如果有的变桨尺寸不够，我们就把它从后面吊上来，整体把它替换掉。

早期投运机组直流变桨系统故障率高，因为我们这次改的风场变桨故障率占20%以上，其中编码器、电机、电池、充电器、驱动器、变桨PLC都是主要的故障点，同时在造成风机机组烧机、倒机安全中，变桨无法收桨，造成事故是占到最大比例，因此变桨的安全稳定对风电机组期安全稳定运行，保证可利用率提升发电量起到一个至关重要的作用。

这个是早期直流变桨存在的问题点，铅酸电池的温度性比较差，无均衡和故障保护单元，故障率高，电网失电条件下的紧急收桨有安全风险。直流电机内置编码器故障率比较高，碳刷需要定期维护，直流变桨系统电机设计是比较复杂的，回路耦合繁琐，机械数量多，故障率比较高，直流变桨在自主安全收桨上不够完善，往往需要通过滑环主控发命令，像24V短路之后不给它发命令，桨叶不能收回，从而就造成刚刚说的安全事故。直流变桨在投入运行中，随着电子元器件的老化，故障率也是比较高，维护成本随之升高。

这个是我们用的变桨解决方案，吊装条件可以选择保留或者是整体替换，我们使用三合一集成式的驱动器带动原来直流方案，使用永磁同步电机替代原直流电机，IP等级高，免维护。使用超级电容，更换原来的铅酸电池，优化变桨系统安全回路设计，在软件上保证变桨同步安全收桨，手动变桨互锁功能。同时只允许一个桨叶处于非安全位置当中，其他两只桨叶调了之后是不能动的，能提高风桨机组安全性，大幅度降低变桨系统故障率，减少小风机停留时间和运维成本，大幅度减少风电变桨的备件采购周期的成本，改造下来原来的直流变桨物料可以作为未来改造。有的时候我们跟业主去做，这一批的改造资金不够，我们先通过改个五台、十台，剩下可以当做后面变桨的备品备件。

这是一个国产化的SCADA监控系统，从日志上可以看到分为环境监控、地图监控、列表监控、风机数据监控。这是基于分布式设计的三层软件架构，进行数据存储和调用，配置是比较灵活的，可靠性高，架构是采用BS架构，兼容linus、windows、国产麒麟操作系统，支持平台的跨越，支持Modbus/OPC、104、101、61850、FTP，基本上现在风电主流的通讯协议这个都可以接入。有秒级数据存储查询、互联网前端的显示技术，页面比较友好，机组的快道、日志下载10分钟10毫秒。这些数据都可以调得出来，风机现场可以接着入设备实时数据的监控，秒级数据存储，声光报警、历史数据、日志、故障快照、数据兼容、统计报告的导出、用户权限、用户等级，机组通讯丢失数据场景的续传，监控双机热备扩展功能。

这是改造后的功率曲线的对比，在同一时间比相邻机组发电量有明显的提升，提升了24%，在同一时间内相邻机组的功率曲线明显提升，改造后是优于前面的，相邻机组、同比机组发电量统计的是30%，其中软件优化占到8%，风机可利用率是22%。

最后我讲一下改造之后能达到哪些要求，其中一些运算能力、储存能力无法达到控制算法的要求，原来直流变桨的技术落后、故障点多、电气回路复杂，后备蓄电池维护成本高、寿命短，我们主控改造之后，单台风机软件提升发电效率2%到4%的使用，同步配置控制算法，降低风机载荷，减少维护费用，延长风机使用寿命，新增日志快照，新增风场有功的AGC、AVC、风场的数据上传，增加变流器信号的显示和上传，增加低压穿越，高低压穿越、一次调频和惯量，新增风场滑网通讯，国产的SCADA，增加各种日志报表，以前都是国外的比较单一的，不能给业主做定制化的要求，新增机仓远程操作界面，是可以远程共享。变桨有更高级的控制算法，更高级的变桨跟踪响应的速度，还有控制的精度，替换成更高的三合一交流的驱动器，性价比高，永磁同步电机，固定元器件少，电气回路简单，超级电容寿命长，具备容量的检测，结构紧凑。谢谢大家！

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）