基于主控邏輯的風電機組葉片斷裂原因分析

黃權開， 盧成志， 洪志剛， 魏 超， 劉永生

（1.上海電力大學太陽能研究所，上海200090；2.華電電力科學研究院有限公司，杭州310030）

0 引 言

憑借我國豐富的風能資源優勢，風電在我國發展迅猛，裝機容量已居世界首位。但隨著風力發電裝機規模的不斷增大和機組運行時間的增長，我國風電領域也逐步暴露出大量問題。例如，風電行業安全事故突出（飛車倒塔、機艙著火），故障頻發（主傳動鏈機械設備故障率高、葉片斷裂、電氣設備故障），發電效率低（機組限負荷、功率曲線不達標、控制策略不適應風況）等。其中，葉片是捕獲風能使機組發電的重要部件，其主要材料為復合材料，制造成本占整機制造比重大，一旦發生嚴重故障，不僅對機組本身造成損害，還會帶來昂貴的維修、更換葉片費用和損失發電量，增加經濟壓力。另外，風電機組單機容量也不斷增大，而通過增加葉片長度，提高掃風面積的手段來實現機組容量提升的同時，也使得葉片損壞、斷裂概率加大。因此，準確分析葉片斷裂原因，對于預防和減少此類事故的發生有著重要經濟意義［1］。

當分析機組葉片斷裂原因時，通常會考慮是否為葉片制造質量問題、風速超過限值、失速、電氣故障或是否遭受雷擊等外部原因。劉文斌等［2］從雷擊、材料性能的角度對一風機葉片斷裂原因進行分析；李新凱等［3］對風機的防雷保護進行研究，提出一種風電葉片防護雷擊方案，希望提高風電機組面對雷擊時的安全性。在風機故障或事故的原因研究、分析工作中，繩曉玲等［4］基于轉子電流對葉輪不對稱故障進行分析，構建不對稱故障模型，進行仿真驗證，得出轉子電流中故障頻率與功率的關系。肖成等［5］對某風場所有機組1 a中發生的電控系統故障進行研究，總結了風機中各類型電控系統故障，采用小波分析和自適應分析方法對運行數據分析，并應用各指標對數據進行衡量。戴巨川［6］希望通過分析機組發生葉片斷裂事故時的動態載荷、機電耦合情況和風輪轉距、輸出電壓、功率等動態特性來優化風電機組的結構設計和相關控制策略。但是，某些機組的故障、事故原因并不明顯，也不是上述因素造成的。這時需要進一步分析機組的控制策略、系統控制保護邏輯是否存在不完善之處，來得出全面準確的結果。

從主控邏輯角度去分析事故原因，是因為我國正在發電運行的機組類型眾多，不同風電機組廠家對葉片運行的控制策略不同，采用的安全保護也不完全相同。當遇到極限風況、非正常操作時，在不同的保護邏輯下，機組會有不同的運行狀態，而葉片狀態也會受到影響，有可能會因此發生故障。同時，也有助于機組控制系統的設計［7-9］優化和提升仿真技術［10-11］，讓風電機組提升發電性能的同時保證安全、可靠運行。

本文提出從主控邏輯角度分析葉片斷裂根本原因的思路，有助于具體事故分析的進行，提出整改建議和技術上的提升。

1 機組運行模式與主控邏輯

風電機組的運行模式主要包括：停機模式、待機模式、偏航對風操作、系統自檢、空轉、啟動、并網運行、發電機高速待風模式、變槳操作，機組運行流程圖如圖1所示。

圖1 風電機組運行流程圖

由運行流程圖可知，機組的各個模式都需要滿足一定條件才能進行模式切換或返回。為了保證機組在各個運行模式下或者進行模式切換時都能安全運行，主控系統會根據控制邏輯來控制風電機組執行不同的動作。例如，當機組需要停機時，主控系統首先根據監測到的信號判斷機組由于哪種原因需要進入停機模式，再控制機組執行停機動作。正常停機時，機組收槳速度正常，發電機功率為零時脫網，高速軸剎車不激活；當發生電網故障時，發電機會立即網；因緊急／安全情停機時，收槳速度會提高，高速軸剎車也被激活，停機時間縮短。風電機組主控系統流程如圖2 所示。

圖2 風電機組主控系統流程示意圖

由圖2 可知，主控系統是風電機組控制系統的核心，需要調控整個控制系統的工作運行。其控制邏輯必須綜合考慮風速、功率、轉速等因素才能確保風電機組運行可靠，調控變流系統和變槳系統使機組實現最大風能捕獲穩定輸出功率，并實時監測著機組的運行狀態保護機組安全等。因此，主控邏輯的重要性不言而喻，為了讓正在運行的風電機組更安全高效不發生故障或嚴重事故，應當持續對系統進行優化或升級。例如，①根據實際運行情況不斷完善風機主控邏輯，風機的運行模式切換應綜合考慮風速、功率、轉速等因素；②優化機組保護邏輯，擴大轉速差保護的工作范圍（在機組開槳狀態下始終監測）或者增加機組風速-轉速，風速-功率不匹配等功能。

而在風電機組的事故類型中，占比較大的為葉片斷裂事故，對于無明顯的外部影響因素，事故的根本原因則較難判斷。為了能夠盡快得出事故的根本原因和對風電場進行安全隱患排查及時做好預防措施，分析人員將分析主控邏輯的思路考慮進去，從控制系統角度對此類事故展開分析，能及時有效地找出事故根本原因。

2 事故調查分析步驟

為了更好地明晰事故原因，在分析時應遵循以下幾點：

（1）及時對事故現場進行封鎖，調查事故概況并對事故現場拍照取證，記錄事件發生前后經過形成閉環。

（2）查閱風場文件：風電場設備臺賬、運行維護記錄等資料，排查檢修運維方面的原因。

（3）數據收集，SCADA系統監測的風電機組運行數據可以用于機組的故障檢測分析［12］和狀態監控［13-15］，盡可能收集事故機組及相鄰機組的SCADA秒級、毫秒級數據、故障列表等，為數據分析做支撐。

（4）收集機組圖紙、運行手冊（包含詳細的控制邏輯描述）、故障代碼等相關文件，用于查閱分析。

（5）根據收集的SCADA數據還原事件完整過程，結合相關文件資料進行事件原因分析。

3 風電機組葉片斷裂案例

3.1 葉片斷裂事故

某風電場一臺直驅型風電機組因系統報發電機主軸承溫度高，處于故障停機狀態，風場運維人員到達故障停機的風機現場時發現該風機葉輪已停止轉動，一個葉片已折斷，葉片碎片散落在塔基周圍，受損片纏繞在發電機側和機艙上。現場勘查發現，事故風機處于停機狀態；一個葉片從合模面處破裂，一半折斷散落在地面，另一半纏繞發電機一圈，葉片斷裂情況如圖3所示。

圖3 風機葉片斷裂情況圖

3.2 事件還原

該故障風機限功率、限轉速運行（因該風機頻繁報主軸承1 溫度高，運行人員將該機組轉速設定≤12 r／min運行，額定轉速為16.5 r／min）。風速在6.8 ～15.8 m／s區間變化，3 個葉片變槳動作一致。該風機多次報“主軸承1 溫度高”“主軸承1 溫度高停機”故障，期間經多次手動復位、手動停機操作。

通過事件記錄日志和SCADA 數據還原該風電機組運行狀態：

20：11 ：18.498 至20：11：20.246，瞬時風速為12.4 m／s，主控監測的輪轂轉速迅速下降，在2 s內從10.95 r／min下降至小于1 r／min，如圖4 所示。

圖4 輪轂轉速變化圖

20：11 ：18.637，機組事件日志顯示機組轉入“freewheel G1G1”（待風，快速重新并網）狀態。

20：11 ：18.657，機組轉入“freewheel G1”（待風，準備并網）狀態，此時主控監測輪轂轉速為5.74 r／min，變流器監測發電機轉速為12 r／min，如圖5 所示。

圖5 變流器監測的發電機轉速變化圖

20：11 ：19.252，瞬時風速為12.4 m／s，機組槳距角由9.3°開始減小，葉片逐漸開槳，如圖6 所示。

20：11 ：19.316 變流器監測的發電機轉速開始增大，并超出轉速限值12 r／min，發電機轉速上升為12.1 r／min。20：11：19.778，機組功率降為0；20：11：23.538槳距角減小至0°，葉片槳葉全開，分別見圖5、6。

20：11 ：26.518 變流器監測到發電機最大轉速19.8 r／min，隨后發電機轉速在19.8 ～1.5 r／min 之間跳變數次。

圖6 槳距角-功率變化

20：11 ：26.538 穩定至1.5 r／min（此時勵磁電流為零，風機失去勵磁，發電機定子無電壓，此后變流器監測不到轉速），見圖5。

20：11 ：57.570 機組報出“Emergency Pitching”（緊急順槳故障）。20：11：57.863 機組報出“Safety Input Signal Missing”（安全鏈輸入信號丟失）故障。

20：11 ：57.870 機組報出“Vibration”（振動開關動作）。20：11：57.890 機組報出“Safety chainopen”（安全鏈）斷開。

20：11 ：57.938 機組槳距角為0°，因機組報“Emergency Pitching故障”（緊急順槳故障），觸發安全鏈，機組執行緊急回槳程序，槳距角開始增大。

20：11 ：58.499 機組振動開始明顯加大，見圖4。

20：12 ：00.864 主控對輪轂轉速的監測突然恢復。

報出軟件超速故障311，此時輪轂轉速為29.31 r／min（軟超速定值為18.5 r／min，硬超速定值為22 r／min）。

20：12 ：00.969 主控監測輪轂轉速達到最大值33.13 r／min。20：12：00.990輪轂轉速為32.62 r／min，轉速開始快速下降。

20：12 ：01.170 報出超速繼電器故障320。

20：12 ：04.699 振動最大值0.39g，見圖4。

20：12 ：11.978 槳距角變為90.2°，葉片完全收槳，見圖5。

20：12 ：13.260 輪轂轉速降至0.95 r／min，見圖4。

3.3 事件原因分析

在進行現場勘查時并未發現葉片受到雷擊痕跡，機組沒有發生電氣故障，測風數據顯示風速未超限值，而葉片質量也難以判斷。因此根據SCDA后臺數據和機組運行手冊等相關資料對事故原因展開分析，具體分析如下。

20：11 ：18 前，風機葉輪轉速設定為≤12 r／min（因主軸承軸報溫度高）運行，3 支槳葉槳距角均在9.7°附近，發電功率為826 kW。

20：11 ：18.498 主控監測葉輪轉速從10.95 r／min迅速下降到0，根據機組控制邏輯，主控在葉輪轉速下降至7.5 r／min 后，風電機組狀態由發電轉入“freewheelG1G1”（待風，快速并網）模式，當葉輪轉速下降至7 r／min 后，由“freewheelG1G1”轉入“freewheelG1”（待風）模式。

在待風模式下，變流器轉入“停止”運行模式，準備脫網運行，功率設定值為0 kW，因此機組功率被置0。因風機在待風模式下，根據主控邏輯，將執行葉片開槳程序，在功率與槳距角對應關系圖與變流器待風模式與脫網模式的控制邏輯如圖7、8 所示。

圖7 機組待風模式下變流器的控制狀態

圖8 變流器脫網運行模式

因變流器功率為0，槳葉處于開槳狀態，導致葉輪實際轉速迅速上升（變流器監測轉速），變流器轉速與主控轉速形成剪刀差，如圖9 所示。

圖9 主控轉速-變流器轉速變化

機組控制邏輯顯示，當風機處于以下3 種狀態之一時，機組不會報出“302-（R）tacho defect”轉速不一致故障。①剎車；②風機未并網；③發電機和葉輪轉速均小于7，如圖10 所示。

此時機組未報“轉速不一致”故障的原因為：主控監測的葉輪轉速快速下降，風機進入“freewheelG1”（待風）狀態，風機未并網，符合上述條件②。

圖10 轉速差保護描述

圖11 槳距角-風速

輪轂轉速與變流器轉速出現差值，因變流器轉速是通過變流器機側頻率計算得出，可反映當時機組真實轉速。主控轉速通過滑環編碼器監測。可推測此時滑環編碼器轉速監測信號失真，機組保護未能及時動作，變流器監測的發電機轉速見圖4。

20：11 ：57.579 主控報出“emergency pitching”（緊急順槳故障），為首發故障，機組執行緊急收槳程序。判斷此時機組由于葉片開裂失衡導致變槳系統故障。“emergency pitching”（緊急順槳故障）的故障原因為至少一個變槳控制單元檢測到外部，緊急順槳保護描述如圖12 所示。

20：11 ：57.872 報出“vibration”（振動故障）是由機艙內擺錘振動傳感器觸發引起。由于此時主控和變流器無法監測機組實際轉速。推測此時由于葉輪失衡觸發擺錘動作（擺錘動作定值）。

圖12 緊急順槳保護描述

20：12 ：00 主控監測轉速突然恢復，顯示最高轉速達到33.1 r／min，見圖13。隨后報出軟件超速故障311 和超速繼電器故障320，見圖14 的事件日志。這兩個故障的判斷均需要依靠滑環編碼器信號，由此推斷此時滑環編碼器由于某種原因（例如機艙振動）恢復正常。

圖13 振動值-輪轂轉速

圖14 軟件超速故障和硬件超速故障

風機輪轂內裝有機械式轉速開關（硬超速保護定值為22 r／min），在轉速恢復之前應已達到定值，但未見機械保護動作記錄（未報安全鏈2 斷開），理論上應先報安全鏈2 斷開后報安全鏈1。

20：12 ：04.699 振動最大值0.39g，推測此時葉片與塔筒發生了撞擊（見圖13）。

事故最終原因分析如下：

（1）主控系統僅憑輪轂轉速一個變量切換機組運行狀態，造成機組狀態與實際工況不匹配，主控無法實行正確的安全保護策略。

（2）當機組進入待風狀態時，變流器功率被置“0”、并執行開槳命令，導致葉輪轉速迅速上升；同時在該狀態下，機組轉速差保護不會啟動。

（3）根據主控監測數據及超速繼電器未能及時動作（兩者信號均來自滑環編碼器），可推斷滑環編碼器失效導致轉速失真。

（4）滑環編碼器失效原因可能為編碼器本身質量問題、編碼器安裝問題（待進一步檢測后確認）。

（5）機組超速保護（軟、硬件超速）判斷依據單一，僅采用滑環編碼器轉速信號作為判斷依據，應對來自變流器監測的轉速及主控監測的轉速均進行判斷。

4 結 語

從系統主控邏輯是否完善的角度出發，提出基礎主控邏輯分析風電機組葉片斷裂故障原因的思路。然后具體分析一起風機葉片斷裂案例，結合機組故障時刻記錄數據與控制手冊進行原因分析，并得出以下結論：

（1）風電機組主控邏輯不完善最終導致了機組運行時發生葉片斷裂故障，是事故的根本原因。若主控邏輯能在之前進行完善或及時進行了系統的更新應能避免此次事故的發生。

（2）通過分析機組的控制邏輯快速準確分析出事故的根本原因并對風場提出整改建議，證明此思路是有效的，有助于類似事故的原因分析。