Repower 1.5MW風(fēng)力機(jī)組直流串勵(lì)變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念解析

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

1 介紹

變槳系統(tǒng)是風(fēng)力機(jī)組的主剎車系統(tǒng)，對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)組來說，收槳系統(tǒng)保證風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行安全最重要的環(huán)節(jié)。本文從實(shí)踐出發(fā)，分不同的狀況和條件對(duì)不同類型的變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行解析。

2 直流串勵(lì)變槳系統(tǒng)的優(yōu)越性

在通常情況下，直流變槳電機(jī)收槳系統(tǒng)的成本遠(yuǎn)高于交流變槳電機(jī)收槳系統(tǒng)的成本。Repower系列1.5MW風(fēng)力機(jī)組從保證機(jī)組安全方面考慮，采用高成本的直流串勵(lì)變槳電機(jī)收槳系統(tǒng)。

直流串勵(lì)變槳電機(jī)的收槳系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

第一，直流變槳電機(jī)的收槳系統(tǒng)安全性高。

從風(fēng)力機(jī)組安全方面來看，交流變槳電機(jī)的收槳系統(tǒng)與直流串勵(lì)變槳電機(jī)的變槳系統(tǒng)相比，前者的安全性低于后者。交流變槳電機(jī)的變槳系統(tǒng)，在電池順槳時(shí)，必須經(jīng)過輪轂驅(qū)動(dòng)器把直流逆變成交流，然后再送到交流變槳電機(jī)，從而增加了一個(gè)逆變環(huán)節(jié)，電池順槳時(shí)的故障幾率增加；直流收槳系統(tǒng)減少了直流轉(zhuǎn)交流逆變的環(huán)節(jié)，從而使電池收槳的故障幾率降低，提高風(fēng)力機(jī)組的安全性。

另外，當(dāng)電池收槳控制回路故障時(shí)，在風(fēng)機(jī)故障的情況下，還可能通過：電池（或交流400V）—接觸器—輪轂驅(qū)動(dòng)器—直流變槳電機(jī)，使葉片達(dá)到安全位置。提高了風(fēng)力機(jī)組的安全性。

第二，直流串勵(lì)變槳電機(jī)的收槳系統(tǒng)不存在消磁問題。

交流異步變槳電機(jī)的體積重量與直流串勵(lì)變槳電機(jī)基本一致。直流永磁和交流永磁變槳電機(jī)存在高溫和振動(dòng)條件下退磁問題，某些廉價(jià)的變槳電機(jī)可能在140℃就會(huì)退磁。在風(fēng)場(chǎng)大風(fēng)天氣變槳電機(jī)達(dá)到140℃較為常見，如遇到變槳軸承潤滑不良，異物卡住變槳電機(jī)的溫度可能上升到更高，從而使變槳電機(jī)磁場(chǎng)減弱，收槳能力減弱，危及風(fēng)力機(jī)組安全；而直流串勵(lì)電機(jī)的磁場(chǎng)是由線圈電流提供，因此不存在退磁、消磁問題。

所以，直流串勵(lì)變槳系統(tǒng)，不僅安全性高，而且性能長久穩(wěn)定可靠。

3 直流變槳系統(tǒng)的重大安全性故障分析

3.1 狀態(tài)碼1159故障的來源和故障處理

Mita控制器的狀態(tài)碼1159故障，存在此故障時(shí)，一般可以通過非正常手段起機(jī)，如果風(fēng)力機(jī)組不出現(xiàn)電池順槳，或電池檢測(cè)，風(fēng)力機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行后與正常風(fēng)力機(jī)組沒有任何區(qū)別。

此狀態(tài)碼的含義是：風(fēng)力機(jī)組控制器發(fā)出信號(hào)M521變?yōu)?后，在風(fēng)力機(jī)組控制器的輸入端口M129沒有接收到信號(hào)，不能變?yōu)?。在電池檢測(cè)時(shí)，三支葉片應(yīng)該在預(yù)定的時(shí)間達(dá)到限位開關(guān)（M129變?yōu)?），但是，由于風(fēng)力機(jī)組故障葉片達(dá)到限位開關(guān)的時(shí)間過長，或者是不能達(dá)到限位開關(guān)位置，風(fēng)力機(jī)組就會(huì)報(bào)此故障。

在出現(xiàn)以上現(xiàn)象時(shí)，可能是由于某支葉片故障造成葉片在電池順槳時(shí)，一支葉片不能達(dá)到限位開關(guān)位置。對(duì)于這種情況，很容易被現(xiàn)場(chǎng)人員理解和發(fā)現(xiàn)，處理故障的方法也較為容易。這種情況要一支以上甚至三支葉片同時(shí)不能順槳，其概率極小。

但還可能是由于電池順槳的控制回路，或旁路限位開關(guān)的控制回路被強(qiáng)行供電，在控制器發(fā)出電池順槳信號(hào)后，上述回路不能斷電，致使葉片不能通過正常的電池順槳回路進(jìn)行收槳。風(fēng)力機(jī)組按照控制器程序三支葉片都通過輪轂驅(qū)動(dòng)器的交流供電使葉片回到90°位置，此時(shí)三支葉片都不能達(dá)到限位開關(guān)位置， 控制器的輸入端口M129就不能變?yōu)?，所以，會(huì)報(bào)1159狀態(tài)碼。

在正常情況下的電池順槳是：電池→接觸器→變槳電機(jī)回槳，這種收槳方式，只受風(fēng)力機(jī)組的硬件控制，而與輪轂控制器和風(fēng)力機(jī)組控制器的軟件設(shè)置無關(guān)。

風(fēng)力機(jī)組有此故障時(shí)，在變槳通訊和交流400V供電正常的情況下，風(fēng)力機(jī)組控制器要求電池順槳時(shí)，可以通過：交流400V→接觸器→輪轂驅(qū)動(dòng)器→變槳電機(jī)，進(jìn)行回槳。受風(fēng)力機(jī)組控制器WP3100控制三支葉片準(zhǔn)確地回到90°，因風(fēng)力機(jī)組的葉片不能撞到限位開關(guān)，報(bào)1159故障。此時(shí)風(fēng)力機(jī)組雖然能夠通過另外的方式執(zhí)行緊急順槳，但存在重大的安全隱患，還存在飛車的危險(xiǎn)。調(diào)試人員檢查和處理此類故障也存在一定的難度。對(duì)于這種故障應(yīng)該引起高度重視。

從現(xiàn)場(chǎng)的故障處理經(jīng)驗(yàn)來看，這種故障的來源可能來自于：風(fēng)力機(jī)組控制柜、輪轂的生產(chǎn)接線；風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的故障；調(diào)試人員不適當(dāng)?shù)墓收咸幚矸绞?；在風(fēng)力機(jī)組維護(hù)過程中，要緊固葉片螺栓，轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，但是，由于風(fēng)力機(jī)組控制柜的葉片維護(hù)開關(guān)壞，或者是沒有葉片維護(hù)開關(guān)的鑰匙，維護(hù)人員強(qiáng)行給電池順槳的控制回路，或旁路限位開關(guān)的控制回路提供直流24V，在葉片維護(hù)完畢后，沒有把線路還原，從而造成風(fēng)力機(jī)組要求電池順槳時(shí)，葉片不能按正常的電池順槳回路進(jìn)行順槳。

3.2 存在狀態(tài)碼1159故障對(duì)風(fēng)力機(jī)組安全的危害①

由于控制回路故障而報(bào)1159的風(fēng)力機(jī)組，如不及時(shí)處理讓其運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)力機(jī)組故障停機(jī)需要電池順槳時(shí)，可能出現(xiàn)以下三種狀況：變槳通訊故障下的電池順槳；輪轂的交流供電故障時(shí)的電池順槳；以上這兩種情況以外的電池順槳。

下面就這三種情況予以具體分析：

（1）存在1159故障，在風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行過程中，報(bào)變槳通訊故障，這種情況會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)組三只葉片同時(shí)不能收回

此時(shí)的風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)最危險(xiǎn)。下面以LUST輪轂為例，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行說明，而SSB輪轂的情況與此類似。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)組處于非變槳狀態(tài)，葉片是一直處于0°位置。在報(bào)變槳通訊故障后，由于存在1159故障，造成輪轂軸控柜3K1一直處于吸合狀態(tài)，風(fēng)力機(jī)組不能切換到正常的電池順槳回路進(jìn)行順槳，并且，輪轂控制器L&B的A1.5、A2.5、A3.5分別是三葉片在風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行過程中解開變槳電機(jī)電器剎車的控制信號(hào)，葉片停止在某一角度超過三十秒不變，輪轂控制器這三個(gè)端口的24V供電斷開，三個(gè)軸控柜的接觸器3K2斷開，軸控柜的3K7和3K5都不能吸合。由于在變槳通訊故障，輪轂控制器不能得到解開電器剎車的指令，因此，三個(gè)輪轂電機(jī)的電器剎車就不能解開，三支葉片同時(shí)不能收回。

風(fēng)力機(jī)組正在啟機(jī)過程中，或者是并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)組所需要的能量小于風(fēng)提供的能量時(shí)，風(fēng)力機(jī)組就處于變槳狀態(tài)。風(fēng)力機(jī)組在報(bào)變槳通訊故障后，由于存在1159故障，造成輪轂軸控柜3K1一直處于吸合狀態(tài)，風(fēng)力機(jī)組不能切換到正常的電池進(jìn)行順槳，此時(shí)的變槳電機(jī)電器剎車雖然已經(jīng)解開，但是，輪轂的變槳電機(jī)處于伺服狀態(tài)，由于變槳通訊故障，輪轂控制器沒有接收到角度變化指令，三葉片的角度均保持不變，所以，三支葉片同時(shí)不能變化或順槳。

在一般情況下，并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)組由于風(fēng)力機(jī)組故障而脫網(wǎng)，風(fēng)力機(jī)組甩負(fù)荷，風(fēng)力機(jī)組所受的阻力減小，并且，三支葉片同時(shí)不能順槳，風(fēng)力機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)迅速上升，當(dāng)風(fēng)力機(jī)組轉(zhuǎn)速超過超速模塊（Pitch run away）的設(shè)定值時(shí)，超速模塊動(dòng)作，通過控制柜超速模塊到輪轂的接線，把信號(hào)傳送到輪轂控制器，此時(shí)，輪轂控制器不再執(zhí)行風(fēng)力機(jī)組控制器的指令，只按輪轂控制器的程序執(zhí)行，通過輪轂驅(qū)動(dòng)器的交流供電使風(fēng)力機(jī)組收槳，三支葉片都回到90°位置，也能保證風(fēng)力機(jī)組安全。

但是，如果再有超速模塊線路故障，或輪轂400V供電跳閘等，勢(shì)必造成三支葉片不能同時(shí)順槳，在風(fēng)速足夠大時(shí)，嚴(yán)重危及風(fēng)機(jī)安全。

（2）風(fēng)力機(jī)組在運(yùn)行過程中，沒有報(bào)變槳通訊故障，輪轂驅(qū)動(dòng)器供電的交流400V斷開或不正常?？赡苡捎陔娋W(wǎng)故障，或者是由于風(fēng)力機(jī)組的其他故障，例如：接觸器跳閘，從而造成輪轂的400V交流供電的不正常或斷開。

（a）對(duì)于SSB輪轂，風(fēng)力機(jī)組能通過輪轂驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電池順槳。

當(dāng)風(fēng)機(jī)處于非變槳狀態(tài)超過30s，變槳電機(jī)剎車器閉合。運(yùn)行風(fēng)力機(jī)組電池順槳時(shí)， 對(duì)于SSB輪轂，由于輪轂400V交流供電有問題，變槳電機(jī)的剎車器通過輪轂軸控柜的電壓檢測(cè)模塊切換電池供電狀態(tài)，變槳電機(jī)剎車器解開，輪轂驅(qū)動(dòng)器通過內(nèi)部切換轉(zhuǎn)換成電池供電狀態(tài)，風(fēng)力機(jī)組達(dá)到輪轂驅(qū)動(dòng)器的電池順槳。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)組的變槳電機(jī)剎車器處于解開狀態(tài)（例如：風(fēng)力機(jī)組處于變槳過程中），由于輪轂供電故障，變槳電機(jī)的剎車器通過輪轂軸控柜的電壓檢測(cè)模塊，把變槳電機(jī)剎車器的供電由交流供電切換到電池供電狀態(tài)。使變槳電機(jī)的剎車器仍然處于解開狀態(tài)，輪轂驅(qū)動(dòng)器通過內(nèi)部切換轉(zhuǎn)換成電池供電狀態(tài)，風(fēng)力機(jī)組達(dá)到輪轂驅(qū)動(dòng)器的電池順槳。

對(duì)于以上的兩種情況，只要輪轂軸控柜延時(shí)繼電器5K2的時(shí)間設(shè)置適當(dāng)，可以通過輪轂驅(qū)動(dòng)直接把電池切換到輪轂電機(jī)，進(jìn)行輪轂驅(qū)動(dòng)器的電池順槳，并且，風(fēng)力機(jī)組的三支槳葉都能回到的限位開關(guān)位置，所以，一般情況下，對(duì)風(fēng)力機(jī)組安全沒有太大影響。

（b）對(duì)LUST輪轂，可以解開變槳電機(jī)的電器剎車，但是，輪轂驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部不能切換到直流供電狀態(tài)或者三支葉片同時(shí)不能順槳。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)組故障，電池順槳時(shí)，風(fēng)力機(jī)組處于變槳過程中，變槳電機(jī)的電器剎車解開過程如下：

1159故障致使軸控柜的3K1一直處于吸合狀態(tài)，當(dāng)輪轂供電的400V交流供電斷開時(shí)，軸控柜電壓檢測(cè)模塊1A2使4K3斷開，又由于風(fēng)力機(jī)組一直處于變槳狀態(tài)，輪轂控制器L&B的A1.5、A2.5、A3.5的這三個(gè)端口給出24V供電，所以，三軸控柜的3K2處于吸合狀態(tài)，軸控柜3K7吸合，然后，解開變槳電機(jī)電器剎車的電池供電接觸器3K5和交流供電接觸器3K7都處于吸合狀態(tài)，這時(shí)，解開變槳電機(jī)的電器剎車，既能由電池供電，也能用交流供電，變槳電機(jī)的電器剎車也是這樣解開的。

此時(shí)，交流400V已經(jīng)斷開，只能由電池供電解開變槳電機(jī)的電器剎車，風(fēng)力機(jī)組的三支葉片可以隨著重力和風(fēng)力而轉(zhuǎn)動(dòng)。即便是輪轂驅(qū)動(dòng)器不能通過內(nèi)部把輪轂電池通過驅(qū)動(dòng)器直接切換到輪轂變槳電機(jī)，雖然，三支葉片不能完全順槳，已經(jīng)把變槳電機(jī)的電器剎車解開，使三支葉片偏離迎風(fēng)面的位置，從而減少了風(fēng)力機(jī)組飛車的危險(xiǎn)。

風(fēng)力機(jī)組處于非變槳狀態(tài)，變槳電機(jī)的剎車器閉合。當(dāng)風(fēng)力機(jī)組故障緊急順槳時(shí)，對(duì)LUST輪轂來說，如果風(fēng)力機(jī)組在運(yùn)行過程中，變槳電機(jī)剎車器處于閉合狀態(tài)，此時(shí)的輪轂控制器L&B的A1.5、A2.5、A3.5的這三個(gè)端口24V供電斷開，所以，三軸控柜的3K2處于斷開狀態(tài)，解開變槳電機(jī)電器剎車的電池供電接觸器3K5和交流供電接觸器3K7都處于斷開狀態(tài)，這時(shí)，變槳電機(jī)的電器剎車閉合，當(dāng)風(fēng)力機(jī)組故障時(shí)，風(fēng)機(jī)控制器給輪轂控制器發(fā)出信號(hào)，三軸控柜的3K2吸合，風(fēng)力機(jī)組通過電池供電解開變槳電機(jī)剎車器，但是，輪轂電機(jī)不能供電，三葉片不能完全順槳。

（3）存在1159故障，在變槳通訊和輪轂驅(qū)動(dòng)器的交流400V供電正常的情況下，運(yùn)行風(fēng)力機(jī)組故障，緊急順槳時(shí)，由風(fēng)力機(jī)組控制器的程序設(shè)定使三支葉片都回到90°位置

由于風(fēng)力機(jī)組故障不能切換到正常的電池順槳回路，在變槳通訊和變槳電機(jī)的交流供電都正常的情況下，風(fēng)力機(jī)組通過外界供電，按照Mita控制器的程序執(zhí)行使三支葉片都回到90°位置。這種情況，一般不會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)組安全造成重大影響，但是，發(fā)現(xiàn)故障后應(yīng)及時(shí)處理。

綜上所述，無論是對(duì)于LUST輪轂，還是SSB輪轂，當(dāng)Mita風(fēng)力機(jī)組控制器報(bào)狀態(tài)碼1159故障時(shí)，應(yīng)高度重視，及時(shí)處理，否則將可能嚴(yán)重危及風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行安全。

4 Mita控制器WP3100剎車190程序分析

Mita控制器WP3100的風(fēng)力機(jī)組，當(dāng)出現(xiàn)剎車190故障時(shí)，葉輪執(zhí)行電池順槳，同時(shí)主軸剎車器動(dòng)作。即便是葉片不能回到92°限位開關(guān)位置，主軸剎車器也會(huì)在30s之后自動(dòng)解開。

風(fēng)力機(jī)組在運(yùn)行過程中，如果風(fēng)力機(jī)組故障，三葉片同時(shí)不能順槳，此時(shí)風(fēng)力機(jī)組控制器會(huì)報(bào)變槳速度太慢，剎車程序190，主軸剎車器動(dòng)作，風(fēng)力機(jī)組因主軸剎車器的保護(hù)作用可以使風(fēng)力機(jī)組完全停下來，但是，在風(fēng)力機(jī)組停下來之后，超過30s，風(fēng)力機(jī)組的主軸剎車器會(huì)自動(dòng)松開，此時(shí)，由于風(fēng)的作用，風(fēng)輪再次迅速旋轉(zhuǎn)起來，在風(fēng)速足夠大的情況下，可以使風(fēng)力機(jī)組迅速飛車。

此時(shí)，由于風(fēng)力機(jī)組已經(jīng)存在故障，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)起來后不可能并網(wǎng)，風(fēng)力機(jī)組所受的阻力很小，風(fēng)機(jī)迅速超速，當(dāng)主軸剎車器再次動(dòng)作時(shí)，不僅風(fēng)機(jī)不能停下來，而且，由于剎車器的作用可能造成巨大的熱量和火化，從而造成風(fēng)力機(jī)組起火、倒塌事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

通過上述分析可知，Repower系列1.5MW風(fēng)力機(jī)組的設(shè)計(jì)完善，有多重安全保護(hù)措施，只要風(fēng)力機(jī)組的生產(chǎn)、安裝、接線，啟機(jī)、調(diào)試和維護(hù)都嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行，有故障及時(shí)排除，尤其是當(dāng)風(fēng)力機(jī)組存在安全隱患時(shí)，不排除隱患決不啟機(jī)，風(fēng)力機(jī)組的飛車、倒塌事故是完全可以避免的。這也是經(jīng)過Repower廠家長期的運(yùn)行實(shí)踐所證實(shí)了的。

①注：本文的所列圖號(hào)都是取自于Repower1.5MW風(fēng)力機(jī)組的SSB和LUST的電氣元件號(hào)。