施濤濤：關于老舊風機控制系統提質增效改造

2023年10月16日-19日，2023北京國際風能大會暨展覽會（CWP2023）在北京如約召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京，聚焦中國能源革命的未來。

本屆大會以“構筑全球穩定供應鏈 共建能源轉型新未來”為主題，將歷時四天，包括開幕式、主旨發言、高峰對話、創新劇場以及關于“全球風電產業布局及供應鏈安全”“雙碳時代下的風電技術發展前景”“國際風電市場發展動態及投資機會”“風電機組可靠性論壇”等不同主題的21個分論壇。能見App全程直播本次大會。

10月19日上午，恒豐賽特實業（上海）有限公司資深大客戶經理施濤濤在風電機組優化升級專題論壇上發表題為《關于老舊風機控制系統提質增效改造》的主題演講。

以下為發言全文：

各位風電同仁早上好，恒豐賽特是一家集中于技術研發、設計、生產、銷售與高新技術企業。我們公司總部在上海浦東張江高科，生產基地在四川綿陽。主要在前端是為整機廠家做一些電控系統的配套，主要是主控和變槳，后市場做一些提質增效的改造，我是專業做主控和變槳的技改，今天就介紹一下我們公司和整機廠家的合作。

我演講的課題分為四個方面，是背景介紹、執行情況、改造效果、客戶的滿意度。

這是國內一個小的整機廠家，是他自己把原來的風機收回來了，他原來早期都是用的國外的控制系統，主控和變槳都是的，它也是第一次進行國產化的改造。本次改造幫他解決主控和變槳系統，被國外卡脖子問題，我們有效的幫他們規避了風險。他們在生產過程中之前都是運用的這套國外系統，運行過程中代碼要重復修改，核心代碼沒有到他們手里，部分算法都是掌握在國外工程師手里，不能滿足后續的服務。在變槳系統當中，變槳電機頻繁的損壞，角度，部分變槳有一些原因沒有辦法解決，極大的影響了現場調試和并網的穩定性。我們跟他整機合作，把這個主控唯一被動的局面打破了。恒豐賽特的代碼可以給這個整機廠家開放的，我們讓他們來學習整個程序的控制邏輯，彌補這個軟件技術層面的空缺，避免被國外整機廠家卡脖子。我們通過對原用國外變槳系統軟件、硬件整體的替換，可以有效解決整個變槳系統質量問題，提高整機運行的穩定性。

這是我們公司拿到項目之后一個整體的流程，剛剛幾位整機廠家也說了，在安全有效的基礎上才可以改，首先我們到風場之后由項目經理會到現場勘察之后，會拿到一些整機的資料，分為下面的幾個小組一起來做這個事情。第一個技術支持組，會把整機廠家跟我們合作的風機模型、其他部件大致的數據都會給到我們，我們通過整機載荷自己運算之后才會做下一步的整機改造方案。首先第一個是數據的核算，第二個是現場研發會做一個評估報告，第三個會提供國產化改造的要求、機組各項數據收集、機組的施工。

這是準備階段實施的過程，分為準備階段、研發階段、實施階段、驗證階段、技術支持與服務。我們會把近幾年客戶的輸入、風場運行數據，到現場實際的考察、風機機組機械、尺寸、需求、訂單協議。第二是到研發改造整體方、電器原理圖、控制、風機載荷、控制系統、用戶手冊、軟件仿真和測試、測試。下面是實施階段，樣機的安裝、接線檢查、安全電測試，業主整機廠商現場培訓。最終風場調試測試報告，這是功率曲線的驗證、可利用率、可負載驗證，最后是全方位后面的技術支持。

這是執行情況，圖中是機艙的觸摸屏，原來是老式的黑屏，我們給它改為一個全觸摸的彩屏，字面都是中文顯示，以及是英文，方便業主的維護操作。這是我們自己知識產權推出的控制策略，第一個通過自適應偏航來消除偏航的誤差，第二個是功率曲線控制的Knee Booster的拐點，第三是最優風能的能量捕獲，第四個是智能電功率的提升，最后是陣風控制。

第一個是PR邏輯，主要原理是將SCADA，風機的相對角、風向、功率、風速等進行數字上傳到服務器，采用特定的算法數據上傳，并下發風機的偏航指令，在不同的工況下找到最優的PR角度，從而能提升發電量。第二個是老舊機組余量的提升，大家知道早期是1.5MW，特別是一些雙饋的機組設計余量還是比較大。我們通過這個余量，通過現場實時風況對比，從而達到提升發電量的目的。第三個是Knee Booster的拐點變化，我們從應用動態控制算法優化變速段跟橫速段的切換控制，使風機盡可能在最優轉速上提升功率曲線拐點處的功率輸出。最后是一個最佳風能的捕獲，最佳CP值的控制算法是基于風機模型并結合PI控制，通過實時微調槳葉追求最佳風能的CP值，提供在低風速下最佳效果。這是在線自動補償和最優變槳參數的實時安裝和安裝偏差。這個是新增風速的控制功率槳角的功能，快速的跟蹤風速變化，并使最大風能轉化成效率，增加發電量。這個是陣風控制，大范圍變化導致風機航向不能正向偏功，可能正常一段風過來的時候動作是幾秒，如果來了一陣陣風之后，控制邏輯就要相對的變化，我們會增加偏航的速度，風機不能有效的損失發電量，我們采用陣風的控制來捕獲它的風向和風速。

這是變槳系統，把原來直流七柜改成交流的變槳方案，這是我們列舉了以前的方案，跟新方案的一個對比。以前七柜技術比較落后，故障率比較高，嚴重影響了整個機組的發電量，驅動器故障率也是比較高，它的功能比較單一，備件價格比較昂貴，直流電機在緊急旋轉的時候對整個機組的沖擊載荷還是比較大的，柜類的器件比較多，電氣回路比較復雜，業主處理故障還要帶著電機圖紙慢慢去測。蓄電池的成本也比較高，壽命比較短，我們就把它換成主流的交流變槳方案，性價比高，認可度高。用的主流的交流的驅動器，把CPU、開關電源、充電器全部集合在一起，可靠性高。電機換成永磁同步，控制還是比較準確，器件少，電氣回路簡單，故障點少，便于維護。超級電容量壽命比較長，具備檢測功能的能力，柜體結構緊湊，接口配置靈活?，F在市場上是分為兩種，一種從后面機艙，先測量一下輪轂的距離，如果尺寸能夠的話，我們是測量能放得下，就不用把變槳整體替換，就在里面改。如果有的變槳尺寸不夠，我們就把它從后面吊上來，整體把它替換掉。

早期投運機組直流變槳系統故障率高，因為我們這次改的風場變槳故障率占20%以上，其中編碼器、電機、電池、充電器、驅動器、變槳PLC都是主要的故障點，同時在造成風機機組燒機、倒機安全中，變槳無法收槳，造成事故是占到最大比例，因此變槳的安全穩定對風電機組期安全穩定運行，保證可利用率提升發電量起到一個至關重要的作用。

這個是早期直流變槳存在的問題點，鉛酸電池的溫度性比較差，無均衡和故障保護單元，故障率高，電網失電條件下的緊急收槳有安全風險。直流電機內置編碼器故障率比較高，碳刷需要定期維護，直流變槳系統電機設計是比較復雜的，回路耦合繁瑣，機械數量多，故障率比較高，直流變槳在自主安全收槳上不夠完善，往往需要通過滑環主控發命令，像24V短路之后不給它發命令，槳葉不能收回，從而就造成剛剛說的安全事故。直流變槳在投入運行中，隨著電子元器件的老化，故障率也是比較高，維護成本隨之升高。

這個是我們用的變槳解決方案，吊裝條件可以選擇保留或者是整體替換，我們使用三合一集成式的驅動器帶動原來直流方案，使用永磁同步電機替代原直流電機，IP等級高，免維護。使用超級電容，更換原來的鉛酸電池，優化變槳系統安全回路設計，在軟件上保證變槳同步安全收槳，手動變槳互鎖功能。同時只允許一個槳葉處于非安全位置當中，其他兩只槳葉調了之后是不能動的，能提高風槳機組安全性，大幅度降低變槳系統故障率，減少小風機停留時間和運維成本，大幅度減少風電變槳的備件采購周期的成本，改造下來原來的直流變槳物料可以作為未來改造。有的時候我們跟業主去做，這一批的改造資金不夠，我們先通過改個五臺、十臺，剩下可以當做后面變槳的備品備件。

這是一個國產化的SCADA監控系統，從日志上可以看到分為環境監控、地圖監控、列表監控、風機數據監控。這是基于分布式設計的三層軟件架構，進行數據存儲和調用，配置是比較靈活的，可靠性高，架構是采用BS架構，兼容linus、windows、國產麒麟操作系統，支持平臺的跨越，支持Modbus/OPC、104、101、61850、FTP，基本上現在風電主流的通訊協議這個都可以接入。有秒級數據存儲查詢、互聯網前端的顯示技術，頁面比較友好，機組的快道、日志下載10分鐘10毫秒。這些數據都可以調得出來，風機現場可以接著入設備實時數據的監控，秒級數據存儲，聲光報警、歷史數據、日志、故障快照、數據兼容、統計報告的導出、用戶權限、用戶等級，機組通訊丟失數據場景的續傳，監控雙機熱備擴展功能。

這是改造后的功率曲線的對比，在同一時間比相鄰機組發電量有明顯的提升，提升了24%，在同一時間內相鄰機組的功率曲線明顯提升，改造后是優于前面的，相鄰機組、同比機組發電量統計的是30%，其中軟件優化占到8%，風機可利用率是22%。

最后我講一下改造之后能達到哪些要求，其中一些運算能力、儲存能力無法達到控制算法的要求，原來直流變槳的技術落后、故障點多、電氣回路復雜，后備蓄電池維護成本高、壽命短，我們主控改造之后，單臺風機軟件提升發電效率2%到4%的使用，同步配置控制算法，降低風機載荷，減少維護費用，延長風機使用壽命，新增日志快照，新增風場有功的AGC、AVC、風場的數據上傳，增加變流器信號的顯示和上傳，增加低壓穿越，高低壓穿越、一次調頻和慣量，新增風場滑網通訊，國產的SCADA，增加各種日志報表，以前都是國外的比較單一的，不能給業主做定制化的要求，新增機倉遠程操作界面，是可以遠程共享。變槳有更高級的控制算法，更高級的變槳跟蹤響應的速度，還有控制的精度，替換成更高的三合一交流的驅動器，性價比高，永磁同步電機，固定元器件少，電氣回路簡單，超級電容壽命長，具備容量的檢測，結構緊湊。謝謝大家！  

 （根據演講速記整理，未經演講人審核）