安徽巢湖某風(fēng)電場(chǎng)A29 機(jī)組變槳電機(jī)超速故障分析與處理

張毅博，郭曉宇

（國(guó)能信控互聯(lián)技術(shù)（河北）有限公司，河北 固安 065500）

引言

風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)風(fēng)機(jī)主要部件性能、質(zhì)量、制造裝配技術(shù)提出了更高、更深的要求[1]。風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)，是MW級(jí)以上風(fēng)電機(jī)組控制和保護(hù)的重要裝置。變槳系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)速大小自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片與風(fēng)向之間的夾角，改變氣流對(duì)槳葉的攻角，控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的恒定轉(zhuǎn)速；特殊工況下可以使槳葉順漿至89°與風(fēng)向平行，使風(fēng)機(jī)安全停機(jī)[2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片(根部)通過變槳軸承與輪轂相連，每個(gè)槳葉都安裝有相對(duì)獨(dú)立的變槳電機(jī)。變槳電機(jī)作為重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能否快速響應(yīng)，正常控制葉片的槳距角變化尤為重要[3]。

1 風(fēng)電變槳系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)詳見圖1，主要包括變槳距控制裝置、變槳距驅(qū)動(dòng)裝置、變槳距執(zhí)行裝置、后備動(dòng)力源和變槳距檢測(cè)裝置。變槳距控制裝置指三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的變槳控制柜，編號(hào)為變槳柜A、變槳柜B和變槳柜C。變槳距驅(qū)動(dòng)裝置指變槳柜內(nèi)變槳驅(qū)動(dòng)器，變槳距執(zhí)行裝置指與各變槳柜相連接的變槳電機(jī)，后備動(dòng)力源指變槳柜內(nèi)超級(jí)電容模組，變槳距檢測(cè)裝置指位置傳感器和限位開關(guān)。每個(gè)變槳柜獨(dú)立控制一只槳葉，變槳柜與變槳柜、變槳柜與變槳電機(jī)之間均通過電纜有效連接。變槳電機(jī)通過變槳減速機(jī)與變槳軸承內(nèi)齒嚙合聯(lián)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)[4]。

圖1

外部主控系統(tǒng)進(jìn)線通過滑環(huán)接入變槳系統(tǒng)，其進(jìn)線主要有400 V三相電源供電回路，CANopen 通訊信號(hào)回路，以及安全鏈信號(hào)回路。以上三路進(jìn)線從機(jī)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(gè)變槳柜單相負(fù)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(fēng)機(jī)主控之間的通訊接口為CANopen 通訊方式，風(fēng)機(jī)主控設(shè)置為主站，三個(gè)變槳PLC 為從站。通訊線經(jīng)滑環(huán)接入變槳柜A，連接浪涌保護(hù)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(hù)裝置）。變槳系統(tǒng)安全鏈接線首先經(jīng)滑環(huán)接入變槳柜A 內(nèi)防雷保護(hù)端子再連接到相應(yīng)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(hù)端子）。安全鏈信號(hào)接線分為兩組：第一組為EFC信號(hào)、第二組為槳葉安全位置檢測(cè)信號(hào)。

變槳柜內(nèi)部元器件安裝布局基本相同，其右側(cè)主要部件有5 塊串聯(lián)連接的超級(jí)電容模組，PT100。左側(cè)活動(dòng)板底部主要安裝有充電器、變槳伺服驅(qū)動(dòng)器、加熱器、散熱器?；顒?dòng)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(guān)。

槳葉的位置由變槳電機(jī)內(nèi)置的編碼器送出信號(hào)經(jīng)KL5001 模塊解碼再由BX3100 運(yùn)算獲得。為了校準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)槳葉實(shí)時(shí)位置，在每支槳葉上均安裝有兩只接近開關(guān)，其中一只負(fù)責(zé)3-5°槳葉位置監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)，另外一只負(fù)責(zé)86°槳葉位置監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)。正常工況情況下，槳葉運(yùn)行區(qū)間為0°到89°。當(dāng)系統(tǒng)順槳時(shí)，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(guān)，此時(shí)變槳PLC 斷軟件使能信號(hào)，變槳伺服驅(qū)動(dòng)器剎車控制不輸出、變槳電機(jī)制動(dòng)器抱閘。I/0 模塊主要監(jiān)控限位開關(guān)動(dòng)作、安全鏈和溫度信息等，其中95°限位開關(guān)作為變槳系統(tǒng)最后一條安全措施，斷硬件使能信號(hào)，與95°限位開關(guān)形成冗余關(guān)系，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行[5]。

變槳系統(tǒng)每個(gè)變槳控制柜均由獨(dú)立的變槳控制系統(tǒng)PLC控制。該P(yáng)LC控制器的主要控制任務(wù)有：一是變槳柜作為風(fēng)機(jī)主控的從站接受主控的CANopen 通訊發(fā)出的指令信號(hào)，并且回傳本站的運(yùn)行狀態(tài)，三個(gè)變槳柜的CANopen 通訊站號(hào)分別設(shè)置為51、52 和53。二是監(jiān)測(cè)變槳系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變槳系統(tǒng)發(fā)生異常情況斷開安全鏈，使風(fēng)機(jī)進(jìn)入緊急運(yùn)行模式。三是程序邏輯控制系統(tǒng)將執(zhí)行電機(jī)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(yīng)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(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，為了保證柜內(nèi)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(dāng)環(huán)境溫度0℃以下時(shí)，變槳PLC 不啟動(dòng)，溫度控制器啟動(dòng)加熱器進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到15°加熱停止。另外當(dāng)變槳柜內(nèi)部溫度大于50℃時(shí)，變槳PLC控制啟動(dòng)加熱器散熱風(fēng)扇運(yùn)行，保證變槳系統(tǒng)正常工作。

伺服驅(qū)動(dòng)器的充電/放電模塊及電容監(jiān)視模塊BT負(fù)責(zé)管理超級(jí)電容的充放電和電容的電壓監(jiān)測(cè)。備用電源只有在主電源掉電的時(shí)候才啟用。備用電源可實(shí)現(xiàn)緊急模式下的無延時(shí)切換，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

變槳后備電源選用5 塊16 V/500 F 超級(jí)電容模組，5 個(gè)模組串聯(lián)使用。超級(jí)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(shí)現(xiàn)緊急模式下無延時(shí)切換，確保變槳系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

正常情況下，變槳系統(tǒng)控制變槳電機(jī)運(yùn)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(hào)指令運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)報(bào)安全鏈故障，安全鏈斷開，變槳系統(tǒng)進(jìn)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(jí)電容供電，3 s 后變槳系統(tǒng)進(jìn)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(gè)變槳柜均由獨(dú)立的變槳PLC 控制，當(dāng)一個(gè)變槳柜報(bào)出安全鏈故障時(shí)，其他兩個(gè)變槳柜接收到安全鏈斷開信號(hào)后同步緊急回槳，確保機(jī)組安全停機(jī)。

1.2 變槳系統(tǒng)工作模式

變槳系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)工作模式，貫穿風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行各工況。

1.2.1 起機(jī)模式 變槳系統(tǒng)剛通電，超級(jí)電容尚未充滿電時(shí)，變槳系統(tǒng)處于起機(jī)模式。該模式結(jié)束后可以進(jìn)入正常工作模式。機(jī)組啟動(dòng)過程通過變槳電機(jī)控制槳葉的角度，以使機(jī)組能夠依靠風(fēng)力自行啟動(dòng)。

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(yùn)行，以期達(dá)到額定風(fēng)速后風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)電機(jī)組滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.3 正常停機(jī)工作模式 在正常停機(jī)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(jī)組安全停機(jī)。

1.2.4 緊急停機(jī)模式 在緊急停機(jī)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(yùn)行至安全位置，確保機(jī)組安全停機(jī)。

1.2.5 維護(hù)模式 在維護(hù)模式下，輪轂外部不可以進(jìn)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(hù)模式由主控維護(hù)按鈕進(jìn)行設(shè)定,在維護(hù)人員進(jìn)入輪轂之前，維護(hù)開關(guān)必須合上，變槳系統(tǒng)隨即進(jìn)入維護(hù)模式。

2 安徽巢湖某風(fēng)電場(chǎng)A29 機(jī)組故障描述

2.1 故障現(xiàn)象

安徽巢湖某風(fēng)電場(chǎng)A29 機(jī)組于2016.06.05報(bào)出變槳電機(jī)超速故障，1 號(hào)槳葉和3 號(hào)槳葉均發(fā)生超速，1 號(hào)槳葉和3 號(hào)槳葉最終觸發(fā)95°限位開關(guān)，見圖2。因現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速過大人員無法進(jìn)入輪轂處理故障，導(dǎo)致此臺(tái)風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)間超20 h。

圖2

2.2 故障觸發(fā)邏輯

變槳電機(jī)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(shí)間超過100 ms，故障產(chǎn)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(hào)前后周期角度差大于0.1°，且持續(xù)時(shí)間超過200 ms，故障產(chǎn)生。

3 安徽巢湖某風(fēng)電場(chǎng)A29 機(jī)組變槳電機(jī)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(dòng)作過程中，槳葉發(fā)生變槳電機(jī)超速故障，進(jìn)而導(dǎo)致變槳安全鏈斷開，軸A 軸B 兩個(gè)槳葉執(zhí)行緊急順槳?jiǎng)幼?，在順槳過程中，軸C 槳葉觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)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(jī)超速故障，同樣軸A 槳葉也觸發(fā)了驅(qū)動(dòng)器內(nèi)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(fēng)電場(chǎng)A29 機(jī)組多次發(fā)生變槳電機(jī)超速故障，其余機(jī)組從未報(bào)出該故障。通過對(duì)故障數(shù)據(jù)分析可以看到，A29 所在機(jī)位當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變時(shí)，變槳電機(jī)電流能夠較大輸出，抑制外力載荷變化，但當(dāng)外力足夠大時(shí)，變槳電機(jī)制動(dòng)力矩不足以克服，最終發(fā)生超速。

4 安徽巢湖某風(fēng)電場(chǎng)A29 機(jī)組變槳電機(jī)超速故障處理

（1） 優(yōu)化PLC故障觸發(fā)邏輯：針對(duì)變槳電機(jī)超速故障報(bào)出后誤報(bào)SSI 編碼器故障，導(dǎo)致撞95°限位，大風(fēng)不能上塔維護(hù)，嚴(yán)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(shí)200 ms，改為ABS (actualBladeAngle - oldBladeAngle) ＞0.3 延時(shí)200 ms；

（2） 優(yōu)化變槳驅(qū)動(dòng)器參數(shù)：針對(duì)風(fēng)向發(fā)生改變外部載荷較大，超出變槳電機(jī)制動(dòng)力矩的情況。具體優(yōu)化措施是，修改brakingbooster 由80%調(diào)整至100%，option8 由level4 調(diào)整至level5；

（3） 優(yōu)化PLC位置環(huán)算法邏輯。

5 結(jié)論

通過優(yōu)化變槳PLC程序及變槳驅(qū)動(dòng)器控制參數(shù)，安徽巢湖某風(fēng)電場(chǎng)A29 機(jī)組再未發(fā)生過變槳電機(jī)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(shí)間，提高機(jī)組利用率，減少業(yè)務(wù)發(fā)電量損失。