風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳?jiǎng)x車(chē)?yán)^電器失效問(wèn)題探究

申能新能源（青海）有限公司 趙 維 王 剛 侯海東

現(xiàn)今國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組陸地裝機(jī)容量日趨飽滿(mǎn)，海上機(jī)組也在快速發(fā)展中，然而機(jī)組如何持續(xù)安全穩(wěn)定的運(yùn)行成了業(yè)內(nèi)共同努力的目標(biāo)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)中，大部分機(jī)組的變槳系統(tǒng)采用變槳距的控制方式。該控制方式信號(hào)經(jīng)由變槳控制柜進(jìn)行指令的發(fā)送與匯總，并將信息通過(guò)光纖、PROFIBUS-DP等通訊方式經(jīng)由塔上機(jī)艙柜送至塔下主控柜PLC主站模塊進(jìn)行綜合處理，因此變槳系統(tǒng)的故障均需進(jìn)行登塔處理，造成變槳系統(tǒng)導(dǎo)致的故障處理時(shí)間長(zhǎng)、安全隱患多、發(fā)電量損失大、體力勞動(dòng)頻繁等不利因素現(xiàn)狀。為盡可能減少以上不利因素帶來(lái)的影響，變槳系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。在對(duì)機(jī)組運(yùn)行維護(hù)中也常出現(xiàn)由于變槳?jiǎng)x車(chē)?yán)^電器失效，導(dǎo)致無(wú)法正常變槳。雖然問(wèn)題發(fā)現(xiàn)與解決的較為及時(shí)，沒(méi)有讓事件進(jìn)一步惡化發(fā)展，但這些問(wèn)題的原因和改進(jìn)措施值得我們?nèi)ヌ骄俊?/p>

1 變槳?jiǎng)x車(chē)?yán)^電器失效問(wèn)題探究

某南方多個(gè)運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)多臺(tái)機(jī)組變槳?jiǎng)x車(chē)?yán)^電器失效不執(zhí)行變槳指令的故障，甚至有單獨(dú)一個(gè)風(fēng)場(chǎng)一個(gè)月內(nèi)由此導(dǎo)致的故障多達(dá)50次，故障小時(shí)數(shù)高達(dá)216小時(shí)，嚴(yán)重影響該風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量指標(biāo)的完成及日常工作的開(kāi)展。

為更有效的對(duì)失效原因進(jìn)行探究，對(duì)其中一個(gè)案例進(jìn)行分析：2018年8月12日某南方風(fēng)電場(chǎng)一臺(tái)機(jī)組在正常運(yùn)行情況下突然故障停機(jī)，其故障及故障值分別為“1#變槳逆變器OK信號(hào)丟失/1”、“變槳安全鏈觸發(fā)/0”、“變槳位置比較偏差大/3.6”、“緊急！葉片未正常收回/1”。通過(guò)查看故障手冊(cè)可知其觸發(fā)邏輯為“三個(gè)葉片中任意兩個(gè)葉片位置的差值最大值的絕對(duì)值持續(xù)20ms大于等于3.5度”。了解到觸發(fā)邏輯后對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)故障文件檢索、篩選發(fā)現(xiàn)如表1，可看出“槳位置比較偏差大”故障真實(shí)被觸發(fā)，可將此故障作為四個(gè)故障中的主故障作為下一步分析的主要方向。

表1 故障觸發(fā)表

由圖1可看到1#葉片變槳位置數(shù)據(jù)在-10s到30s之間卡死，在故障后葉片位置始終保持在7.1度，且現(xiàn)場(chǎng)嘗試復(fù)位操作及手動(dòng)變槳葉片均不能正常動(dòng)作，首先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)初步判斷故障可能點(diǎn)如下：剎車(chē)回路有電氣元器件損壞或線(xiàn)路開(kāi)路；AC2損壞或缺相；充電器或超級(jí)電容損壞；旋轉(zhuǎn)編碼器損壞卡死；接發(fā)信號(hào)回路異常。結(jié)合以上可能問(wèn)題點(diǎn)繼續(xù)對(duì)故障文件進(jìn)行深入分析。

圖1 時(shí)間-葉片角度關(guān)系圖

如圖2可看出，當(dāng)前變槳需求速度與電機(jī)接收變槳速度一致(由于變槳電機(jī)接收速度曲線(xiàn)（如圖綠色所示）與變槳需求速度曲線(xiàn)（如圖紅色所示）完全一致，導(dǎo)致變槳需求速度曲線(xiàn)被變槳電機(jī)接收速度曲線(xiàn)覆蓋（紅色曲線(xiàn)被綠色曲線(xiàn)覆蓋）)，可以判斷“接發(fā)信號(hào)回路異?！笨赡茳c(diǎn)排除，通過(guò)對(duì)圖三數(shù)據(jù)的觀察可看出旋轉(zhuǎn)編碼器采集數(shù)據(jù)連續(xù)性較好未出現(xiàn)跳變情況，可以初步判斷旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)異常。

圖2 時(shí)間-變槳接收、需求速度及實(shí)際速度關(guān)系圖

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)超級(jí)電容電壓在79V～90V之間的正常范圍內(nèi)（圖3），因此可排除可能點(diǎn)“充電器及超級(jí)電容損壞”?，F(xiàn)場(chǎng)使用相序表對(duì)AC2相序進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)相序表顯示“R”說(shuō)明AC2相序顯示正常，由此排除可能點(diǎn)“AC2損壞或缺相”。至此僅有可能點(diǎn)“剎車(chē)回路有電氣元器件損壞或線(xiàn)路開(kāi)路”未進(jìn)行排除。因此現(xiàn)場(chǎng)對(duì)葉片1進(jìn)行手動(dòng)變槳嘗試觀察其剎車(chē)?yán)^電器是否動(dòng)作并松開(kāi)葉片電磁剎車(chē)，在手動(dòng)變槳嘗試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著手動(dòng)變槳的進(jìn)行，變槳電機(jī)的溫度在跟隨升高且未聽(tīng)到剎車(chē)?yán)^電器松開(kāi)時(shí)的聲響。因此懷疑剎車(chē)?yán)^電器損壞，對(duì)其進(jìn)行更換后變槳恢復(fù)正常。

圖3 時(shí)間-電容電壓關(guān)系圖

2 解決方案

由于該問(wèn)題為普遍性問(wèn)題，使用該繼電器并出現(xiàn)同類(lèi)問(wèn)題的風(fēng)場(chǎng)多在雨水較多或現(xiàn)場(chǎng)較潮濕的風(fēng)場(chǎng)。因此對(duì)失效的繼電器進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部線(xiàn)路均未出現(xiàn)損壞，但其觸點(diǎn)部分多出現(xiàn)氧化以及銹蝕情況。因此判斷為其觸點(diǎn)部分在潮濕區(qū)域抗氧化性較差。那么解決方案有以下幾點(diǎn)：

現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)較多該型號(hào)的繼電器備件?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)組一旦發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題，第一時(shí)間予以更換并定期對(duì)全場(chǎng)該型繼電器進(jìn)行更換（根據(jù)風(fēng)場(chǎng)情況不同，每半年或3年進(jìn)行一次全場(chǎng)更換）；對(duì)該型號(hào)繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行耐腐蝕改造，使其觸點(diǎn)具備較強(qiáng)的耐腐蝕、抗氧化能力；進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)新型的適合潮濕區(qū)域的專(zhuān)用繼電器，要求該繼電器具備較好的防腐蝕及抗氧化性能并要求其具備密封性能，將內(nèi)部敏感器件與外界進(jìn)行隔離，進(jìn)一步對(duì)內(nèi)部敏感器件及觸點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。

針對(duì)方案進(jìn)行分析：方案一短期成本最低但長(zhǎng)期需要承擔(dān)額外工作量和成本支出；方案二成本居中，但其僅對(duì)抗氧化能力進(jìn)行加強(qiáng)延長(zhǎng)使用壽命并未從根本上解決。隨著時(shí)間的推移很有可能再次出現(xiàn)批量爆發(fā)；方案成本最高，但其能最大程度的解決此類(lèi)問(wèn)題。針對(duì)方案進(jìn)行分析后，考慮到該問(wèn)題涉及范圍較廣、機(jī)組較多，因此決定同時(shí)采用方案二和方案三兩種方式同時(shí)進(jìn)行可行性?huà)鞕C(jī)實(shí)驗(yàn)。

方案二：測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境。甘肅某濕度較低風(fēng)電場(chǎng)（濕度低于40%），湖北某較濕潤(rùn)風(fēng)電場(chǎng)（濕度在40%～80%之間），云南某濕度較大風(fēng)電場(chǎng)（濕度大于80%）；測(cè)試機(jī)組數(shù)量為不同濕度區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)分別掛機(jī)30臺(tái)；測(cè)試時(shí)長(zhǎng)三個(gè)月。

方案三：測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境。甘肅某濕度較低風(fēng)電場(chǎng)（濕度低于40%），湖北某較濕潤(rùn)風(fēng)電場(chǎng)（濕度在40%～80%之間），云南某濕度較大風(fēng)電場(chǎng)（濕度大于80%）；測(cè)試機(jī)組數(shù)量為不同濕度區(qū)域分別掛機(jī)30臺(tái)；測(cè)試時(shí)長(zhǎng)三個(gè)月。

按上述實(shí)驗(yàn)條件的約束下，分別對(duì)方案二與方案三掛機(jī)實(shí)驗(yàn)的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行為期3個(gè)月的實(shí)驗(yàn)觀察、記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：30臺(tái)掛機(jī)機(jī)組中，除方案二在濕度較大區(qū)域（濕度大于80%）損壞3組、損壞率為10%外，其余機(jī)組無(wú)損壞，損壞率為0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)較潮濕區(qū)域以下區(qū)域（全年最大濕度低于80%）可采用方案二的方式，這樣可保證解決該問(wèn)題的同時(shí)成本支出較低。針對(duì)濕度較大區(qū)域需采用方案三的方式，使用新型的專(zhuān)用繼電器解決此類(lèi)問(wèn)題。最終通過(guò)這兩種技改方案，變槳?jiǎng)x車(chē)?yán)^電器失效問(wèn)題得到解決。

3 結(jié)語(yǔ)

由于絕大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳控制部分均位于數(shù)十米甚至數(shù)百米的高空中，其維護(hù)時(shí)存在安全隱患較大、體力勞動(dòng)的強(qiáng)度較高等諸多缺陷，且由此會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)企業(yè)較高的人力、安全投入等成本的支出，因此著重減少變槳的故障頻次是各個(gè)風(fēng)機(jī)廠商及業(yè)主共同努力的目標(biāo)。