風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)供電回路故障處理及安全性提升方法

劉喬

（湖南湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411100）

0 引言

傳統(tǒng)不可再生的化石能源供應(yīng)壓力越來越大并面臨著開采破壞和排放污染等問題，嚴重影響著全球的生態(tài)環(huán)境。為了應(yīng)對傳統(tǒng)化石能源存在的各種問題，綠色可再生能源，特別是風力發(fā)電，在國內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用越來越廣泛[1]。風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)也稱為對風裝置，其作用在于當風速矢量的方向變化時，能夠快速平穩(wěn)地迎風，以便風輪獲得最大的風能[2]。機組的偏航電氣系統(tǒng)一般由主回路開關(guān)、偏航接觸器、偏航電機、控制繼電器、PLC控制器、偏航計數(shù)器、風速風向傳感器等組成。PLC控制器接收到機組的風速風向傳感器測量的風速達到有效風速以上，則根據(jù)風向偏差數(shù)據(jù)即風力發(fā)電機組與風向夾角，PLC控制器通過偏航控制繼電器的得/失電，控制偏航接觸器的主觸點吸合/斷開，使得偏航電機正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止。同時，PLC控制器通過監(jiān)測偏航計數(shù)器的數(shù)值控制偏航電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)方式實現(xiàn)解纜功能，防止機艙與塔底之間的電纜擰絞過度[3]。偏航接觸器的穩(wěn)定性影響到偏航系統(tǒng)的安全，如果不能夠正常分斷，機艙單方向不斷的偏航轉(zhuǎn)動將會造成機艙與塔底之間的電纜擰絞過度?；诖耍疚奶岢鲆环N新型的偏航電機回路系統(tǒng)，當偏航接觸器不能夠正常分斷時，仍能夠有效切斷偏航電機供電回路，大幅提高系統(tǒng)工作可靠性。

1 故障事件經(jīng)過

某風電場位于寧夏回族自治區(qū)，現(xiàn)投入運行一期共24臺葉輪直徑為96m的2MW風力發(fā)電機組（下稱機組）。在運行過程中首先觸發(fā)偏航計數(shù)器限位位置激活故障，風電場常軌維護人員趕往故障機位的途中，風力發(fā)電機組隨后又出現(xiàn)變流器機側(cè)過載故障。進入機組排查故障時發(fā)現(xiàn)機艙與塔底之間的電纜在U型馬鞍段出現(xiàn)了電纜擰絞過度、破皮、相間相地之間電氣短路著火痕跡，偏航接觸器仍處于接通狀態(tài)。

2 故障原因及處理

2.1 風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)電氣回路說明

如圖1所示，F(xiàn)1為偏航電機保護開關(guān)，KM1為左偏航接觸器，KM2為右偏航接觸器，機組處于偏航狀態(tài)時KM1或KM2帶電導通。通過改變偏航電機供電相序控制其正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)機艙左向或者右向偏航[4]。

2.2 故障原因分析

左偏航接觸器KM1其內(nèi)部故障造成無法正常分斷，機艙一直向左偏航轉(zhuǎn)動，最終機艙與塔底之間的電纜過度擰絞而破損短路造成機艙400V總供電開關(guān)保護跳閘才斷開了偏航電機的供電。

2.3 偏航系統(tǒng)電氣回路的改進措施

偏航接觸器的所處的工作環(huán)境較惡劣，其中包括溫度、振動、濕度以及鹽霧等一系列因素對交流接觸器的動態(tài)特性有不同程度的影響[5-6]。自然界的風隨機性強，風速和風向變化頻繁，風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)經(jīng)常需要頻繁啟停以進行迎風控制[7]。偏航接觸器動作次數(shù)能達到偏航系統(tǒng)啟停次數(shù)的一半，偏航接觸器工作特性影響到其穩(wěn)定運行及使用壽命。針對出現(xiàn)偏航接觸器無法分斷情況，本文提出了幾種通過切除偏航電機主回路供電的有效、可靠改造方案。

2.3.1 增加主回路接觸器

在偏航接觸器KM1、KM2上級增加一個主回路接觸器KM3，KM1、KM2不能夠正常分斷則通過控制接觸器KM3分斷切除偏航電機的供電。

接觸器KM3的控制一般采用以下兩種方式：

（1）偏航系統(tǒng)啟動時接觸器KM3得電接通，偏航系統(tǒng)停止時接觸器KM3失電分斷。偏航系統(tǒng)停止，出現(xiàn)偏航接觸器KM1或KM2未分斷，KM3失電分斷仍能夠切除偏航電機供電。該種改造方式邏輯結(jié)構(gòu)簡單，KM3的動作次數(shù)多。

（2）機組正常運行時接觸器KM3得電接通，出現(xiàn)偏航系統(tǒng)類故障時，KM3失電分斷。偏航系統(tǒng)停止，出現(xiàn)偏航接觸器KM1或KM2未分斷，則PLC控制器控制接觸器KM3失電分斷，切除偏航電機供電。該種改造方式電氣回路結(jié)構(gòu)較為復雜。

2.3.2 偏航系統(tǒng)主開關(guān)增加電動操作裝置

偏航系統(tǒng)主開關(guān)F1加裝電動操作裝置，KM1、KM2不能夠正常分斷則通過F1的電動操作裝置分斷F1，切除偏航電機供電。機組正常運行時，偏航系統(tǒng)主開關(guān)F1合閘位置。偏航系統(tǒng)停止，出現(xiàn)偏航接觸器KM1或KM2未分斷，則PLC控制器控制主開關(guān)F1的分閘線圈YO得電，F(xiàn)1分閘切除偏航電機供電。該種改造方式，能控制偏航系統(tǒng)主開關(guān)的分合閘，電氣回路結(jié)構(gòu)較為復雜且電動操作裝置成本較高。

2.3.3 更換接觸器

（1）定期更換接觸器。更換頻繁造成資源浪費且無法杜絕故障事故的發(fā)生。

（2）采用新型的永磁交流接觸器并設(shè)計控制回路與接觸器進行配合工作，電路分正常工作電路和保護電路兩部分。正常工作電路負責控制接觸器進行正常的分斷與吸合操作,保護電路則負責檢測并觸發(fā)保護裝置進行強制分斷保護[8]。這種方式采用的電氣回路結(jié)構(gòu)較為復雜且器件更換成本較高。

3 結(jié)論

本文提出了接觸器作為常用的開關(guān)電器，其具有較高的使用壽命，但是必須考慮分斷失效帶來的問題和影響，以防止事故的發(fā)生。本文提出的是一類解決接觸器無法分斷而造成下游用電設(shè)備異常帶電的方法。針對接觸器發(fā)生無法分斷的情況，為保證接觸器下游用電設(shè)備的安全性，在主回路新增冗余接觸器或者在上游的保護開關(guān)上增加電動操作機構(gòu)用以分斷回路，提高了供電可靠性。