東汽1.5MW風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)開發(fā)研究

摘 要：隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行年限的增長，風(fēng)機(jī)設(shè)備普遍存在老化，長期運(yùn)行易造成風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)無法順利運(yùn)行勢必會(huì)對(duì)風(fēng)電場的正常運(yùn)行產(chǎn)生極為不利的影響，隨著時(shí)代的不斷發(fā)展和進(jìn)步，風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)設(shè)備可謂是越來越先進(jìn)，但是由于風(fēng)電場運(yùn)行環(huán)境惡劣，加之其他多種因素的影響和干擾，當(dāng)前某風(fēng)電場運(yùn)行10年的東汽1.5MW風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)回路在運(yùn)行期間出現(xiàn)了諸多缺陷和不足。為了更好地解決相關(guān)問題，優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，本文將對(duì)風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)與開發(fā)問題進(jìn)行研究和分析，希望能夠更好地優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，滿足社會(huì)的電力需求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);變槳系統(tǒng);回路;優(yōu)化

一、背景

東汽風(fēng)機(jī)槳葉在電池回槳的過程中，電池回槳回路的1R1泄流電阻因承受較大電流，使該泄流電阻溫度升高，其熱量釋放通道受限，導(dǎo)致周邊的元器件溫度上升，某些器件阻燃等級(jí)不夠，從而引起變槳系統(tǒng)中電路器件因溫度過高而燒壞，影響風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。該項(xiàng)目旨在對(duì)東汽風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)回路、1R1泄流電阻及相關(guān)電氣元件安裝的合理性進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，使1R1泄流電阻產(chǎn)生的熱能及時(shí)釋放，確保變槳系統(tǒng)各電氣元件安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性。

二、風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)缺陷原因分析

某風(fēng)電場東汽FD77B型機(jī)組已投運(yùn)10年，自2019年1月—2020年5月，該風(fēng)電場#2、#41、#47、#54、#61、#77、#103、#104等多臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)生因變槳控制柜中1R1泄流電阻未有效散熱，導(dǎo)致軸控柜內(nèi)臨近泄流電阻的各電氣元件受熱損壞，損壞情況如圖1所示：

經(jīng)現(xiàn)場檢查分析發(fā)現(xiàn)，元器件損壞風(fēng)機(jī)均處于非正常運(yùn)行狀態(tài)正常，具體問題原因如下：

第一，限位開關(guān)失效，這時(shí)槳葉會(huì)一直轉(zhuǎn)動(dòng)直到電池電壓降到不能使6K1吸合，由于運(yùn)行時(shí)間過長，后備電池釋放的能量大部分通過電池收槳回路釋放。導(dǎo)致6K1燒壞，甚至1R1發(fā)熱量過大燒壞臨近各電氣元器件，電機(jī)也會(huì)因長時(shí)間的超負(fù)荷工作燒壞。

第二，變槳減速器卡死或因6K2元器件損壞等原因引發(fā)剎車沒有打開，導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)，這時(shí)通過電機(jī)的電流會(huì)急劇增大，導(dǎo)致1R1的溫升急劇升高，從而燒壞旁邊的元器件。

1R1泄放電阻為波紋功率電阻，其額定電阻20歐，功率65瓦，在電池回路收槳的情況下，該電阻直接串聯(lián)在后備電池的正負(fù)極回路中，由于電機(jī)的電樞電阻極小，由I=U/R的關(guān)系，收槳回路產(chǎn)生的電流很大，功率電阻產(chǎn)生熱量巨大，若沒有合適的釋放通道，電阻溫度將迅速升高，特別是在頻繁變槳的情況下，電阻產(chǎn)生的熱量將直接損壞周邊的電路。

由圖2可以看出，正常回槳時(shí)，400V輸入經(jīng)由主開關(guān)、分流電阻、直流三相濾波器到直流驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器輸出接直流變槳電機(jī)。此時(shí)變槳電機(jī)的控制由驅(qū)動(dòng)器完成，即槳葉控制受驅(qū)動(dòng)器控制，電池收槳回路不起作用，1R1是不得電的。

由圖3可以看出，在電池回槳的過程，后備電池電壓經(jīng)過1R1，再經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的二極管整流橋到達(dá)電機(jī)，經(jīng)過電機(jī)電樞回到電池構(gòu)成電池收槳回路。可見此回路中，后備電池的電壓幾乎全加在1R1及電機(jī)電樞上，只能通過1R1分擔(dān)電機(jī)電樞的電壓，以保護(hù)電樞在頻繁地回槳過程中不被燒壞。電機(jī)電樞的電壓一般很小，幾乎可以忽略，1R1電阻目前的規(guī)格是65W、20歐姆。電池電壓一般是245伏，根據(jù)公式：P=U*U/R;計(jì)算得出電阻的瞬時(shí)功率為P=245*245/20=3001.25W。正常電池回槳的過程是13到15秒鐘，考慮到此過程中電壓下降程度很少，所以電阻的功耗根據(jù)公式：W=PT;電阻的功耗約為3001.25*15=45018.75j;這個(gè)熱量較大，65W功率的波紋電阻會(huì)受到一定影響。

若風(fēng)機(jī)槳葉可正常回槳，波紋電阻可以釋放該熱量的，不足以引起電阻燒壞元器件的，所以出現(xiàn)燒壞元器件這個(gè)狀況都是在不正常情況下出現(xiàn)的。不正常情況分為兩類：第一：限位開關(guān)不起作用，或者是說沖過限位開關(guān)。這時(shí)候槳葉會(huì)一直轉(zhuǎn)動(dòng)直到電池電壓降到不能使6K1吸合，這個(gè)時(shí)候由于運(yùn)行時(shí)間過長，后備電池釋放的能量大部分通過電池收槳回路釋放。輕者導(dǎo)致6K1燒壞，重者導(dǎo)致1R1發(fā)熱量過大燒壞元器件，電機(jī)也會(huì)因?yàn)殚L時(shí)間的超負(fù)荷工作燒壞。第二種情況是齒輪箱卡死，或者因?yàn)?K2元器件等原因剎車沒有打開，導(dǎo)致的電機(jī)堵轉(zhuǎn)這個(gè)時(shí)候電機(jī)的電流會(huì)急劇增大，導(dǎo)致1R1溫度急劇升高燒壞其他電器元件。

三、風(fēng)電場風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)開發(fā)研究內(nèi)容

（一）研究內(nèi)容的詳細(xì)說明

（1）采用新材質(zhì)對(duì)1R1波紋電阻規(guī)格、結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、制作及優(yōu)化，同時(shí)電阻的規(guī)格重新選擇，考慮到電池收槳時(shí)需要保持一定的收槳速度，電阻的阻值不宜太小;同時(shí)為了保持電池收槳回路電流不能太大，保證電阻的發(fā)熱程度不能過高。

（2）對(duì)1R1泄流電阻回路進(jìn)行重新布置，由于柜體內(nèi)空間有限，且氣流無法流通，選擇將泄流電阻置于軸箱柜體外面，電阻線頭通過M插頭的備用線連接。為了加大散熱功率，電阻采用正反兩面各裝一個(gè)共兩只的方式。電阻的安裝支架安裝孔利用重載插頭的安裝孔固定，無須另外打孔，安裝維護(hù)方便，也不會(huì)改變箱體的安全防護(hù)等級(jí)。

（3）將波紋電阻周邊的整流器滅弧器6A1和6A2換成阻燃材料的同樣性能器件，如圖6所示。

（二）技術(shù)指標(biāo)

為確保電池收槳時(shí)保持一定的收槳速度，電阻的阻值不宜太小;同時(shí)為了保持電池收槳回路電流不能太大，保證電阻的發(fā)熱程度不能過高。

工作電壓范圍：≤1.2kV;

額定功率范圍：60W～1000W;

額定阻值范圍：1～10KΩ;

耐壓范圍：AC3KV 50HZ/5s;

IP等級(jí)：IP00.IP33。

（三）創(chuàng)新點(diǎn)

（1）R1泄流電阻材質(zhì)與結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。采用新型材質(zhì)制作1R1波紋電阻，電阻表面包裹散熱材料，并設(shè)置開孔，形成高效的散熱通道，確保在高發(fā)熱、持續(xù)震動(dòng)、環(huán)境條件變化大等客觀因素下，電阻不開裂、不漏砂、不失效。

（2）R1泄流電阻及回路結(jié)構(gòu)布局的創(chuàng)新。對(duì)1R1泄流電阻電氣回路進(jìn)行重新布置，電阻自身采用一體化設(shè)計(jì)，將電阻布置于變槳軸控柜外側(cè)，解決泄流電阻輻射的熱量導(dǎo)致周邊電氣件損壞的問題，符合風(fēng)機(jī)防火要求。

四、風(fēng)電場風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)改造的預(yù)期經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益

（一）經(jīng)濟(jì)效益

電池收槳回路作為變槳系統(tǒng)最后一道安全保障，在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中意義無可替代，其回路部件的安全性、可靠性對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行具有重要的、無可比擬的作用，選擇更可靠的回路組件，對(duì)用戶風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行極具價(jià)值。泄流電阻的損壞造成的不完全損失如下：

（1）組件本體損壞，目前一套組件的價(jià)格在1000元左右，一臺(tái)風(fēng)機(jī)3000元;

（2）周邊電氣件的燒毀，包括接觸器、開關(guān)、整流器、回路組件等，初估計(jì)價(jià)值在3000元左右，一臺(tái)風(fēng)機(jī)10000元;

（3）發(fā)電量損失：按停機(jī)加恢復(fù)一周時(shí)間估算，每天發(fā)電量10000元，發(fā)電量損失70000元左右;

（4）人力成本的損失：由于箱體在輪轂內(nèi)，傳統(tǒng)維修方案電氣回路接線不易恢復(fù)，且導(dǎo)致以后故障頻發(fā)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，單次人力成本一人天500元左右，按發(fā)生頻次，損失巨大，每臺(tái)損失約3500元。

綜上所述，更換新的能耗電阻方案能解決泄流電阻燒毀并導(dǎo)致周邊電氣件燒毀問題，提升風(fēng)機(jī)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，按每年30%故障率統(tǒng)計(jì)，每年可增加收益296.65萬元。

（二）社會(huì)效益

通過項(xiàng)目改造，對(duì)于早期老風(fēng)機(jī)的利用率得到了有效的提升，減少了現(xiàn)場風(fēng)場人員工作量，從而提高了員工的工作效率，同時(shí)對(duì)于企業(yè)內(nèi)部來說提高內(nèi)部管理效能和市場競爭力，提高能源整體效率和效益，為集團(tuán)創(chuàng)造管理提升的經(jīng)濟(jì)效能。另外從安全性角度來說，減少降低了安全生產(chǎn)事故發(fā)生率，保障了員工的安全和企業(yè)財(cái)產(chǎn)的損失，從而為社會(huì)減少不必要的開支。

（三）應(yīng)用前景

早期的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基本相似，且都有不同程度的問題點(diǎn)，通過此次的改造樣本進(jìn)行可靠性評(píng)估，有利于后期對(duì)于風(fēng)機(jī)進(jìn)行批量性和可靠性的技改來提高機(jī)組利用效率。

總之，為了更好地發(fā)揮風(fēng)電場的優(yōu)勢，滿足廣大人民群眾的用電需求，必須要不斷對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行已經(jīng)落后于實(shí)際生產(chǎn)需求時(shí)，就應(yīng)當(dāng)?shù)谝粫r(shí)間對(duì)相關(guān)問題予以優(yōu)化和調(diào)整，否則的話，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益難以得到有效提升，這樣對(duì)于相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步將會(huì)產(chǎn)生巨大的阻礙作用。

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作者簡介：馮猛（1992— ），男，漢族，河北石家莊晉州人，碩士，研究方向：熱能工程。