風(fēng)電機組超速問題案例分析

邵勤豐 王明軍

《雙饋風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速控制與超速參數(shù)設(shè)置》一文提及的轉(zhuǎn)速控制方式和超速參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過了長時間、多個風(fēng)電場、多種機型機組的運行實踐檢驗，運行效果良好，較好地解決了機組超速問題。其轉(zhuǎn)速控制和限制超速的狀態(tài)碼共有10個，它們形成一個互為補充的整體。

從風(fēng)電場的運行實踐來看，只有設(shè)置合理的超速控制參數(shù)，才能讓這些轉(zhuǎn)速控制和超速設(shè)置發(fā)揮出應(yīng)有的作用。本文就某風(fēng)電場機組的超速問題進(jìn)行分析和闡述。某風(fēng)電場機組超速問題及分析

某風(fēng)電場雙饋1.5MW機組同步轉(zhuǎn)速為1500rpm，并網(wǎng)運行范圍是1000～2000rpm，機組的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定值為1800rpmo在大風(fēng)期，該風(fēng)電場機組頻繁報“軟件超速”停機，還經(jīng)常觸發(fā)“剎車200超速”，主軸剎車片磨損嚴(yán)重。

在變槳驅(qū)動器順槳和備用電源緊急順槳均能正常工作的情況下，當(dāng)機組在接近或達(dá)到滿負(fù)荷時，如出現(xiàn)“變頻器故障”的甩負(fù)荷停機或在某些特殊風(fēng)況下，“軟件超速”和“剎車200超速”會同時觸發(fā)并報出，即：當(dāng)機組報“變頻器故障（1409）”時，狀態(tài)碼310、311、312、317、328、319、320也出現(xiàn)在主控的故障狀態(tài)中。

在2010年，某機組因三支葉片同時不能順槳，出現(xiàn)了嚴(yán)重超速和事故。仿真計算顯示，超速參數(shù)值設(shè)置過高，為避免機組飛車超速、提高安全性，應(yīng)對所有機組進(jìn)行超速參數(shù)整改，該超速問題風(fēng)電場也不例外。把所有機組的“軟件超速（310、311、312）”設(shè)置值由2178rpm降為1990rpm，沒有延時;“剎車200超速（317、328、319、320）”設(shè)置值由2400rpm降為2190rpm，也沒有延時。“軟件超速”和“剎車200超速”的參數(shù)值均比正常值降低了，而“極限陣風(fēng)（213）”“變槳自主運行（1905）”和“變頻器超速（1411）”的參數(shù)值不變。即：“極限陣風(fēng)”設(shè)定的觸發(fā)條件為1960rpm，延時0.2秒;控制“變槳自主運行”的超速模塊硬件設(shè)置為1950rpm，由變槳控制器延時0.3秒后觸發(fā)“變頻器超速”的轉(zhuǎn)速設(shè)置值為2000rpm，延時0.1秒。

從該超速參數(shù)設(shè)置值來看，沒有從整體出發(fā)來考慮超速參數(shù)設(shè)置，過分強調(diào)“軟件超速”和“剎車200超速”停機對機組安全的保護(hù)作用，忽略了“極限陣風(fēng)”“變槳自主運行”和“變頻器超速”停機也屬于轉(zhuǎn)速控制和超速保護(hù)范疇，從而割裂了變槳、主控、變頻器和超速模塊等部件在轉(zhuǎn)速控制中的內(nèi)在聯(lián)系，造成了機組頻繁報“軟件超速”，并存在以下幾方面的問題：

第一，因設(shè)置的“軟件超速”參數(shù)值過低，在風(fēng)速較大且不穩(wěn)定時，機組會頻繁報“軟件超速（310、311、312）”停機，即：低速軸超速、發(fā)電機超速和齒輪箱超速。甚至因此造成批量停機，不能保證機組在運行風(fēng)速范圍內(nèi)長期穩(wěn)定運行。

第二，沒有延時的“軟件超速”停機，設(shè)定在機組正常運行范圍（1000～2000rpm）內(nèi)，縮小了機組運行范圍，降低了葉輪儲能效果。1990rpm本來就處于機組的正常運行范圍之內(nèi)，不應(yīng)屬于“超速”。

第三，從參數(shù)設(shè)置值和機組的現(xiàn)場運行結(jié)果來看，“軟件超速”和“極限陣風(fēng)”同時執(zhí)行的情況經(jīng)常出現(xiàn)。這樣，因執(zhí)行“軟件超速”停機，造成只報警不停機的“極限陣風(fēng)”失去了作用。

第四，“軟件超速”與“變槳自主運行”執(zhí)行條件相當(dāng)接近，失去原有設(shè)置的意義和作用。

第五，“軟件超速”的執(zhí)行條件優(yōu)于“變頻器超速”?！白冾l器超速”失去了它應(yīng)有的作用;在低電壓穿越時，容易觸發(fā)“軟件超速”的執(zhí)行條件，造成錯誤執(zhí)行“軟件超速”停機。

第六，“軟件超速”和“剎車200超速”設(shè)定值過低，機組經(jīng)常誤報超速故障。在機組正常運行或故障停機時，頻繁報超速停機，當(dāng)機組真出現(xiàn)超速、飛車時，就不會引起重視，可能失去挽救機組的最佳時機，還可能危及人身及財產(chǎn)安全。

第七，因“軟件超速”參數(shù)值設(shè)置過低，還造成機組報故障不準(zhǔn)確。例如：當(dāng)“變頻器超速”的超速參數(shù)值被錯誤設(shè)置為1900rpm，在風(fēng)速極度變化且負(fù)荷較高時，除觸發(fā)“變頻器超速”外，因機組的“軟件超速”和“剎車200超速”設(shè)置值過低，“軟件超速”和“剎車200超速”等一系列故障也都會報出來，從而不利于故障的分析和判斷，給機組維修帶來困難。

第八，“剎車200超速”設(shè)置為2190rpm，由于設(shè)置值過低，機組滿足該觸發(fā)條件的概率大大增加，造成后備電源緊急順槳和主軸剎車器的動作次數(shù)急劇增加，從而造成主軸剎車器和變槳電機電氣剎車的嚴(yán)重磨損以及主齒輪箱、塔簡和葉片等部件受沖擊次數(shù)的增加。調(diào)整變槳控制算法參數(shù)解決超速停機問題

修改變槳控制算法參數(shù)，主要目的是改善機組并網(wǎng)發(fā)電效率，提升機組發(fā)電量。如將該方法用于解決超速停機問題，則僅限于機組在并網(wǎng)運行期間因變槳控制失當(dāng)而引發(fā)的超速停機問題。然而，通過修改變槳控制算法參數(shù)來解決超速參數(shù)設(shè)置錯誤所引起的機組頻繁報超速故障停機，如果能使機組在并網(wǎng)運行期間報超速停機次數(shù)有所減少，那必然以損失發(fā)電量為代價，也不能從根本上解決該風(fēng)電場機組的超速停機問題，還會帶來一系列新的問題：

第一，機組運行范圍縮小。由于3個“軟件超速（3 10、311和312）”是瞬時觸發(fā)停機，并設(shè)在機組正常運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，機組不可能在1990～2000rpm之間運行。當(dāng)陣風(fēng)來臨、機組瞬時上升速率較大時，為了控制轉(zhuǎn)速，需使葉片迅速順槳，使轉(zhuǎn)速盡量遠(yuǎn)離軟件超速設(shè)定值1990rpm，因此，機組并網(wǎng)運行的轉(zhuǎn)速范圍將進(jìn)一步縮小，葉輪儲能作用降低，不利于充分吸收風(fēng)能，從而損失機組效率和發(fā)電量。

第二，在機組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速（1800rpm）后，距離最高運行轉(zhuǎn)速2000rpm的裕度較小。當(dāng)陣風(fēng)來臨、風(fēng)速急劇變化時，采用非恒功率控制算法會增加扭矩給定，以阻止葉輪轉(zhuǎn)速的上升，這將大大增加對機組機械部件和電網(wǎng)的沖擊;如采用恒功率控制算法，將會減少轉(zhuǎn)矩給定，則更易出現(xiàn)機組報超速停機。

第三，變槳系統(tǒng)過快響應(yīng)會增加機組的故障概率，縮短部件壽命等。為了不觸發(fā)“軟件超速”停機，當(dāng)風(fēng)速高且急劇變化時，只能盡早地采取順槳方式降低轉(zhuǎn)速;風(fēng)速低時，又再次開槳以增加發(fā)電功率和葉輪轉(zhuǎn)速。順槳、開槳的頻率增加，會造成變槳電機與變槳齒輪箱之間的連接部分（如：鍵、鍵槽）、變槳軸承齒圈、變槳小齒圈的磨損加重。對直流變槳系統(tǒng)來說，頻繁變槳還會加速變槳電機碳刷的磨損，加速變槳電機、變槳接觸器等的損壞，增加變槳系統(tǒng)的故障概率。變槳系統(tǒng)過快響應(yīng)還會增加機組的振動，縮短機組的整體壽命。

第四，機組的變槳控制算法參數(shù)只能覆蓋大多數(shù)風(fēng)況，無法覆蓋全部風(fēng)況。當(dāng)風(fēng)速高且急劇變化時，如果葉輪順槳不能有效地阻止葉輪轉(zhuǎn)速上升，則容易觸發(fā)機組報“軟件超速”停機。停機之后，如要再次啟機，因風(fēng)速的急劇變化，易報振動停機。長時間難以并網(wǎng)。如出現(xiàn)“剎車200'斷安全鏈的超速停機，不僅需到現(xiàn)場復(fù)位，嚴(yán)重?fù)p失發(fā)電量，且對機組部件極為不利。

第五，修改變槳控制算法參數(shù)主要對機組并網(wǎng)運行的功率控制起作用，難以對甩負(fù)荷停機后的最高飛升轉(zhuǎn)速起到有效的抑制作用。

因此，修改變槳控制算法參數(shù)不能解決因超速參數(shù)值過低所帶來的問題。因長期失去了解決機組超速停機問題的正確方向，致使此問題多年不能得到解決，由此造成的發(fā)電量損失不可低估。

超速停機狀態(tài)分析

該風(fēng)電場機組的超速問題是由沒有查明飛車超速及事故的真實原因，沒有完全理順超速控制邏輯關(guān)系就執(zhí)行錯誤的超速參數(shù)整改造成的。下面以該風(fēng)電場運行在滿負(fù)荷風(fēng)速以上某機組報故障時的一系列狀態(tài)，闡明故障機組超速參數(shù)設(shè)置值所存在的問題，以及提出此類機組合理的“剎車200超速”參數(shù)值。

圖1-圖6為該機組報故障停機前后的瞬時狀態(tài)圖。橫坐標(biāo)是采樣點的個數(shù)，在300點之前，采樣點之間的時間間隔為20ms;300點以后以100ms為時間間隔采樣。

在50點之前是機組報故障前的運行狀態(tài)。觸發(fā)停機故障瞬時的狀態(tài)，如圖1所示，三支葉片均在0°位置，風(fēng)速為19m/s左右，超過滿發(fā)風(fēng)速。由于葉片結(jié)霜，線型遭到嚴(yán)重破壞，葉輪出力受到極大影響，機組實際功率和轉(zhuǎn)速均低于正常值，因此，機組報“剎車52”降負(fù)荷停機;50點之后的采樣點為機組執(zhí)行停機命令后的一系列狀態(tài)，見圖2一圖6。

如圖1所示，在50點時，風(fēng)速為19m/s，有功功率和轉(zhuǎn)速分別為：677kW、1700rpm。因機組故障，此時主控發(fā)出“剎車52”降負(fù)荷停機命令。

如圖2所示，由于葉輪巨大慣性和接觸器吸合切換需要一定的時間，因此，機組在66點才開始執(zhí)行“剎車52”停機的順槳動作，三支槳葉角度值分別為：0.025°、0.025°、0.025°。由此可知，從機組發(fā)出命令到執(zhí)行順槳耗時約為0.32秒。

如圖3所示，在81點之后，功率為881kW，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1683rpm，瞬時風(fēng)速為18.2m/s，三支槳葉的順槳角度分別為：1.75°、1.75°、1.76°，機組開始執(zhí)行“剎車75”甩負(fù)荷順槳停機。從66點到81點之間，執(zhí)行5。/s的“剎車52”順槳停機。

如圖4所示，在199點，機組功率為一9kW，瞬時風(fēng)速為18.3m/s。三支槳葉的順槳角度分別為：18.00°、18.00°、18.00°。機組高速軸轉(zhuǎn)速為2199rpm，超過“剎車200超速”設(shè)定值2190rpm，觸發(fā)“剎車200超速”停機，由受控的變槳驅(qū)動器順槳切換為備用電源緊急順槳，主軸剎車器參與制動。從81點到199點之間，機組執(zhí)行8。/s的“剎車75”順槳停機。

如圖5所示，在215點，機組高速軸轉(zhuǎn)速為2180rpm，功率為-9kW，瞬時風(fēng)速為18.9m/s。三支槳葉的順槳角度分別為：19.86°、19.73°、19.96°。從199點到215點之間，為由受控的變槳驅(qū)動器順槳轉(zhuǎn)換為后備電源緊急順槳的過程。因此，從發(fā)出“剎車200超速”停機命令到執(zhí)行緊急順槳耗時約為0.32秒。

由圖6可知，在239點，機組的高速軸轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值2269rpm，功率為-7kW，瞬時風(fēng)速為19m/s。三支槳葉的順槳角度分別為：24.52°、24.30°、25.44°。

由圖6可知，執(zhí)行后備電源緊急順槳的速率比受控的變槳驅(qū)動器順槳的速率高。采用電源緊急順槳時，因三支葉片順槳過程不受控，并受風(fēng)、重力和電池供電能力等因素的影響，三支槳葉的順槳速率區(qū)別較大;而變槳驅(qū)動器順槳在整個過程都由主控統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，因此，三支葉片的順槳速率一致。

由機組故障停機過程中的瞬時狀態(tài)圖可知：在停機過程中，受控的變槳驅(qū)動器順槳和后備電源緊急順槳均正常，機組甩負(fù)荷后有一個較高的飛升轉(zhuǎn)速，故障機組的轉(zhuǎn)速由1683rpm（見圖3）飛升到最高轉(zhuǎn)速2269rpm，期間超過機組“剎車200超速”的設(shè)定值（2190rpm），因此。必然要觸發(fā)“剎車200超速”停機。

對圖4和圖6進(jìn)行比較可知，在199點（見圖4）機組轉(zhuǎn)速為2199rpm，超過“剎車200超速”的設(shè)定值，在239點（見圖6）達(dá)到最高轉(zhuǎn)速值，兩點問用時僅為（239—199）×20ms=800ms，即：0.8秒，其后機組轉(zhuǎn)速迅速下降。因此，變槳驅(qū)動器順槳正常的情況下，完全能保證機組安全，主軸剎車器沒有必要參與制動。

由以上分析可知，該風(fēng)電場機組的“軟件超速”參數(shù)值設(shè)置過低，致使限制機組轉(zhuǎn)速的“極限陣風(fēng)（213）”失去作用，在大風(fēng)且風(fēng)速極度不穩(wěn)定時，很容易觸發(fā)“軟件超速”;“剎車200超速”參數(shù)值設(shè)置過低，導(dǎo)致報“剎車200超速”故障頻繁。另一方面，因“剎車200超速”的超速參數(shù)值設(shè)置失當(dāng)，導(dǎo)致在“剎車52”降功率停機過程中，還觸發(fā)了“軟件超速”和“剎車200超速”等一系列停機故障，從而造成機組報故障混亂，給機組故障排查帶來困難，混淆了一般機組故障與機組轉(zhuǎn)速失控、飛車超速的界限。

從該機型的風(fēng)電場實踐來看，如果額定轉(zhuǎn)速設(shè)置在1800rpm左右，在受控的變槳驅(qū)動器順槳正常，限制超速的其他參數(shù)設(shè)置正確、執(zhí)行正常的條件下，當(dāng)機組滿負(fù)荷發(fā)電、甩負(fù)荷時，其飛升轉(zhuǎn)速一般在2100～2300rpm之間，不會超過2400rpm。

由該機組的故障圖可知，速度在2200rpm以上的時間僅在1秒左右，遠(yuǎn)低于雙饋發(fā)電機“發(fā)電機處于熱態(tài)，應(yīng)承受1-2倍的最大工作轉(zhuǎn)速，歷時2分鐘”的國家標(biāo)準(zhǔn)。該雙饋機組最大運行轉(zhuǎn)速為2000rpm，1.2倍最大運行轉(zhuǎn)速，即2400rpm，在發(fā)電機運行能力之內(nèi)，因此，“剎車200超速”的參數(shù)值設(shè)定為2400rpm，符合雙饋發(fā)電機的國家標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，將“剎車200超速”的參數(shù)值由2190rpm設(shè)置為2400rpm;將“軟件超速”參數(shù)值由1990rpm設(shè)置為2178rpm，機組頻繁報超速停機問題就會迎刃而解。

這樣，“極限陣風(fēng)（213）”才能正常發(fā)揮作用，才能既解決超速停機問題，又保證充分發(fā)揮機組性能和實現(xiàn)葉輪最大限度儲能，提高發(fā)電量，減少對電網(wǎng)及機組部件的沖擊。同時，也讓“變槳自主運行（1905）”和“變頻器超速（1411）”在保障機組及部件安全中各司其職。

如《雙饋風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速控制與失控問題分析》一文所述：如果后備電源緊急順槳和受控的變槳驅(qū)動器順槳均不能執(zhí)行，即便是把“軟件超速”和“剎車200超速”的超速參數(shù)值設(shè)置得再低，“軟件超速”和“剎車200超速”也必然不能起到阻止飛車的作用。相反，這兩個超速參數(shù)值設(shè)置過低，不僅會影響機組的運行穩(wěn)定，還會造成機組報故障不準(zhǔn)確、機組及部件壽命的縮短和故障概率增加等問題。

結(jié)語

合理的轉(zhuǎn)速控制以及超速參數(shù)值設(shè)置對機組的正常運行至關(guān)重要。在設(shè)置超速保護(hù)和超速參數(shù)時，應(yīng)充分考慮設(shè)備能力;綜合考慮機組運行的各種制約和影響因素;在機組程序和參數(shù)值最終確定并普遍用于風(fēng)電場機組之前，應(yīng)經(jīng)歷多種風(fēng)況長時間的現(xiàn)場檢驗。