風力發電機組電氣控制系統檢修分析

楊繼光

（朝陽工程技術學校，遼寧朝陽 122000）

0 引言

隨著經濟發展，我國對能源短缺問題愈發突顯，而風力發電是清潔可再生能源之一受到關注。但是由于目前技術上的不成熟以及生產成本較高等因素，導致目前國內大部分城市中普遍存在著風力發電機組無人值守、停電等情況發生，且無法及時檢修或更換發電機。部分偏遠地區電網供熱不足也造成了大量電能損失，給風力發電企業發展造成巨大阻礙。因此，本文對風力發電機組電氣控制系統檢修進行相應分析。

1 系統原理

1.1 風力發電機組電氣控制系統組成

風電機組中的關鍵設備，主要由齒輪箱、發電機轉子和葉輪等部分組成。齒輪箱、發電機轉子兩者之間用螺栓進行聯結，將電能轉化為機械能，使其運轉正常工作運行。三相交流異步電動機則作為功率變換裝置來驅動壓縮機或變頻電機運作，以滿足不同的負荷要求，從而達到調節風電機組電氣控制系統中負載比例、提高系統效率和改善節能性等目的。

1.2 風力發電機組電氣傳動裝置

風力發電機組是風力發電機的一種，可以實現對風速范圍內任意方向風速的控制，被廣泛應用于生產生活中。風力發電機組內部采用了變頻器和主電路，可以減少電力設備對電網沖擊。在整個機組啟動與停機過程中都需要一個穩定、高效、快速的控制裝置。風力發電機組電氣傳動裝置系統的運行狀態和風力機組額定轉速之間是線性關系：在風速低于額定值時，風力發電機組發出快速變頻控制信號，通過控制器自動調節槳葉旋轉速度保持不變；當風速高于最大允許范圍（±3%）后，啟動變頻器則進行變速操作以達到改變發電機有功出力頻率的目的來維持輸出電壓恒定，延長電機壽命。

1.3 風力發電機組

風力發電機組是一種利用風輪驅動的設備，主要由發電機、齒輪箱和逆變器等部分構成。其中電力電子系統作為核心部件來工作，在整個風力發電系統中扮演著重要角色。

2 風力發電機組電氣控制系統檢修理論基礎

2.1 特點

風能經過多次的轉換后，可以直接轉化為電能，具有很多優點：①就是風能利用效率高，對環境污染小；②風力發電不需要燃料燃燒，排放廢氣等污染物，被稱為“綠色機器”、“無煙工業”；③風力發電具備較高效率和清潔性能，節能環保性強，且與可再生能源相兼容等特點，具有良好的發展前景。

2.2 系統檢修的主要關鍵點

（1）風電機組的運行狀態和故障分析。其中風力發電機組電氣控制系統檢修主要以風能轉換器、發電機等為主要研究對象。對其進行系統分析時著重選取了主回路中兩個獨立變量。主電路中電流速斷保護和自動投切裝置在實際應用過程中會出現各種問題。另外還需要注意一些其他方面：如控制程序不完善、系統軟件算法簡單、容易產生誤動作，這些因素都會影響風力發電機組運行的穩定性及可靠性，并給風電機組帶來一定程度上的故障現象發生[1]。

（2）風機槳葉的轉動速度和發電機輸出功率。風力發電機組電氣控制系統檢修工作中，首先對風速及電壓值進行監測，觀察是否存在異味、油污等污染物質，分析故障產生的原因，保證系統正常穩定運作。

（3）系統檢修影響的因素主要是風輪機組的運行條件，包括風速、風向變化。考慮到風力發電機需要在大風、酷暑等惡劣環境下工作，還涉及到槳葉與大地之間相互作用對風機造成損壞或壽命降低，及電機故障引起電網電壓波動等等情況發生概率較高，所以必須要做好相關準備措施來解決這些問題。

（4）檢修的內容與方法。對電氣控制系統進行檢修，主要內容包括：①風機轉速控制。根據風速變化情況及風向確定最佳葉尖速比值、保持槳距角不變和維持葉輪齒側最大升壓等；②電壓調節與保護電路故障診斷及檢查線路連接是否正確；③三相分離接地系統異步切換繼電器的動作和斷路器功能狀態檢修，對其進行分析并記錄異常數據及其原因找出相應解決辦法。

首先要分析風機槳葉故障及其原因，提出故障特征，并分析其常見類型，然后根據這些情況對風機槳葉所發生故障進行描述。然后通過觀察發電機轉子轉速、軸承間隙及定子電壓等參數變化來研究風力發電機組電氣控制系統，并分析在不同傳感器檢測到的風速信號下，風機槳葉所發生故障及其原因，并提出相應的檢修方法。

3 風力發電機組電氣控制系統分析

3.1 運行方式及特點

風力發電機組系統的運行方式是風力渦輪機。風力渦輪機的效率高、運行平穩、維護成本低，所以被廣泛使用。其運行的原理主要分為兩部分：一是風輪槳距和葉尖與發電機輸出軸連接處相連接；二是轉子繞組、定子斷路器等部件之間相連。風力發電機組的運行特點是：風輪轉速高、葉尖與發電機接觸不牢固、轉子轉動時振動幅度大、容易發生機械磨損。另外由于單機容量很大和風速變化快等原因，導致其故障率較高，所以對風力機進行檢修分析非常重要。

3.2 風力發電機組變壓器

由風輪葉片、葉輪流身、離心架及導流板等部件組成，其中風力渦輪發電機又被稱為變槳距，其主要工作原理為：首先通過降壓變壓器將電網中的低電壓轉化成額定功率或提高轉速；然后升壓塔降低了風速并且使之保持在一定范圍內。

4 風力發電機組電氣控制系統案例研究

在風力發電機組的電氣控制系統中，主要以STC 公司風電機組為例，分析系統故障，并對其故障修復進行研究。發現過電壓是由于發電機轉子繞組絕緣損壞、機械鐵芯過熱引起。轉子上有兩個及以上高電位分別與勵磁線圈串聯組成大電流電路來驅動電動機運行產生磁場；當發電機在高速旋轉時就會使電源的正負極接反而形成渦流損耗，使發電機過熱。

分析了風電機組在運行中常見故障，并對這些故障進行深入探討。提出控制器發生單相接地短路及兩相斷開時切斷控制方案。最后利用仿真軟件PROE2014a 搭建系統模型。根據實際情況選擇合適的方法完成整個控制系統設計與制作。同時還要從繼電器、傳感器和制動器等方面分析風電機組在運行中出現的過負載現象，并對這些故障進行研究分析，提出相應的檢修思路。

5 基于風電機組電氣控制系統的檢修系統控制設計

5.1 檢修總體結構

風力發電機組電氣控制系統主要由風機、齒輪箱和發電機3 個部分組成。其中，風輪通過法蘭連接成一個整體，安裝在主軸上；齒輪固定在聯軸器蓋上并與主減速器相連接（轉子）；發電機連接到變頻調速裝置中，由控制電路板完成對轉速及電流大小的調節，DCS 控制器及其執行機構使風力發電機組實現了可控、可靠和智能化。

5.2 檢修控制系統的硬件配置

（1）檢修風機，發現風機的故障，并對其進行分析排除，確保風力發電機工作時的正常運行。風機在實際工作中往往出現各種故障，如轉速異常、電壓異常等。這些故障都會影響機組的安全穩定運轉和使用壽命，甚至可能造成設備損壞或人員傷亡事故發生事故，因此對風電機動靜態性能進行檢測具有非常關鍵意義。

（2）檢修變槳控制系統，主要是對風機槳口、發電機和齒輪箱的運行狀態進行實時監測，并將監控數據傳送給調度中心。對其進行合理控制，可以降低機組運行過程中出現故障，提高了電網系統穩定性[2]。

（3）通過對風機的轉速進行測量來檢測工作中發電機可能出現的故障。同時通過檢測其內部控制程序來檢查機組是否存在異常狀態或異常動作等問題。以保證風力發電機組正常穩定運轉。

（4）檢修電壓顯示模塊，主要是對風力發電機組的運行狀態進行實時監測，并將其數據傳輸給電腦，以便及時發現故障。在風機發生問題時可以據此自動斷電。當發電機出現異常情況或系統電路出現中斷等意外狀況時，可發出報警信號（報警信息為：該時間內沒有人操作），通過液晶屏顯示出當前時刻風速變化曲線、溫度值及風向指示燈的工作狀態。對風力發電機組進行日常巡檢與維護，方便維修人員發現故障并及時處理，以免造成更大的損失。

6 風力發電機組電氣控制系統檢修方案

6.1 風電機組電氣控制系統檢修過程

風電機組電氣控制系統的檢修過程是：當風速超過額定值時，發出警告信號，表明風力發電機組處于運行狀態；發電機轉速下降到最大值或最小電壓低于最大壓力就會進入下一級電網。此時可以根據系統誤差等級情況進行調整。當風速超出臨界值范圍，對發電機產生干擾的時候要采取相應措施來減小噪聲和振動幅度等影響。

6.2 風力發電機組電氣控制系統檢修效果及誤差

（1）檢修效果較好，但檢修工作難度大，容易造成系統運行異常，從而造成風力發電機的損壞。因此，對風力發電機組進行系統全面檢修是非常有必要，不僅能提高風機機組運行性能和可靠性也可以使整個電網穩定。

（2）風力發電機組是一個復雜的系統，其內部結構也非常龐大。在運行過程中可能造成各種誤差如：風輪轉速的變化、齒輪箱噪聲，風機齒輪箱、發電機轉子等部件產生大量旋轉誤差。這些因素都能對機組正常運行產生影響，因此在進行風電故障檢修時應重點分析其原因[3]。

6.3 風力發電機組電氣控制系統檢修方案

（1）在線檢修方法和檢測方法：①在顯示狀態信息時采用數字量表法來判斷是否異常；②根據實時監控信號確定風機槳葉轉動速度控制值及軸系數變化情況；③通過計算得到風速、發電機轉速及電壓波動曲線等故障特征參數，并對其加以分析說明。

（2）根據風力發電機組的運行狀況，對風機系統進行狀態監測，并將數據信息傳送到PCB 控制器上。通過控制程序對發電機轉速、電流有效值和有功功率等參數進行調節，對風機的轉速進行有效控制，使風力發電機組工作時，保持在最佳狀態。

7 結語

風力發電是一種清潔的新能源，可以不造成環境污染的運行發電。風能作為一種清潔無害的資源具有巨大發展潛力。隨著風力發電機組裝機容量和單機容量不斷加大，對電網運行穩定性及故障處理等方面要求越來越嚴格。為了保證電力系統安全、穩定工作，必須研究制定一套可靠、完善、健全的檢修方案。本文主要分析討論研究了在風電場電氣控制系統檢修過程出現問題及其相應措施，總結出一套行之有效的檢修方案，能夠有效改善風電機組機電控制及保護可靠性。