蓄電池緊急收槳型風(fēng)機延時保護的研究及應(yīng)用

吳增金

摘要：因風(fēng)力發(fā)電機組在緊急收槳過程中限流電阻燒損，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組輪轂控制柜內(nèi)繼電器大面積損壞，造成風(fēng)機長時間故障停運。文章通過對故障情況的分析，提出了兩種方式來消除該故障：一是通過選擇合適的限流電阻功率實現(xiàn)準(zhǔn)確限流；二是通過增加緊急收槳延時控制功能，對整個緊急收槳過程進行限時控制。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；緊急收槳；限流電阻；直流電機；延時回路；蓄電池 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）27-0019-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.009

1 概述

風(fēng)力發(fā)電作為可再生的新能源在我國近年來得到了快速的發(fā)展。隨著風(fēng)電在電能結(jié)構(gòu)中的比重不斷提高，電網(wǎng)對風(fēng)電的質(zhì)量要求也隨之不斷提高，因而對風(fēng)機在各種風(fēng)況下安全穩(wěn)定運行提出更高的要求。風(fēng)力發(fā)電機組緊急收槳回路，是在風(fēng)機變槳系統(tǒng)故障時，提供后備電源，保證風(fēng)輪安全的關(guān)鍵所在。風(fēng)機緊急收槳方式大致分為三類，即經(jīng)超級電容供電收槳、通過液壓蓄能器收槳、通過緊急收槳電池供電收槳。第一類為經(jīng)超級電容供電收槳。電容為變槳系統(tǒng)提供備用電源，是由4個超級電容組串聯(lián)而成的額定電壓為60V總?cè)萘繛?08F，可用能量為150kJ。每個超級電容組430F，16V。超級電容能量存儲模塊是一個獨立的能量存儲設(shè)備，最多能夠存儲55kJ（15.3Whr）的能量。能量存儲模塊由6個獨立的超級電容單元、激光焊接的母線連接器和一個主動的、完整的單元平衡電路組成。單元可以串聯(lián)連接以獲得更高的工作電壓（215F，32V；143F，48V；107.5F，64V等）。也可以并聯(lián)連接提供更大的能量輸出（860F，16V；1290F，16V等）或者是串聯(lián)和并聯(lián)的組合來獲得更高的電壓和更大的能量輸出。常見機型金風(fēng)系列變槳距發(fā)電機組。第二類為通過液壓蓄能器收槳。當(dāng)液壓泵停止工作且所有閥失磁的時候，蓄能器將提供200bar的壓力，給收槳缸，進行收槳動作。常見機組維斯塔斯V80機組。第三類為通過緊急收槳電池供電收槳。在風(fēng)機輪轂內(nèi)的電池柜，將在風(fēng)機變槳系統(tǒng)故障時，為變槳電機直接提供備用直流電源。其的組成由6個12V蓄電池組成1個電池組，4個電池組組成一個電池柜，為變槳電機提供288VDC的直流電源。常見機型湘電直驅(qū)式同步永磁風(fēng)力發(fā)電機組。

某風(fēng)電場地處中部山區(qū)，裝機50臺2.0MW直驅(qū)式同步發(fā)電機，平均海拔1800m，某月因限流電阻燒損導(dǎo)致的風(fēng)機停運共計發(fā)生3次，這類故障屬于嚴(yán)重故障。一是元件損失量大，因限流電阻燒損產(chǎn)生的鋁屑噴散，導(dǎo)致輪轂控制柜內(nèi)的其他電氣元件損壞；二是消缺時間長，由于鋁屑在噴散后，會導(dǎo)致柜內(nèi)全部受其污染，而且經(jīng)常有鋁屑沖進繼電器內(nèi)，清掃鋁屑的工作要求十分細致，工作量十分大；三是降低了設(shè)備的可靠性，由于輪轂控制柜內(nèi)電氣元件布置較為精細，限流電阻燒損后的鋁屑，多數(shù)沖進了繼電器及接觸器內(nèi)，影響了電氣元件的可靠性，致使消缺后變槳故障頻發(fā)的現(xiàn)象。

可見，該故障造成后果是非常嚴(yán)重的，針對故障原因進行分析并予以改良將大大提高風(fēng)機設(shè)備的可靠性。一是通過選擇合適的限流電阻功率實現(xiàn)準(zhǔn)確限流，通過計算變槳電機的一、二級啟動沖擊電流，得出的限流功率，發(fā)現(xiàn)原限流電阻無法滿足其實際設(shè)計值，根據(jù)計算更換功率相符限流電阻；二是通過增加緊急收槳延時控制功能，對整個緊急收槳過程進行限時控制。

2 緊急收槳過程中限流電阻燒損的統(tǒng)計及原因分析

蓄電池型緊急收槳系統(tǒng)，采用的電池柜給變槳電機提供后備電源，繼而進行緊急收槳動作。

2.1 限流電阻燒損統(tǒng)計

據(jù)統(tǒng)計，該風(fēng)電場8月累計發(fā)生限流電阻燒損3次，該故障帶來的設(shè)備損傷嚴(yán)重，同時需要較長消缺時間，影響到設(shè)備可靠性運行，甚至?xí)幸l(fā)柜內(nèi)起火的安全隱患。表1為故障統(tǒng)計表：

備注：（1）損壞元件為限流電阻燒損后，產(chǎn)生的鋁屑沖損輪轂控制柜的元件數(shù)；（2）經(jīng)濟損失為損失電量以0.61元/度折合的金額與損壞元件的金額之和；（3）重復(fù)缺陷數(shù)為限流電阻故障消缺之后，因該故障引起其他元件不可靠工作，導(dǎo)致的故障停機次數(shù)。

2.2 限流電阻燒損原因分析

蓄電池型緊急收槳電路圖，如圖1所示。其中BAT288V為電池柜供電，18K4為緊急收槳供電回路的主接觸器，18K1為限流電阻12R1的旁路接觸器，12R1和12R1.1為限流電阻阻值分別為1.67Ω、1.25Ω，變槳電機為直流電機，其參數(shù)為額定功率9.5kW，額定電壓為288VDC，額定電流為38A。由該圖可知，變槳電機在啟動時串聯(lián)了兩個限流電阻，限流啟動?？刂苹芈窞槿鐖D2所示。

結(jié)合圖1和圖2，可以得出整個緊急收槳過程，其整個過程主要分為三個階段：一是圖2中端電壓給予后，18K5線圈先得電，18K5閉合，18K4線圈得電后，圖1中變槳電機得電工作；二是在進行變槳的過程中，由于控制回路有兩個延時繼電器對18K1線圈進行控制，此兩個延時繼電器皆為延時斷開，所以在啟動過程中前1s為電機串聯(lián)兩個限流電阻啟動，1s之后12R1限流電阻被旁路掉；三是當(dāng)葉片動作到90°時，限位開關(guān)走上限位行程后，圖2中的+24VDC被斷開，變槳電機剎車失電抱閘鎖死。

根據(jù)以上對變槳過程的描述，通過故障現(xiàn)象，并對易損元件進行分析。推斷出造成限流電阻燒損的原因有三個：一是由于機械卡死或者電機堵轉(zhuǎn)等情況導(dǎo)致葉片收不回槳葉，此時電池會持續(xù)給電機與緊急收槳回路供電，電池過放電，導(dǎo)致電池損壞，限流電阻發(fā)熱損壞；二是在緊急收槳過程中，電機剎車一直處于提起狀態(tài)，葉片處于懸浮狀態(tài)，在大風(fēng)的情況下阻力增加，電機的啟動轉(zhuǎn)矩增大，限流電阻過流燒損；三是限流電阻功率存在不匹配的情況，導(dǎo)致啟動的電流過大，在高啟動轉(zhuǎn)矩的情況，啟動電流將更加大，這也是限流電阻燒損的主要原因。

可采取以下兩種對策，一是增加限流電阻功率實現(xiàn)變槳電機在高啟動轉(zhuǎn)矩的情況下，不發(fā)生限流電阻因過流燒損的情況；二是通過增加緊急收槳延時控制回路，實現(xiàn)整個緊急收槳過程的閉環(huán)控制和限時控制，杜絕電池持續(xù)給電機與緊急收槳供電導(dǎo)致的電池過度放電。

3 增加緊急收槳延時控制回路

風(fēng)機在緊急收槳過程中，如果由于機械卡死或者電機堵轉(zhuǎn)等情況導(dǎo)致葉片收不回槳葉，此時電池會持續(xù)給電機與緊急收槳回路供電，剎車一直處于提起狀態(tài)，葉片處于懸浮狀態(tài)，風(fēng)機處于較危險狀態(tài)。再則電池過放電，導(dǎo)致電池損壞，限流電阻存在因發(fā)熱而損壞風(fēng)險。

通過對緊急收槳控制回路原理圖的分析，在緊急收槳回路增加延時功能，其作用為當(dāng)葉片收槳動作超過延時繼電器所設(shè)定的時間后，將會斷開電機的電樞、勵磁和剎車電源。

3.1 緊急收槳控制電路增加延時功能設(shè)計思路

為確保對緊急收槳在供電過程的控制?？梢栽?8K5后增加個延時斷開的常閉接點18K8.2，其線圈的優(yōu)先級最高。其主要作用為，在設(shè)定時間內(nèi)還未完成緊急收槳動作，18K8.2常閉接點將斷開，之后18K4線圈斷電，其后變槳電機切出。

為確保在緊急收槳過程失敗后，能及時將讓變槳電機及時剎車，并抱閘鎖死。在18K5線圈及18K7線圈前，增加個延時斷開的常閉接點18K8.1，其線圈的優(yōu)先級與18K8.2線圈一致。當(dāng)延時繼電器設(shè)定的時間達到后，18K8.1接點將斷開，剎車供電回路接點的線圈18K7將失電，剎車也將失電剎車。

3.2 延時回路時間設(shè)定

緊急收槳過程中，按照6°/s的收槳速度計算，葉片最大收槳時間為15s，在設(shè)計收槳時間里，葉片收回限位開關(guān)，延時繼電器則斷電，如果葉片沒有收回限位開關(guān)，則延時時間到20s和22s，延時繼電器動作，斷開電機的電樞、勵磁和剎車電源。

現(xiàn)將18K8.2設(shè)置20s延時，在20s內(nèi)沒有完成緊急收槳動作，將會斷開電機的緊急收槳電源。將18K8.1設(shè)置22s延時，22s后將斷開剎車電源，電機剎車失電抱閘。

圖3為根據(jù)上述思路，對圖2增加了延時回路。通過增加延時回路，實現(xiàn)了對整個緊急收槳過程的供電控制，同時實現(xiàn)了電機剎車的有序控制。消除了因變槳過程中因機械故障，導(dǎo)致電池持續(xù)對電機供電，致使電池損壞和限流電阻燒損及電機長時間無剎車動作，帶來不確定的危險因素。

4 通過增加限流電阻功率降低沖擊電流

如圖1緊急收槳原理圖所示，采用串電阻二級啟動，限流電阻的參數(shù)為1.25Ω、750W和1.67Ω、750W，其中1.67Ω電阻在緊急收槳啟動1s時切出緊急收槳回路，1.25Ω為一直串聯(lián)在緊急收槳回路。電機電樞電阻為0.14Ω。

4.1 變槳電機串聯(lián)電阻的啟動電流計算

根據(jù)限流電阻的參數(shù)，求出額定電流。

由于起動轉(zhuǎn)矩T1大于負載轉(zhuǎn)矩TL，電動機收到加速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)矩有零逐漸上升，電動機開始起動。在圖4（b）中，由a點沿著曲線1上升，反電動勢亦隨之上升，電樞電流下降，電動機的轉(zhuǎn)矩亦隨之下降，加速轉(zhuǎn)矩減小。上升到b點時，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點Km1閉合，切除一段起動電阻Rk1后，b點所對應(yīng)的電樞電流I2成為切換電流，其對應(yīng)的電動機的轉(zhuǎn)矩T2成為切換轉(zhuǎn)矩。切除RK1后，電樞回路總電阻為Ra2=ra+Rk2。這時電動機對應(yīng)于由電阻Ra2確定的人為機械特性。在切除起動電阻RK1的瞬間，由于慣性電動機的轉(zhuǎn)速不變，仍為nb，其反電動勢亦不變。因此電樞電流突增，其相應(yīng)的電動勢轉(zhuǎn)矩也突增。適當(dāng)?shù)剡x擇切除的電阻值Rk1，使切除Rk1后的電樞電流剛好等于I1，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T2，即在曲線2上的c點。又有T1>T2，電動機在加速轉(zhuǎn)矩作用下，由c點沿曲線2上升到d點。控制點Km2閉合，又切除一切起動電阻Rk2。同理，由d點過度到e點，而且e點正好在固定的機械特性上。電樞電流又由I2突增到I1相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)矩由T2突增到T1。T1>T2，沿固有特性加速到g點T=TL，n=ng電動機穩(wěn)定運行，起動過程結(jié)束。

在分級起動過程中，各級的最大電流I1（或者相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T2）及切換電流I2（或者與之對應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩T2）都是不變的，這樣使得啟動過程中有均勻的加速。要滿足以上電樞回路串接電阻分級啟動的要求，前提是選擇合適的各級啟動電阻。

根據(jù)計算，一級啟動沖擊電流最大可達為150A，二級啟動沖擊電流為100A，在載荷較大情況下緊急收槳，UNITRON控制柜中限流電阻的功率達不到實際設(shè)計值，根據(jù)計算，限流電阻功率達到2kW為最佳設(shè)計。

4.2 變槳電機串聯(lián)電流電阻的選擇

根據(jù)計算，一級啟動沖擊電流最大可達為150A，二級啟動沖擊電流為100A，在12m/s風(fēng)速下，緊急收槳電流平均值可達50A，限流電阻的沖擊功率分別達13kW和17kW，此時根據(jù)計算，限流電阻功率達到2kW為最佳設(shè)計。

5 結(jié)語

實現(xiàn)緊急收槳全過程精確控制和保證其安全動作，是確保風(fēng)力發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵一環(huán)。通過對某風(fēng)電場實際生產(chǎn)中所遇情況分析，針對緊急收槳控制回路無全過程限時控制以及通過對變槳電機的一、二級啟動沖擊電流的計算，通過在緊急收槳回路上增加延時控制，確保對整個緊急收槳的動作時間控制，消除因機械及電機本身問題，造成的電池持續(xù)放電后，導(dǎo)致的電池損壞以及限流電阻燒損；針對限流電阻功率設(shè)計不匹配的情況，增加2kW限流功率的電阻，實現(xiàn)在較大啟動轉(zhuǎn)矩時電機安全啟動。

參考文獻

[1] 張志英，趙萍，李銀鳳.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] A.Kusiak，H.Zheng，Z.Song.Wind farm power prediction：a data mining approach，J of Wind Energy [J].IEEE Trans on Power Systems，2009 （12）.

[3] C. W. Potter， M. Negnevitsky.Very short-term wind forecasting for Tasmanian power generation[J].IEEE Trans on Power Systems，2006，（11）.

[4] Ricardo J.Bessa，Vladimiro Miranda.Entropy and correntropy against minimum square error in offline and online three-day ahead wind power forecasting[J].IEEE Trans on Power Systems，2009，24（4）.

[5] J.P.S.Catalan，H.M.I.Pousinho，V.M.F.Mendes. Hybrid wavelet-PSO-ANFIS approach for short-term wind power forecasting in Portugal[J].IEEE Trans. on Sustainable Energy， 2011， 2 （1）.

[6] 尹明，李庚銀，張建成等.直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機組 建模及其控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（5）.

[7] 葉航冶， 劉琦.風(fēng)力發(fā)電機組變槳距控制系統(tǒng)[J].機 電工程， 1999 （5）.

[8] 徐大平， 張新房，柳亦兵.風(fēng)力發(fā)電機組控制問題綜 述[J].中國電力，2005，38（4）.

[9] Vapnik V.The Nature of Statistical Learning theory [M].New York： Spdnge-Verlag， 1995.

[10] 李強，姚興佳，陳雷.兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組變槳距 機構(gòu)分析[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2004， 26 （2）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）