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1.前言
我国风电装机容量已经达到3亿千瓦，与此同时，风电检修和维护管理粗放，运维成本高昂且效率低下的状况成为不争的事实[1]。
有些早期的变桨系统技术方案不成熟，维护要求严格， 备件获取困难，故障率高，故障停机时间长，恶性炸机故障频发，是影响风场运营效益的主要因素之一。某整机厂直流变桨系统故障排在风机所有故障的第一位，占风机运行故障的40%以上[2]。本文基于对某型号直流变桨系统的深入分析，提出一种直流变桨系统改为交流变桨系统的方案（简称直改交方案），可以有效解决客户的痛点。
2.变桨系统的技术特点与运维现状
2.1 早期直流变桨系统的特点
直流变桨系统是使用直流电机及直流伺服驱动器作为核心部件的变桨控制系统[3]。包括系统控制器、变频器、直流电机、后备电池组、充电机、开关电源以及其他配套设备组成。该系统曾被各家整机厂引入其电控系统，下图为其典型的7柜系统简图。
图1：1.5mw风电机组直流7柜变桨系统组成简图
直流变桨系统的特点是技术简单，成本相对可控。缺点是集成度低，需维护部件多，如直流电机、铅酸电池都需要定期维护，对维护工作的要求较高。
2.2 直流变桨系统的运维情况
目前已出质保的风机中，直流变桨系统的数量相对较多，尤其在2014-2015年出保的机组。直流变桨系统的运维情况大多故障频发，机组利用率不高，风场效益尤其受变桨系统故障停机影响较大。下图为一个典型风场A在2021年其全部118台风机的变桨故障统计（某时间段），风场全部为直流变桨系统。
图2：某风电场A半年变桨系统故障统计
下图为其故障代码的分类：
图3：某风电场A半年变桨系统故障分类
下图展示了其中几个故障率高，价值比高的部件：
图4：典型直流系统中故障较严重的主要部件
随着部分变桨产品公司被并购及退出变桨市场，故障率偏高的早期变桨系统面临着越来越大的技术支持问题，如变桨重大问题无人分析和解决; 高穿等技术改造无法实施；坏件维修困难，备件获取困难，备件成本不断增加等问题，给业主造成了长期的严重困扰。
2.3 交流变桨系统的特点
交流变桨系统，即使用交流调速技术的变桨系统，控制方式为交流矢量闭环控制，其特点如下：
技术成熟：交流变桨在风电领域已有10年以上的大规模应用。目前市场主流机型全部采用交流变桨技术，得到客户的普遍认可。
集成度高：包括开关电源、充电机、信号监测、抱闸控制等主要功能集成到变桨驱动器，系统复杂度降低。
维护简单：变桨系统内不再有需要定期维护的部件，系统故障监控，显示界面完善，风场维护难度低。
成本低：相比直流系统，系统降减少件数量40%左右，线路减少60%左右，成本优势明显。
目前主流主机厂的技术路线，均为交流变桨系统。以下为某整机厂使用MICC品牌的PD-C620A-55驱动器组成的5mw变桨系统简图。
图5：5MW风电机组3柜变桨系统组成简图
交流系统早已取代直流系统，成为风机变桨系统的主流。
3.直改交方案的设计
直改交方案需要从载荷设计，物料选型，通信与控制，安装，施工可行性，系统可靠性，经济性几个方面综合考虑，并以可靠性与经济性为最主要指标进行评估。
载荷设计：根据风机载荷数据，选定电机的额定输出扭矩、额定转速、最大扭矩、制动器扭矩等，并考虑风场的低温、防腐等特点。也可以参考原直流电机的额定扭矩、额定转速等参数选定合适的电机。
物料选型：考虑业主的可维护性，主要物料应为风电市场主流品牌型号，如变桨伺服控制器、电机、后备电源等。除此之外用到的部件，除尽量保留原有部件外（评估无寿命损伤的），选取市场通用部件为主，且为主流品牌。
通信与控制：通信上以不改变原有主控控制策略为标准，变桨控制器（PLC或变桨伺服驱动器的二次开发程序）应兼容原有控制逻辑，控制信号以及反馈信号逻辑。
安装：应尽量考虑兼容原有的结构设计，在原有的设计原则基础上进行改动。由于交流系统本身的复杂度远小于直流系统，所以系统组成部件会远远少于直流系统，技改后部件的安装几乎不成问题。
施工可行性：采取小部件集成的方式，减小单件重量，易维护施工，难度低，适合推广。在轮毂内施工，不需要使用吊车，受天气影响小。
经济性：尽量保留原有系统的可靠性高的部件，以节约成本，如结构部件、开关与配电、浪涌防雷、PLC、电缆等。而原系统中可靠性较低的部件尽量拆除，如接触器、电池、通信线路、电压电流等检测模块、二极管功率模块、充电机等等。
直改交方案的核心部件由控制器、变桨伺服驱动器、交流变桨电机及超级电容组成，如下图所示：
图6：直改交系统主要部件组成
主要部件的技术参数：
以上主要部件的技术指标，以原系统载荷需求为基础，参考目前主流的交流变桨系统设计要求。
4.电气原理设计
直改交方案的电气原理设计，需评估原有系统的使用情况。其部分部件的可靠性仍具有较高的水平，如配电回路、防雷回路、控制线路、通信线路等。
变桨系统与上位机24V控制接口应保持逻辑的一致性，如下图所示：
图7：变桨系统与主控的24V控制信号定义
变桨系统与上位机通信规约，以及线路规范应保持一致性，如下图所示：
图8：变桨系统与主控的通信回路
在保持上述2个控制回路不变的基础上，实现交流系统的控制回路搭建。包括控制器与变桨伺服驱动器的控制回路与通信。以下为系统总示意图：
图9：直改交系统框架
中控柜原理设计：保留与外部接口相关的防雷部件及配电部件，并去掉多余的线路及控制部件。重新设计系统安全控制线路，不间断供电等。
控制柜原理设计：保留400V供电，柜体上的负荷开关，加热电路，制动电阻电路。增加的电路包括：与中控柜的通信、24V逻辑控制回路、柜内电机回路、逻辑控制等。
电池柜原理设计：保留配电接线部分，去掉铅酸电池，替换为超级电容模组。
以上原理设计除面向主控的接口外，均可以参照目前主流机型的设计，并结合原有系统的接口、线路等进行合理利用，以达到为客户节约成本的目的。
5.系统安全功能设计
变桨系统作为风机运行控制的核心系统，其安全性要求是必须考虑的，即直改交方案在提高可靠性，降低成本的同时，安全设计应达到或接近原有的设计指标。
5.1 安全链
在原直流系统设计中，当出现变桨系统故障时，变桨系统会将故障信息上传至主控，由主控判断故障级别，风机可以运行至停机位置，或断开安全链，变桨系统切换至电池供电并进行紧急收桨。此过程将不受外界影响，不会中断。
直改交方案的安全链方案是：变桨系统故障均由驱动器监控和判断，系统安全链串联至每个驱动器。如果任何一个驱动器发生故障（包括外部故障），则由当前驱动器断开安全链，所有驱动器触发紧急收桨，此过程不受外界影响，不会中断。
相比直流变桨系统，直改交方案中，故障判断以及触发机制，均设计在变桨系统中，不再通过主控判断；并且触发紧急收桨时，是否使用电池供电由变桨驱动器根据电源情况进行判断，在400V供电正常时，不再使用电池供电。经过时间的检验，这是一种可靠成熟的设计，并被广泛应用。直改交安全链设计见下图：
图10：交流变桨系统安全链设计
5.2 后备电源
原直流变桨系统的后备电源，被设计为紧急收桨模式下的唯一供电电源。当风机由于各种因素导致故障率偏高时，会引起电池的使用频率加大，同时造成寿命降低、故障率增加等恶性循环。
在直改交方案中，400V供电优先作为紧急收桨的电源，后备电源作为备用。当400V电源不足以支持系统运行（包括高低穿工况），电池才切入运行，将电池的使用频率降到最低。这里强调的是，如果方案配置了铅酸电池或其他电池，这种降低使用频率的方式可以有效增加电池的寿命[4]。
在直改交方案中，除了紧急收桨机制的优化，后备电源也由铅酸电池，改为超级电容模组。超级电容放电功率大，寿命长，温度范围宽等特点也更适合变桨的严酷环境。下图为后备电源的外观设计：
图11：160F6F超级电容模组外观设计
5.3 低穿/高穿
原直流系统在初始设计时，并不具备低穿/高穿功能。大部分风场在后期进行技改，完成电网适应性认证。而直改交方案中，伺服驱动器本身设计了低穿高穿的功能。
LVRT低电压穿越实现方式是：变桨伺服驱动器内部可以检测400V供电电压，并在母线低于后备电压时（450V），切入后备电源供电。此过程在驱动器内实现，可以做到无缝衔接。当低穿超时，系统报故障开始进行紧急收桨，风机停机至安全位置。
HVRT高电压穿越实现方式是：变桨伺服驱动器内部对电路进行高耐压设计，可以承受130%额定电压稳定运行，超出130%时关闭整流电路。此时母线电压会迅速降低至后备电源电压，并继续运行。当高穿超时，系统报故障并开始紧急收桨，风机停机至安全位置。
直改交方案基于LVRT和HVRT功能的有机结合，实现连续电网故障穿越能力。
5.4 系统独立性
直改交方案中，将3个轴彼此设计为冗余技术，即用于确保一路器件或系统失效时，另一路器件或系统仍能有效地执行所要求的功能[5]。实际设计中体现在各个轴柜的回路独立性上，其设计要点如下：
各轴的电池电路独立，充放电均来自变桨驱动器接口。
各轴的24V控制电路独立，每个轴的电源来自驱动器的接口电源。
安全链信号隔离，与各个轴控制回路隔离。
主控信号与变桨系统信号隔离，包括风暴位置反馈信号，也与各个轴的回路隔离。
各个轴的手动控制信号独立，且分别控制。
以上设计杜绝了因某一设备或系统失效导致的多个叶片同时不收桨的可能性。
5.5 其他功能
直改交方案中的其他重要功能，简要列举如下：
开环收桨策略：当编码器故障时，系统可以在无编码器信号情况下，收桨至安全停机位置。
多种后备电源适配策略：后备电源电压200-450V，充电电流可调0.1-2.4A，可以适配超级电容，锂电池，铅酸电池等多种方案，配置更灵活。
后备电源容量测试功能，可实现远程控制进行超级电容容量检测，并通过通信上传至主控。
后备电源测试功能，可实现远程的后备电源紧急收桨测试，并在后备紧急收桨失败时，切换回400V供电继续收桨。
6.施工
直改交方案需在风场进行施工，为了降低施工难度，本方案选择小部件安装的方式，即所有部件均可以通过塔筒或风机自身配备的吊机实现转运。施工限制条件与风场基础维护相同。主要部件的重量，体积统计如下：
施工可能的风险及控制措施，应做好预案以应对突发事件。
7.技改效益分析
以某风场2020年直改交项目为例：技改前直流7柜变桨系统，技改后为直改交方案（电池保留原铅酸电池）。项目实施前后各选取4个月故障统计进行对比，变桨故障总数由1606次减少到26次，故障率占比由51.61%降低到2.26%，由此可看出故障数量下降到非常低的水平，基本能够反映直改交方案的效益。
