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1.前言
我國風電裝機容量已經達到3億千瓦，與此同時，風電檢修和維護管理粗放，運維成本高昂且效率低下的狀況成為不爭的事實[1]。
有些早期的變槳系統技術方案不成熟，維護要求嚴格， 備件獲取困難，故障率高，故障停機時間長，惡性炸機故障頻發，是影響風場運營效益的主要因素之一。某整機廠直流變槳系統故障排在風機所有故障的第一位，占風機運行故障的40%以上[2]。本文基于對某型號直流變槳系統的深入分析，提出一種直流變槳系統改為交流變槳系統的方案（簡稱直改交方案），可以有效解決客戶的痛點。
2.變槳系統的技術特點與運維現狀
2.1 早期直流變槳系統的特點
直流變槳系統是使用直流電機及直流伺服驅動器作為核心部件的變槳控制系統[3]。包括系統控制器、變頻器、直流電機、后備電池組、充電機、開關電源以及其他配套設備組成。該系統曾被各家整機廠引入其電控系統，下圖為其典型的7柜系統簡圖。
圖1：1.5mw風電機組直流7柜變槳系統組成簡圖
直流變槳系統的特點是技術簡單，成本相對可控。缺點是集成度低，需維護部件多，如直流電機、鉛酸電池都需要定期維護，對維護工作的要求較高。
2.2 直流變槳系統的運維情況
目前已出質保的風機中，直流變槳系統的數量相對較多，尤其在2014-2015年出保的機組。直流變槳系統的運維情況大多故障頻發，機組利用率不高，風場效益尤其受變槳系統故障停機影響較大。下圖為一個典型風場A在2021年其全部118臺風機的變槳故障統計（某時間段），風場全部為直流變槳系統。
圖2：某風電場A半年變槳系統故障統計
下圖為其故障代碼的分類：
圖3：某風電場A半年變槳系統故障分類
下圖展示了其中幾個故障率高，價值比高的部件：
圖4：典型直流系統中故障較嚴重的主要部件
隨著部分變槳產品公司被并購及退出變槳市場，故障率偏高的早期變槳系統面臨著越來越大的技術支持問題，如變槳重大問題無人分析和解決; 高穿等技術改造無法實施；壞件維修困難，備件獲取困難，備件成本不斷增加等問題，給業主造成了長期的嚴重困擾。
2.3 交流變槳系統的特點
交流變槳系統，即使用交流調速技術的變槳系統，控制方式為交流矢量閉環控制，其特點如下：
技術成熟：交流變槳在風電領域已有10年以上的大規模應用。目前市場主流機型全部采用交流變槳技術，得到客戶的普遍認可。
集成度高：包括開關電源、充電機、信號監測、抱閘控制等主要功能集成到變槳驅動器，系統復雜度降低。
維護簡單：變槳系統內不再有需要定期維護的部件，系統故障監控，顯示界面完善，風場維護難度低。
成本低：相比直流系統，系統降減少件數量40%左右，線路減少60%左右，成本優勢明顯。
目前主流主機廠的技術路線，均為交流變槳系統。以下為某整機廠使用MICC品牌的PD-C620A-55驅動器組成的5mw變槳系統簡圖。
圖5：5MW風電機組3柜變槳系統組成簡圖
交流系統早已取代直流系統，成為風機變槳系統的主流。
3.直改交方案的設計
直改交方案需要從載荷設計，物料選型，通信與控制，安裝，施工可行性，系統可靠性，經濟性幾個方面綜合考慮，并以可靠性與經濟性為最主要指標進行評估。
載荷設計：根據風機載荷數據，選定電機的額定輸出扭矩、額定轉速、最大扭矩、制動器扭矩等，并考慮風場的低溫、防腐等特點。也可以參考原直流電機的額定扭矩、額定轉速等參數選定合適的電機。
物料選型：考慮業主的可維護性，主要物料應為風電市場主流品牌型號，如變槳伺服控制器、電機、后備電源等。除此之外用到的部件，除盡量保留原有部件外（評估無壽命損傷的），選取市場通用部件為主，且為主流品牌。
通信與控制：通信上以不改變原有主控控制策略為標準，變槳控制器（PLC或變槳伺服驅動器的二次開發程序）應兼容原有控制邏輯，控制信號以及反饋信號邏輯。
安裝：應盡量考慮兼容原有的結構設計，在原有的設計原則基礎上進行改動。由于交流系統本身的復雜度遠小于直流系統，所以系統組成部件會遠遠少于直流系統，技改后部件的安裝幾乎不成問題。
施工可行性：采取小部件集成的方式，減小單件重量，易維護施工，難度低，適合推廣。在輪轂內施工，不需要使用吊車，受天氣影響小。
經濟性：盡量保留原有系統的可靠性高的部件，以節約成本，如結構部件、開關與配電、浪涌防雷、PLC、電纜等。而原系統中可靠性較低的部件盡量拆除，如接觸器、電池、通信線路、電壓電流等檢測模塊、二極管功率模塊、充電機等等。
直改交方案的核心部件由控制器、變槳伺服驅動器、交流變槳電機及超級電容組成，如下圖所示：
圖6：直改交系統主要部件組成
主要部件的技術參數：
以上主要部件的技術指標，以原系統載荷需求為基礎，參考目前主流的交流變槳系統設計要求。
4.電氣原理設計
直改交方案的電氣原理設計，需評估原有系統的使用情況。其部分部件的可靠性仍具有較高的水平，如配電回路、防雷回路、控制線路、通信線路等。
變槳系統與上位機24V控制接口應保持邏輯的一致性，如下圖所示：
圖7：變槳系統與主控的24V控制信號定義
變槳系統與上位機通信規約，以及線路規范應保持一致性，如下圖所示：
圖8：變槳系統與主控的通信回路
在保持上述2個控制回路不變的基礎上，實現交流系統的控制回路搭建。包括控制器與變槳伺服驅動器的控制回路與通信。以下為系統總示意圖：
圖9：直改交系統框架
中控柜原理設計：保留與外部接口相關的防雷部件及配電部件，并去掉多余的線路及控制部件。重新設計系統安全控制線路，不間斷供電等。
控制柜原理設計：保留400V供電，柜體上的負荷開關，加熱電路，制動電阻電路。增加的電路包括：與中控柜的通信、24V邏輯控制回路、柜內電機回路、邏輯控制等。
電池柜原理設計：保留配電接線部分，去掉鉛酸電池，替換為超級電容模組。
以上原理設計除面向主控的接口外，均可以參照目前主流機型的設計，并結合原有系統的接口、線路等進行合理利用，以達到為客戶節約成本的目的。
5.系統安全功能設計
變槳系統作為風機運行控制的核心系統，其安全性要求是必須考慮的，即直改交方案在提高可靠性，降低成本的同時，安全設計應達到或接近原有的設計指標。
5.1 安全鏈
在原直流系統設計中，當出現變槳系統故障時，變槳系統會將故障信息上傳至主控，由主控判斷故障級別，風機可以運行至停機位置，或斷開安全鏈，變槳系統切換至電池供電并進行緊急收槳。此過程將不受外界影響，不會中斷。
直改交方案的安全鏈方案是：變槳系統故障均由驅動器監控和判斷，系統安全鏈串聯至每個驅動器。如果任何一個驅動器發生故障（包括外部故障），則由當前驅動器斷開安全鏈，所有驅動器觸發緊急收槳，此過程不受外界影響，不會中斷。
相比直流變槳系統，直改交方案中，故障判斷以及觸發機制，均設計在變槳系統中，不再通過主控判斷；并且觸發緊急收槳時，是否使用電池供電由變槳驅動器根據電源情況進行判斷，在400V供電正常時，不再使用電池供電。經過時間的檢驗，這是一種可靠成熟的設計，并被廣泛應用。直改交安全鏈設計見下圖：
圖10：交流變槳系統安全鏈設計
5.2 后備電源
原直流變槳系統的后備電源，被設計為緊急收槳模式下的唯一供電電源。當風機由于各種因素導致故障率偏高時，會引起電池的使用頻率加大，同時造成壽命降低、故障率增加等惡性循環。
在直改交方案中，400V供電優先作為緊急收槳的電源，后備電源作為備用。當400V電源不足以支持系統運行（包括高低穿工況），電池才切入運行，將電池的使用頻率降到最低。這里強調的是，如果方案配置了鉛酸電池或其他電池，這種降低使用頻率的方式可以有效增加電池的壽命[4]。
在直改交方案中，除了緊急收槳機制的優化，后備電源也由鉛酸電池，改為超級電容模組。超級電容放電功率大，壽命長，溫度范圍寬等特點也更適合變槳的嚴酷環境。下圖為后備電源的外觀設計：
圖11：160F6F超級電容模組外觀設計
5.3 低穿/高穿
原直流系統在初始設計時，并不具備低穿/高穿功能。大部分風場在后期進行技改，完成電網適應性認證。而直改交方案中，伺服驅動器本身設計了低穿高穿的功能。
LVRT低電壓穿越實現方式是：變槳伺服驅動器內部可以檢測400V供電電壓，并在母線低于后備電壓時（450V），切入后備電源供電。此過程在驅動器內實現，可以做到無縫銜接。當低穿超時，系統報故障開始進行緊急收槳，風機停機至安全位置。
HVRT高電壓穿越實現方式是：變槳伺服驅動器內部對電路進行高耐壓設計，可以承受130%額定電壓穩定運行，超出130%時關閉整流電路。此時母線電壓會迅速降低至后備電源電壓，并繼續運行。當高穿超時，系統報故障并開始緊急收槳，風機停機至安全位置。
直改交方案基于LVRT和HVRT功能的有機結合，實現連續電網故障穿越能力。
5.4 系統獨立性
直改交方案中，將3個軸彼此設計為冗余技術，即用于確保一路器件或系統失效時，另一路器件或系統仍能有效地執行所要求的功能[5]。實際設計中體現在各個軸柜的回路獨立性上，其設計要點如下：
各軸的電池電路獨立，充放電均來自變槳驅動器接口。
各軸的24V控制電路獨立，每個軸的電源來自驅動器的接口電源。
安全鏈信號隔離，與各個軸控制回路隔離。
主控信號與變槳系統信號隔離，包括風暴位置反饋信號，也與各個軸的回路隔離。
各個軸的手動控制信號獨立，且分別控制。
以上設計杜絕了因某一設備或系統失效導致的多個葉片同時不收槳的可能性。
5.5 其他功能
直改交方案中的其他重要功能，簡要列舉如下：
開環收槳策略：當編碼器故障時，系統可以在無編碼器信號情況下，收槳至安全停機位置。
多種后備電源適配策略：后備電源電壓200-450V，充電電流可調0.1-2.4A，可以適配超級電容，鋰電池，鉛酸電池等多種方案，配置更靈活。
后備電源容量測試功能，可實現遠程控制進行超級電容容量檢測，并通過通信上傳至主控。
后備電源測試功能，可實現遠程的后備電源緊急收槳測試，并在后備緊急收槳失敗時，切換回400V供電繼續收槳。
6.施工
直改交方案需在風場進行施工，為了降低施工難度，本方案選擇小部件安裝的方式，即所有部件均可以通過塔筒或風機自身配備的吊機實現轉運。施工限制條件與風場基礎維護相同。主要部件的重量，體積統計如下：
施工可能的風險及控制措施，應做好預案以應對突發事件。
7.技改效益分析
以某風場2020年直改交項目為例：技改前直流7柜變槳系統，技改后為直改交方案（電池保留原鉛酸電池）。項目實施前后各選取4個月故障統計進行對比，變槳故障總數由1606次減少到26次，故障率占比由51.61%降低到2.26%，由此可看出故障數量下降到非常低的水平，基本能夠反映直改交方案的效益。
