基于SCADA系統(tǒng)的某風(fēng)電場MW級風(fēng)電機(jī)組快速故障診斷與控制策略優(yōu)化

章 敏

（上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司，上海 200233）

0 引言

隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量出現(xiàn)了“井噴式”地增長，但由于風(fēng)電場一般都位于比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，給其運(yùn)行維護(hù)帶來極大不便。風(fēng)電機(jī)組一旦發(fā)生故障，若不能快速進(jìn)行故障診斷，其將被迫停止運(yùn)行，甚至被損壞，從而給風(fēng)電場造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的故障預(yù)防工作，通過對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，可實(shí)時掌握其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠為風(fēng)電機(jī)組故障診斷提供有力的參考依據(jù)，這樣既能夠有效避免故障的發(fā)生，又能夠縮短故障診斷與維修的時間[1]。

目前大型風(fēng)電機(jī)組都采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)采用老一代控制算法，是綜合運(yùn)用了信號采集、在線監(jiān)測和信號分析功能的系統(tǒng)，可以對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)、設(shè)備控制及故障報警等，一般用于風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷輔助，可以為風(fēng)電場的可靠運(yùn)行提供有力的技術(shù)平臺的支持。

本文針對某風(fēng)電集團(tuán)位于云南省的某風(fēng)電場內(nèi)多臺MW級風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行故障問題，基于SCADA系統(tǒng)的故障記錄與運(yùn)行緩存(Buffer)數(shù)據(jù)，定位了各臺風(fēng)電機(jī)組的故障原因，并提出了對應(yīng)的解決方案。尤其針對其中2臺因低電壓穿越過程中變槳控制策略存在缺陷引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速的風(fēng)電機(jī)組，基于風(fēng)電機(jī)組動力學(xué)與變槳控制理論，提出了低電壓穿越變槳控制策略優(yōu)化方案。根據(jù)該控制策略優(yōu)化方案，基于貝加萊工業(yè)自動化(中國)有限公司(下文簡稱“貝加萊公司”)開發(fā)的PLC編程平臺Automation Studio進(jìn)行了控制程序改進(jìn)，并將改進(jìn)后的程序上傳至風(fēng)電機(jī)組的PLC控制器(硬件使用貝加萊公司的X20系列產(chǎn)品)，成功加快了風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越過程中的變槳速率，解決了由此導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速的問題。

1 數(shù)據(jù)分析與故障原因定位

本研究分析的案例為云南省某風(fēng)電場的MW級風(fēng)電機(jī)組。該風(fēng)電場12#、32#、50#、69#、71#等多臺MW級風(fēng)電機(jī)組均出現(xiàn)了運(yùn)行故障問題，SCADA系統(tǒng)監(jiān)控了各臺風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行報錯情況，并記錄了故障風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)。

風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障時，根據(jù)不同的故障類型，SCADA系統(tǒng)的界面上會亮起相應(yīng)的指示燈，通過“故障記錄”按鈕可查看風(fēng)電機(jī)組的故障記錄，通過“手動錄波”按鈕可記錄故障發(fā)生前、后各10 min的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)。根據(jù)運(yùn)行報錯情況，對12#、32#、50#、69#、71#風(fēng)電機(jī)組的故障記錄與運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。故障記錄中：“Status Code”表示“狀態(tài)代碼”；“Description”表示“描述”；“Active Time”表示“激活時間”；“Reset Time”表示“復(fù)位時間”，其中“0:00:00”表示“未自動復(fù)位”。

12#、32#、50#風(fēng)電機(jī)組的故障記錄和運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)分別如表1～ 表3所示。

表1 12#風(fēng)電機(jī)組的故障記錄與運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)Table 1 Fault recording and running Buffer data of No.12 wind turbine

從表1～表3可以看到，12#、32#、50#風(fēng)電機(jī)組的故障記錄均報出在風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越后變流器網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)故障停機(jī)，之后變流器不向主控系統(tǒng)傳輸實(shí)時數(shù)據(jù)，附帶出主控系統(tǒng)報“風(fēng)輪轉(zhuǎn)速比較出錯”“變流器RS232通信中斷”故障，其表現(xiàn)為在風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越變流器故障后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為一個恒定值，而風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為實(shí)時變化的數(shù)據(jù)，具體如圖1～ 圖3所示。由于圖中數(shù)值涉及公司保密數(shù)據(jù)，故未標(biāo)注具體坐標(biāo)軸數(shù)值，僅以曲線趨勢進(jìn)行分析。圖中，縱坐標(biāo)軸代表發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、扭矩、故障碼、變流器控制、槳距角，橫坐標(biāo)軸代表時間；“Buffer Type=1”代表常規(guī)Buffer類型。

圖2 32#風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)分析Fig.2 Running Buffer data analysis of No.32 wind turbine

圖3 50#風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)分析Fig.3 Running Buffer data analysis of No.50 wind turbine

由圖1～圖3可以看出，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速比較值超出最大比較值激發(fā)對應(yīng)故障而報錯，因此，12#、32#、50#風(fēng)電機(jī)組為變流器內(nèi)部故障，需要變流器廠家負(fù)責(zé)排查處理。

69#與71#風(fēng)電機(jī)組的故障記錄和運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)分別如表4～ 表5所示。

表4 69#風(fēng)電機(jī)組的故障記錄與運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)Table 4 Fault recording and running Buffer data of No.69 wind turbine

表5 71#風(fēng)電機(jī)組的故障記錄與運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)Table 5 Fault recording and running Buffer data of No.71 wind turbine

從表4～ 表5可以看出，這2臺風(fēng)電機(jī)組均在低電壓穿越過程中報出風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速故障，需要進(jìn)一步分析風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)，以明確產(chǎn)生故障的具體原因。

69#、71#風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)分析如圖4～ 圖5所示。由于圖中數(shù)值涉及公司保密數(shù)據(jù)，故未標(biāo)注具體坐標(biāo)軸數(shù)值，僅以曲線趨勢進(jìn)行分析。圖中，縱坐標(biāo)軸代表發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、扭矩、故障碼、變流器控制、槳距角，橫坐標(biāo)軸代表時間；“Buffer Type=1”代表常規(guī)Buffer類型。

圖4 69#風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)分析Fig.4 Running Buffer data analysis of No.69 wind turbine

圖5 71#風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)分析Fig.5 Running Buffer data analysis of No.71 wind turbine

從圖4～ 圖5中可以看出，69#和71#風(fēng)電機(jī)組均存在短時間多次在低電壓穿越過程中降負(fù)荷甩扭矩的情況，但在前2次的甩扭矩過程中并未激發(fā)掉電停機(jī)；而當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速上升較快，超過主控系統(tǒng)設(shè)定值導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速時，71#風(fēng)電機(jī)組還在停機(jī)過程中出現(xiàn)了振動超標(biāo)的問題。

在低電壓穿越過程中，風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)了降負(fù)荷甩扭矩，此時變槳控制系統(tǒng)需要快速響應(yīng)以增大槳距角。而圖4～圖5顯示，69#、71#風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)未能及時抑制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的快速提升，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速。因此，主控系統(tǒng)需要考慮針對69#、71#風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行低電壓穿越過程中的變槳控制策略優(yōu)化。

2 問題處理

根據(jù)上述分析，主控系統(tǒng)主要考慮針對69#、71#風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行故障問題進(jìn)行低電壓穿越過程中的變槳控制策略優(yōu)化。

2.1 理論分析

首先通過葉素動量理論揭示槳距角與風(fēng)輪氣動力矩的關(guān)系，之后給出風(fēng)輪氣動力學(xué)模型，探討負(fù)載力矩突然消失時風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

2.1.1 葉素動量理論

以風(fēng)輪軸線為中心，分別以半徑r和“r+dr”對風(fēng)輪進(jìn)行環(huán)形切割截取，得到厚度為dr的翼型剖面微元，稱為葉素。葉素的截面幾何關(guān)系如圖6所示[2]。圖中：?為入流角；θ為葉素槳距角；α為攻角；vrel為相對來流速度；vrot為切向相對風(fēng)速；va為軸向風(fēng)速。

圖6 葉素截面幾何關(guān)系Fig.6 Geometric relationship of blade element section

假設(shè)無窮遠(yuǎn)絕對來流速度為v1，軸向誘導(dǎo)因子為a，由貝茨理論可知，軸向誘導(dǎo)速度為av1，則軸向風(fēng)速va可表達(dá)為：

設(shè)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動角速度為ω，切向誘導(dǎo)因子為a′，則風(fēng)輪平面內(nèi)的切向誘導(dǎo)速度為a′ωr，則切向相對風(fēng)速vrot可表達(dá)為：

則相對來流速度vrel可表達(dá)為：

以上這些參數(shù)之間的關(guān)系滿足圖6中的幾何關(guān)系，即：

葉素氣動力分析如圖7所示。圖中：pN為軸向推力；pT為周向推力；L為升力；D為阻力；R為風(fēng)輪半徑。

圖7 葉素氣動力分析示意圖Fig.7 Schematic diagram of aerodynamic analysis of blade element

綜上所述可知，攻角由速度比和槳距角確定，進(jìn)而可以確定對應(yīng)攻角下的升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD。

則L的表達(dá)式為：

式中：ρ為空氣密度；C為葉素弦長。

D的表達(dá)式為：

根據(jù)圖7可以推導(dǎo)出，pT的表達(dá)式為：

葉素轉(zhuǎn)矩M的表達(dá)式為：

則表征風(fēng)輪氣動力矩的轉(zhuǎn)矩系數(shù)CM可表達(dá)為：

式中：B為葉片數(shù)。

2.1.2 風(fēng)輪模型

為了考察風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)模型，假設(shè)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量為J，風(fēng)輪所受氣動力矩為MR，發(fā)電機(jī)對風(fēng)輪軸處的扭矩為MG，則風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)動力學(xué)方程可表示為：

式中：t為時間。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越過程中甩扭矩時，忽略發(fā)電機(jī)對于軸的轉(zhuǎn)動慣量，式(11)中的MG將突然減小為零，而此時風(fēng)輪所受氣動力矩MR不變，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速將開始加速。因此，需要及時控制來快速減小MR值，以避免風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速。

2.2 解決方案

如前文所述，低電壓穿越過程中風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速問題主要是由于在低電壓穿越過程中風(fēng)電機(jī)組多次降負(fù)荷甩扭矩，使風(fēng)輪負(fù)載力矩突然消失，而氣動力矩未能快速減小，進(jìn)而使風(fēng)輪所受合力的力矩突然增大，導(dǎo)致風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)加速度提升，最終造成風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速。

由式(9)～式(10)可知，減小葉素的周向推力可以減小風(fēng)輪氣動力矩。對于低電壓穿越運(yùn)行狀態(tài)，假設(shè)風(fēng)速與轉(zhuǎn)速變化平緩，則由式(6)～式(8)可知，葉素的周向推力由升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD決定。

對于風(fēng)電機(jī)組而言，升力系數(shù)和阻力系數(shù)都是攻角和雷諾數(shù)的函數(shù)，在失速之前，升力系數(shù)隨攻角的增大而呈線性增加，而阻力系數(shù)幾乎不變[2]。因此，一個可行的方案是，在低電壓穿越過程中風(fēng)電機(jī)組降負(fù)荷甩扭矩時，通過減小葉素的攻角來減小升力系數(shù)，以達(dá)到減小風(fēng)輪氣動力矩的目的，從而避免風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速。

通過查看風(fēng)電機(jī)組控制器中的PLC程序可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越過程中的變槳控制系統(tǒng)采用的是常規(guī)PID控制。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在電壓跌落期間降到原負(fù)載轉(zhuǎn)矩的40%以下時，風(fēng)電機(jī)組正常發(fā)電運(yùn)行時的PID參數(shù)無法阻止風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的快速升高，風(fēng)電機(jī)組會超速停機(jī)[3]。本文考慮的低電壓穿越變槳控制策略優(yōu)化方案是加快風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越過程中的變槳速率，即考慮在小槳距角(小于5°)時變槳速率取較大值，為6°/s；而在大槳距角(大于15°)時變槳速率取較小值，為3°/s，具體如表6所示。槳距角的中間狀態(tài)則通過插值計算變槳速率。

表6 低電壓穿越過程中的變槳速率Table 6 Pitch rate during LVRT

2.3 方案實(shí)施

根據(jù)上述解決方案，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組控制器中PLC語言程序的實(shí)際情況，考慮在現(xiàn)有的低電壓穿越過程中的變槳控制策略基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越過程中提高變槳速率，同時也需要盡量減少控制器程序的改動量，以避免影響風(fēng)電機(jī)組其他控制策略。因此，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越狀態(tài)被激活時，考慮將變槳速率下限值提高，以實(shí)現(xiàn)快速變槳，也就是將風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越過程中變槳速率下限值依據(jù)表6中的變槳速率進(jìn)行設(shè)置。

2.4 處理效果

為考察主控系統(tǒng)程序進(jìn)行上述更新后的效果，特進(jìn)行實(shí)驗室PLC程序測試，參數(shù)初始情況如圖8所示。

圖8 實(shí)驗室PLC程序測試的參數(shù)初始情況Fig.8 Parameters initial condition of laboratory PLC program test

通過激活低電壓穿越信號(顯示為“gConvLVRTTEST”)，觀察在槳距角(顯示為“MeasuredPitchTEST”)不同賦值情況下，變槳速率下限值的變化情況，具體結(jié)果如圖9所示。測試時，槳距角的單位為rad，變槳速率的單位為rad/s。

從圖9可以看出，變槳控制參數(shù)測試結(jié)果與表6的變槳策略預(yù)期一致。

圖9 變槳控制參數(shù)測試結(jié)果Fig.9 Test results of pitch control parameters

在貝加萊公司開發(fā)的Automation Studio平臺上進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的仿真模擬過程中，采用上述低電壓穿越變槳控制策略優(yōu)化方案，對槳距角數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如圖10所示。

圖10 槳距角數(shù)據(jù)采集Fig.10 Data acquisition of pitch angle

采集到的槳距角實(shí)時變化情況如圖11所示。由于圖中數(shù)值涉及公司保密數(shù)據(jù)，故未標(biāo)注具體坐標(biāo)軸數(shù)值，僅以曲線趨勢進(jìn)行分析。圖中，縱坐標(biāo)軸代表槳距角，橫坐標(biāo)軸代表時間。

圖11 槳距角的變化情況Fig.11 Variation condition of pitch angle

從圖11的測試結(jié)果可以看出，在風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越過程中，在小槳距角狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)快速變槳，在大槳距角狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)變槳。因此，更新后的程序能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓穿越過程中的變槳控制策略的優(yōu)化，解決了風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速的故障問題。

3 結(jié)論

本文針對某風(fēng)電集團(tuán)位于云南省某風(fēng)電場多臺MW級風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行故障問題，基于SCADA系統(tǒng)的故障記錄與運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，快速明確了各風(fēng)電機(jī)組的故障原因，并基于風(fēng)電機(jī)組動力學(xué)與變槳控制理論，對其中2臺風(fēng)電機(jī)組由于在低電壓穿越過程中變槳控制策略存在缺陷引起的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速問題提出了低電壓穿越變槳控制策略優(yōu)化方案。根據(jù)該優(yōu)化方案，基于貝加萊公司開發(fā)的PLC編程平臺Automation Studio進(jìn)行了控制程序改進(jìn)并進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示，優(yōu)化后的程序成功加快了風(fēng)電機(jī)組在低電壓穿越過程中的變槳速率，解決了由此導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速問題?；赟CADA系統(tǒng)的故障記錄與運(yùn)行Buffer數(shù)據(jù)有利于快速進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組故障診斷并明確故障原因，有助于算法工程師在此基礎(chǔ)上針對風(fēng)電機(jī)組實(shí)際控制器程序進(jìn)行控制優(yōu)化。