風力發電機組變槳剎車繼電器失效問題探究

申能新能源（青海）有限公司 趙 維 王 剛 侯海東

現今國內風力發電機組陸地裝機容量日趨飽滿，海上機組也在快速發展中，然而機組如何持續安全穩定的運行成了業內共同努力的目標。在風力發電機組變槳系統中，大部分機組的變槳系統采用變槳距的控制方式。該控制方式信號經由變槳控制柜進行指令的發送與匯總，并將信息通過光纖、PROFIBUS-DP等通訊方式經由塔上機艙柜送至塔下主控柜PLC主站模塊進行綜合處理，因此變槳系統的故障均需進行登塔處理，造成變槳系統導致的故障處理時間長、安全隱患多、發電量損失大、體力勞動頻繁等不利因素現狀。為盡可能減少以上不利因素帶來的影響，變槳系統的安全穩定運行顯得尤為重要。在對機組運行維護中也常出現由于變槳剎車繼電器失效，導致無法正常變槳。雖然問題發現與解決的較為及時，沒有讓事件進一步惡化發展，但這些問題的原因和改進措施值得我們去探究。

1 變槳剎車繼電器失效問題探究

某南方多個運行的風電場出現多臺機組變槳剎車繼電器失效不執行變槳指令的故障，甚至有單獨一個風場一個月內由此導致的故障多達50次，故障小時數高達216小時，嚴重影響該風場發電量指標的完成及日常工作的開展。

為更有效的對失效原因進行探究，對其中一個案例進行分析：2018年8月12日某南方風電場一臺機組在正常運行情況下突然故障停機，其故障及故障值分別為“1#變槳逆變器OK信號丟失/1”、“變槳安全鏈觸發/0”、“變槳位置比較偏差大/3.6”、“緊急！葉片未正常收回/1”。通過查看故障手冊可知其觸發邏輯為“三個葉片中任意兩個葉片位置的差值最大值的絕對值持續20ms大于等于3.5度”。了解到觸發邏輯后對故障數據進行分析。通過對故障文件檢索、篩選發現如表1，可看出“槳位置比較偏差大”故障真實被觸發，可將此故障作為四個故障中的主故障作為下一步分析的主要方向。

表1 故障觸發表

由圖1可看到1#葉片變槳位置數據在-10s到30s之間卡死，在故障后葉片位置始終保持在7.1度，且現場嘗試復位操作及手動變槳葉片均不能正常動作，首先通過經驗初步判斷故障可能點如下：剎車回路有電氣元器件損壞或線路開路；AC2損壞或缺相；充電器或超級電容損壞；旋轉編碼器損壞卡死；接發信號回路異常。結合以上可能問題點繼續對故障文件進行深入分析。

圖1 時間-葉片角度關系圖

如圖2可看出，當前變槳需求速度與電機接收變槳速度一致(由于變槳電機接收速度曲線（如圖綠色所示）與變槳需求速度曲線（如圖紅色所示）完全一致，導致變槳需求速度曲線被變槳電機接收速度曲線覆蓋（紅色曲線被綠色曲線覆蓋）)，可以判斷“接發信號回路異常”可能點排除，通過對圖三數據的觀察可看出旋轉編碼器采集數據連續性較好未出現跳變情況，可以初步判斷旋轉編碼器無異常。

圖2 時間-變槳接收、需求速度及實際速度關系圖

檢測發現超級電容電壓在79V～90V之間的正常范圍內（圖3），因此可排除可能點“充電器及超級電容損壞”。現場使用相序表對AC2相序進行測量發現相序表顯示“R”說明AC2相序顯示正常，由此排除可能點“AC2損壞或缺相”。至此僅有可能點“剎車回路有電氣元器件損壞或線路開路”未進行排除。因此現場對葉片1進行手動變槳嘗試觀察其剎車繼電器是否動作并松開葉片電磁剎車，在手動變槳嘗試過程中發現隨著手動變槳的進行，變槳電機的溫度在跟隨升高且未聽到剎車繼電器松開時的聲響。因此懷疑剎車繼電器損壞，對其進行更換后變槳恢復正常。

圖3 時間-電容電壓關系圖

2 解決方案

由于該問題為普遍性問題，使用該繼電器并出現同類問題的風場多在雨水較多或現場較潮濕的風場。因此對失效的繼電器進行分析發現其內部線路均未出現損壞，但其觸點部分多出現氧化以及銹蝕情況。因此判斷為其觸點部分在潮濕區域抗氧化性較差。那么解決方案有以下幾點：

現場存儲較多該型號的繼電器備件。現場機組一旦發生類似問題，第一時間予以更換并定期對全場該型繼電器進行更換（根據風場情況不同，每半年或3年進行一次全場更換）；對該型號繼電器觸點進行耐腐蝕改造，使其觸點具備較強的耐腐蝕、抗氧化能力；進行研發設計新型的適合潮濕區域的專用繼電器，要求該繼電器具備較好的防腐蝕及抗氧化性能并要求其具備密封性能，將內部敏感器件與外界進行隔離，進一步對內部敏感器件及觸點進行保護。

針對方案進行分析：方案一短期成本最低但長期需要承擔額外工作量和成本支出；方案二成本居中，但其僅對抗氧化能力進行加強延長使用壽命并未從根本上解決。隨著時間的推移很有可能再次出現批量爆發；方案成本最高，但其能最大程度的解決此類問題。針對方案進行分析后，考慮到該問題涉及范圍較廣、機組較多，因此決定同時采用方案二和方案三兩種方式同時進行可行性掛機實驗。

方案二：測試風電場環境。甘肅某濕度較低風電場（濕度低于40%），湖北某較濕潤風電場（濕度在40%～80%之間），云南某濕度較大風電場（濕度大于80%）；測試機組數量為不同濕度區域風電場分別掛機30臺；測試時長三個月。

方案三：測試風電場環境。甘肅某濕度較低風電場（濕度低于40%），湖北某較濕潤風電場（濕度在40%～80%之間），云南某濕度較大風電場（濕度大于80%）；測試機組數量為不同濕度區域分別掛機30臺；測試時長三個月。

按上述實驗條件的約束下，分別對方案二與方案三掛機實驗的風電場進行為期3個月的實驗觀察、記錄，實驗結果如下：30臺掛機機組中，除方案二在濕度較大區域（濕度大于80%）損壞3組、損壞率為10%外，其余機組無損壞，損壞率為0。實驗結果顯示，對較潮濕區域以下區域（全年最大濕度低于80%）可采用方案二的方式，這樣可保證解決該問題的同時成本支出較低。針對濕度較大區域需采用方案三的方式，使用新型的專用繼電器解決此類問題。最終通過這兩種技改方案，變槳剎車繼電器失效問題得到解決。

3 結語

由于絕大多數的風力發電機組變槳控制部分均位于數十米甚至數百米的高空中，其維護時存在安全隱患較大、體力勞動的強度較高等諸多缺陷，且由此會導致運營企業較高的人力、安全投入等成本的支出，因此著重減少變槳的故障頻次是各個風機廠商及業主共同努力的目標。