安徽巢湖某風電場A29 機組變槳電機超速故障分析與處理

張毅博，郭曉宇

（國能信控互聯(lián)技術（河北）有限公司，河北 固安 065500）

引言

風力發(fā)電產業(yè)的快速發(fā)展，對風機主要部件性能、質量、制造裝配技術提出了更高、更深的要求[1]。風電機組變槳控制系統(tǒng)，是MW級以上風電機組控制和保護的重要裝置。變槳系統(tǒng)可以根據(jù)風速大小自動調節(jié)葉片與風向之間的夾角，改變氣流對槳葉的攻角，控制實現(xiàn)風輪對風力發(fā)電機的恒定轉速；特殊工況下可以使槳葉順漿至89°與風向平行，使風機安全停機[2]。風力發(fā)電機組葉片(根部)通過變槳軸承與輪轂相連，每個槳葉都安裝有相對獨立的變槳電機。變槳電機作為重要的執(zhí)行機構，能否快速響應，正?？刂迫~片的槳距角變化尤為重要[3]。

1 風電變槳系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)整體結構

系統(tǒng)整體結構詳見圖1，主要包括變槳距控制裝置、變槳距驅動裝置、變槳距執(zhí)行裝置、后備動力源和變槳距檢測裝置。變槳距控制裝置指三個相對獨立的變槳控制柜，編號為變槳柜A、變槳柜B和變槳柜C。變槳距驅動裝置指變槳柜內變槳驅動器，變槳距執(zhí)行裝置指與各變槳柜相連接的變槳電機，后備動力源指變槳柜內超級電容模組，變槳距檢測裝置指位置傳感器和限位開關。每個變槳柜獨立控制一只槳葉，變槳柜與變槳柜、變槳柜與變槳電機之間均通過電纜有效連接。變槳電機通過變槳減速機與變槳軸承內齒嚙合聯(lián)動，驅動槳葉旋轉[4]。

圖1

外部主控系統(tǒng)進線通過滑環(huán)接入變槳系統(tǒng)，其進線主要有400 V三相電源供電回路，CANopen 通訊信號回路，以及安全鏈信號回路。以上三路進線從機艙主控柜連接到變槳柜A，再由變槳柜A連接至變槳柜B，變槳柜B最后連接到變槳柜C。為避免三個變槳柜單相負載使用同一相供電發(fā)生三相電源不平衡現(xiàn)象，三相電源線在送入下一控制柜前互換了相位。變槳PLC和風機主控之間的通訊接口為CANopen 通訊方式，風機主控設置為主站，三個變槳PLC 為從站。通訊線經滑環(huán)接入變槳柜A，連接浪涌保護模塊后，接到變槳柜A 的變槳PLC 上，再由變槳柜A 引出連接至變槳柜B 變槳PLC、變槳柜B引出連接至變槳柜C 變槳PLC（變槳柜B、C 通訊線不再需要接入浪涌保護裝置）。變槳系統(tǒng)安全鏈接線首先經滑環(huán)接入變槳柜A 內防雷保護端子再連接到相應的安全鏈控制回路，由變槳柜A 引出接入變槳柜B，由變槳柜B 引出再接入變槳柜C（變槳柜B、C 安全鏈不再需要接入防雷保護端子）。安全鏈信號接線分為兩組：第一組為EFC信號、第二組為槳葉安全位置檢測信號。

變槳柜內部元器件安裝布局基本相同，其右側主要部件有5 塊串聯(lián)連接的超級電容模組，PT100。左側活動板底部主要安裝有充電器、變槳伺服驅動器、加熱器、散熱器。活動板上主要安裝有變槳PLC，24VDCDC 電源、溫度控制器、繼電器及空氣開關。

槳葉的位置由變槳電機內置的編碼器送出信號經KL5001 模塊解碼再由BX3100 運算獲得。為了校準和監(jiān)測槳葉實時位置，在每支槳葉上均安裝有兩只接近開關，其中一只負責3-5°槳葉位置監(jiān)測與校準，另外一只負責86°槳葉位置監(jiān)測與校準。正常工況情況下，槳葉運行區(qū)間為0°到89°。當系統(tǒng)順槳時，槳葉回槳至89°。若變槳控制系統(tǒng)發(fā)生故障，收槳超過89°，觸發(fā)95°限位開關，此時變槳PLC 斷軟件使能信號，變槳伺服驅動器剎車控制不輸出、變槳電機制動器抱閘。I/0 模塊主要監(jiān)控限位開關動作、安全鏈和溫度信息等，其中95°限位開關作為變槳系統(tǒng)最后一條安全措施，斷硬件使能信號，與95°限位開關形成冗余關系，保證了系統(tǒng)的安全運行[5]。

變槳系統(tǒng)每個變槳控制柜均由獨立的變槳控制系統(tǒng)PLC控制。該PLC控制器的主要控制任務有：一是變槳柜作為風機主控的從站接受主控的CANopen 通訊發(fā)出的指令信號，并且回傳本站的運行狀態(tài)，三個變槳柜的CANopen 通訊站號分別設置為51、52 和53。二是監(jiān)測變槳系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，當變槳系統(tǒng)發(fā)生異常情況斷開安全鏈，使風機進入緊急運行模式。三是程序邏輯控制系統(tǒng)將執(zhí)行電機三環(huán)控制中的位置環(huán)控制和速度環(huán)控制，保證精確、迅速的響應主控的指令。

由于變槳系統(tǒng)所在工作環(huán)境溫度差異大，當環(huán)境溫度較低時，為了保證柜內器件正常的工作環(huán)境，變槳系統(tǒng)安裝有變槳柜加熱器。當環(huán)境溫度0℃以下時，變槳PLC 不啟動，溫度控制器啟動加熱器進行加熱，溫度達到15°加熱停止。另外當變槳柜內部溫度大于50℃時，變槳PLC控制啟動加熱器散熱風扇運行，保證變槳系統(tǒng)正常工作。

伺服驅動器的充電/放電模塊及電容監(jiān)視模塊BT負責管理超級電容的充放電和電容的電壓監(jiān)測。備用電源只有在主電源掉電的時候才啟用。備用電源可實現(xiàn)緊急模式下的無延時切換，保障系統(tǒng)的安全運行。

變槳后備電源選用5 塊16 V/500 F 超級電容模組，5 個模組串聯(lián)使用。超級電容模塊并聯(lián)于變槳系統(tǒng)直流母線上，其連接有充電器保持浮充狀態(tài)。變槳備用電源只有在主電源掉電情況下啟用，可以實現(xiàn)緊急模式下無延時切換，確保變槳系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

正常情況下，變槳系統(tǒng)控制變槳電機運行，通過變槳減速箱和變槳軸承使槳葉跟蹤主控下發(fā)的位置信號指令運行。當風機主控系統(tǒng)報安全鏈故障，安全鏈斷開，變槳系統(tǒng)進入緊急工作模式，槳葉以9°/s 速率順槳至安全位置。若變槳系統(tǒng)400 V 交流供電異常，則變槳系統(tǒng)由變槳備用超級電容供電，3 s 后變槳系統(tǒng)進入緊急工作模式，滿足低電壓穿越要求，槳葉順槳至安全位置。另外，三個變槳柜均由獨立的變槳PLC 控制，當一個變槳柜報出安全鏈故障時，其他兩個變槳柜接收到安全鏈斷開信號后同步緊急回槳，確保機組安全停機。

1.2 變槳系統(tǒng)工作模式

變槳系統(tǒng)主要有以下幾個工作模式，貫穿風電機組生產運行各工況。

1.2.1 起機模式 變槳系統(tǒng)剛通電，超級電容尚未充滿電時，變槳系統(tǒng)處于起機模式。該模式結束后可以進入正常工作模式。機組啟動過程通過變槳電機控制槳葉的角度，以使機組能夠依靠風力自行啟動。

1.2.2 正常工作模式 在正常工作模式下，變槳系統(tǒng)通過CANopen 通訊接收主控位置指令，控制槳葉運行，以期達到額定風速后風機葉輪轉速恒定，風電機組滿負荷穩(wěn)定運行。

1.2.3 正常停機工作模式 在正常停機工作模式下，變槳系統(tǒng)通過CANopen 通訊接收主控位置指令，控制槳葉角度變化至安全位置，確保機組安全停機。

1.2.4 緊急停機模式 在緊急停機模式下，變槳系統(tǒng)不再接收主控位置指令，由變槳系統(tǒng)PLC 控制槳葉運行至安全位置，確保機組安全停機。

1.2.5 維護模式 在維護模式下，輪轂外部不可以進行任何變槳系統(tǒng)的操作，主控不給變槳發(fā)送任何指令。維護模式由主控維護按鈕進行設定,在維護人員進入輪轂之前，維護開關必須合上，變槳系統(tǒng)隨即進入維護模式。

2 安徽巢湖某風電場A29 機組故障描述

2.1 故障現(xiàn)象

安徽巢湖某風電場A29 機組于2016.06.05報出變槳電機超速故障，1 號槳葉和3 號槳葉均發(fā)生超速，1 號槳葉和3 號槳葉最終觸發(fā)95°限位開關，見圖2。因現(xiàn)場風速過大人員無法進入輪轂處理故障，導致此臺風機停機時間超20 h。

圖2

2.2 故障觸發(fā)邏輯

變槳電機超速故障觸發(fā)邏輯：非緊急模式下，伺服反饋的變槳速度大于10°/s，且持續(xù)時間超過100 ms，故障產生。

編碼器SSI 故障觸發(fā)邏輯：編碼器角度反饋異常，槳葉位置信號前后周期角度差大于0.1°，且持續(xù)時間超過200 ms，故障產生。

3 安徽巢湖某風電場A29 機組變槳電機超速故障數(shù)據(jù)分析

通過圖3 的故障數(shù)據(jù)分析，軸C 槳葉跟隨主控位置指令動作過程中，槳葉發(fā)生變槳電機超速故障，進而導致變槳安全鏈斷開，軸A 軸B 兩個槳葉執(zhí)行緊急順槳動作，在順槳過程中，軸C 槳葉觸發(fā)驅動器內部encoder error 故障，最終使其觸發(fā)95°限位停止；軸A 槳葉順槳過程中，在外力作用下發(fā)生變槳電機超速故障，同樣軸A 槳葉也觸發(fā)了驅動器內部encoder error 故障，最終使其觸發(fā)95°限位停止；只有軸B 槳葉最終回到89°安全位置。故障現(xiàn)象邏輯梳理，見圖4。

圖3

圖4

根據(jù)故障記錄，安徽巢湖某風電場A29 機組多次發(fā)生變槳電機超速故障，其余機組從未報出該故障。通過對故障數(shù)據(jù)分析可以看到，A29 所在機位當風向發(fā)生改變時，變槳電機電流能夠較大輸出，抑制外力載荷變化，但當外力足夠大時，變槳電機制動力矩不足以克服，最終發(fā)生超速。

4 安徽巢湖某風電場A29 機組變槳電機超速故障處理

（1） 優(yōu)化PLC故障觸發(fā)邏輯：針對變槳電機超速故障報出后誤報SSI 編碼器故障，導致撞95°限位，大風不能上塔維護，嚴重影響業(yè)主發(fā)電量的問題。具體優(yōu)化措施是，將SSI 編碼器故障觸發(fā)條件由ABS(actualBladeAngle - oldBladeAngle) ＞0.1 延時200 ms，改為ABS (actualBladeAngle - oldBladeAngle) ＞0.3 延時200 ms；

（2） 優(yōu)化變槳驅動器參數(shù)：針對風向發(fā)生改變外部載荷較大，超出變槳電機制動力矩的情況。具體優(yōu)化措施是，修改brakingbooster 由80%調整至100%，option8 由level4 調整至level5；

（3） 優(yōu)化PLC位置環(huán)算法邏輯。

5 結論

通過優(yōu)化變槳PLC程序及變槳驅動器控制參數(shù)，安徽巢湖某風電場A29 機組再未發(fā)生過變槳電機超速故障，故障處理措施有效。本文可作為變槳超速故障處理措施參考，以期縮短故障處理時間，提高機組利用率，減少業(yè)務發(fā)電量損失。