東汽1.5MW風機變槳系統(tǒng)回路設計開發(fā)研究

摘 要：隨著風力發(fā)電機組運行年限的增長，風機設備普遍存在老化，長期運行易造成風機變槳系統(tǒng)無法順利運行勢必會對風電場的正常運行產(chǎn)生極為不利的影響，隨著時代的不斷發(fā)展和進步，風電場的風機設備可謂是越來越先進，但是由于風電場運行環(huán)境惡劣，加之其他多種因素的影響和干擾，當前某風電場運行10年的東汽1.5MW風機變槳系統(tǒng)回路在運行期間出現(xiàn)了諸多缺陷和不足。為了更好地解決相關(guān)問題，優(yōu)化風機運行效率，本文將對風機變槳系統(tǒng)回路設計與開發(fā)問題進行研究和分析，希望能夠更好地優(yōu)化系統(tǒng)運行，滿足社會的電力需求。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機;變槳系統(tǒng);回路;優(yōu)化

一、背景

東汽風機槳葉在電池回槳的過程中，電池回槳回路的1R1泄流電阻因承受較大電流，使該泄流電阻溫度升高，其熱量釋放通道受限，導致周邊的元器件溫度上升，某些器件阻燃等級不夠，從而引起變槳系統(tǒng)中電路器件因溫度過高而燒壞，影響風機安全穩(wěn)定運行。該項目旨在對東汽風機變槳系統(tǒng)回路、1R1泄流電阻及相關(guān)電氣元件安裝的合理性進行設計研究，使1R1泄流電阻產(chǎn)生的熱能及時釋放，確保變槳系統(tǒng)各電氣元件安全穩(wěn)定運行，進而提高風機的運行可靠性。

二、風機變槳系統(tǒng)缺陷原因分析

某風電場東汽FD77B型機組已投運10年，自2019年1月—2020年5月，該風電場#2、#41、#47、#54、#61、#77、#103、#104等多臺風機發(fā)生因變槳控制柜中1R1泄流電阻未有效散熱，導致軸控柜內(nèi)臨近泄流電阻的各電氣元件受熱損壞，損壞情況如圖1所示：

經(jīng)現(xiàn)場檢查分析發(fā)現(xiàn)，元器件損壞風機均處于非正常運行狀態(tài)正常，具體問題原因如下：

第一，限位開關(guān)失效，這時槳葉會一直轉(zhuǎn)動直到電池電壓降到不能使6K1吸合，由于運行時間過長，后備電池釋放的能量大部分通過電池收槳回路釋放。導致6K1燒壞，甚至1R1發(fā)熱量過大燒壞臨近各電氣元器件，電機也會因長時間的超負荷工作燒壞。

第二，變槳減速器卡死或因6K2元器件損壞等原因引發(fā)剎車沒有打開，導致電機堵轉(zhuǎn)，這時通過電機的電流會急劇增大，導致1R1的溫升急劇升高，從而燒壞旁邊的元器件。

1R1泄放電阻為波紋功率電阻，其額定電阻20歐，功率65瓦，在電池回路收槳的情況下，該電阻直接串聯(lián)在后備電池的正負極回路中，由于電機的電樞電阻極小，由I=U/R的關(guān)系，收槳回路產(chǎn)生的電流很大，功率電阻產(chǎn)生熱量巨大，若沒有合適的釋放通道，電阻溫度將迅速升高，特別是在頻繁變槳的情況下，電阻產(chǎn)生的熱量將直接損壞周邊的電路。

由圖2可以看出，正?；貥獣r，400V輸入經(jīng)由主開關(guān)、分流電阻、直流三相濾波器到直流驅(qū)動器，驅(qū)動器輸出接直流變槳電機。此時變槳電機的控制由驅(qū)動器完成，即槳葉控制受驅(qū)動器控制，電池收槳回路不起作用，1R1是不得電的。

由圖3可以看出，在電池回槳的過程，后備電池電壓經(jīng)過1R1，再經(jīng)由驅(qū)動器內(nèi)部的二極管整流橋到達電機，經(jīng)過電機電樞回到電池構(gòu)成電池收槳回路。可見此回路中，后備電池的電壓幾乎全加在1R1及電機電樞上，只能通過1R1分擔電機電樞的電壓，以保護電樞在頻繁地回槳過程中不被燒壞。電機電樞的電壓一般很小，幾乎可以忽略，1R1電阻目前的規(guī)格是65W、20歐姆。電池電壓一般是245伏，根據(jù)公式：P=U*U/R;計算得出電阻的瞬時功率為P=245*245/20=3001.25W。正常電池回槳的過程是13到15秒鐘，考慮到此過程中電壓下降程度很少，所以電阻的功耗根據(jù)公式：W=PT;電阻的功耗約為3001.25*15=45018.75j;這個熱量較大，65W功率的波紋電阻會受到一定影響。

若風機槳葉可正?；貥?，波紋電阻可以釋放該熱量的，不足以引起電阻燒壞元器件的，所以出現(xiàn)燒壞元器件這個狀況都是在不正常情況下出現(xiàn)的。不正常情況分為兩類：第一：限位開關(guān)不起作用，或者是說沖過限位開關(guān)。這時候槳葉會一直轉(zhuǎn)動直到電池電壓降到不能使6K1吸合，這個時候由于運行時間過長，后備電池釋放的能量大部分通過電池收槳回路釋放。輕者導致6K1燒壞，重者導致1R1發(fā)熱量過大燒壞元器件，電機也會因為長時間的超負荷工作燒壞。第二種情況是齒輪箱卡死，或者因為6K2元器件等原因剎車沒有打開，導致的電機堵轉(zhuǎn)這個時候電機的電流會急劇增大，導致1R1溫度急劇升高燒壞其他電器元件。

三、風電場風機變槳系統(tǒng)回路設計開發(fā)研究內(nèi)容

（一）研究內(nèi)容的詳細說明

（1）采用新材質(zhì)對1R1波紋電阻規(guī)格、結(jié)構(gòu)進行重新設計、制作及優(yōu)化，同時電阻的規(guī)格重新選擇，考慮到電池收槳時需要保持一定的收槳速度，電阻的阻值不宜太小;同時為了保持電池收槳回路電流不能太大，保證電阻的發(fā)熱程度不能過高。

（2）對1R1泄流電阻回路進行重新布置，由于柜體內(nèi)空間有限，且氣流無法流通，選擇將泄流電阻置于軸箱柜體外面，電阻線頭通過M插頭的備用線連接。為了加大散熱功率，電阻采用正反兩面各裝一個共兩只的方式。電阻的安裝支架安裝孔利用重載插頭的安裝孔固定，無須另外打孔，安裝維護方便，也不會改變箱體的安全防護等級。

（3）將波紋電阻周邊的整流器滅弧器6A1和6A2換成阻燃材料的同樣性能器件，如圖6所示。

（二）技術(shù)指標

為確保電池收槳時保持一定的收槳速度，電阻的阻值不宜太小;同時為了保持電池收槳回路電流不能太大，保證電阻的發(fā)熱程度不能過高。

工作電壓范圍：≤1.2kV;

額定功率范圍：60W～1000W;

額定阻值范圍：1～10KΩ;

耐壓范圍：AC3KV 50HZ/5s;

IP等級：IP00.IP33。

（三）創(chuàng)新點

（1）R1泄流電阻材質(zhì)與結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。采用新型材質(zhì)制作1R1波紋電阻，電阻表面包裹散熱材料，并設置開孔，形成高效的散熱通道，確保在高發(fā)熱、持續(xù)震動、環(huán)境條件變化大等客觀因素下，電阻不開裂、不漏砂、不失效。

（2）R1泄流電阻及回路結(jié)構(gòu)布局的創(chuàng)新。對1R1泄流電阻電氣回路進行重新布置，電阻自身采用一體化設計，將電阻布置于變槳軸控柜外側(cè)，解決泄流電阻輻射的熱量導致周邊電氣件損壞的問題，符合風機防火要求。

四、風電場風機變槳系統(tǒng)改造的預期經(jīng)濟、社會效益

（一）經(jīng)濟效益

電池收槳回路作為變槳系統(tǒng)最后一道安全保障，在風機系統(tǒng)中意義無可替代，其回路部件的安全性、可靠性對風機運行具有重要的、無可比擬的作用，選擇更可靠的回路組件，對用戶風機的穩(wěn)定運行極具價值。泄流電阻的損壞造成的不完全損失如下：

（1）組件本體損壞，目前一套組件的價格在1000元左右，一臺風機3000元;

（2）周邊電氣件的燒毀，包括接觸器、開關(guān)、整流器、回路組件等，初估計價值在3000元左右，一臺風機10000元;

（3）發(fā)電量損失：按停機加恢復一周時間估算，每天發(fā)電量10000元，發(fā)電量損失70000元左右;

（4）人力成本的損失：由于箱體在輪轂內(nèi)，傳統(tǒng)維修方案電氣回路接線不易恢復，且導致以后故障頻發(fā)，費時費力，單次人力成本一人天500元左右，按發(fā)生頻次，損失巨大，每臺損失約3500元。

綜上所述，更換新的能耗電阻方案能解決泄流電阻燒毀并導致周邊電氣件燒毀問題，提升風機效益和經(jīng)濟價值，按每年30%故障率統(tǒng)計，每年可增加收益296.65萬元。

（二）社會效益

通過項目改造，對于早期老風機的利用率得到了有效的提升，減少了現(xiàn)場風場人員工作量，從而提高了員工的工作效率，同時對于企業(yè)內(nèi)部來說提高內(nèi)部管理效能和市場競爭力，提高能源整體效率和效益，為集團創(chuàng)造管理提升的經(jīng)濟效能。另外從安全性角度來說，減少降低了安全生產(chǎn)事故發(fā)生率，保障了員工的安全和企業(yè)財產(chǎn)的損失，從而為社會減少不必要的開支。

（三）應用前景

早期的風機設計結(jié)構(gòu)基本相似，且都有不同程度的問題點，通過此次的改造樣本進行可靠性評估，有利于后期對于風機進行批量性和可靠性的技改來提高機組利用效率。

總之，為了更好地發(fā)揮風電場的優(yōu)勢，滿足廣大人民群眾的用電需求，必須要不斷對風機進行優(yōu)化設計，在發(fā)現(xiàn)風機運行已經(jīng)落后于實際生產(chǎn)需求時，就應當?shù)谝粫r間對相關(guān)問題予以優(yōu)化和調(diào)整，否則的話，經(jīng)濟效益和社會效益難以得到有效提升，這樣對于相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步將會產(chǎn)生巨大的阻礙作用。

參考文獻：

[1]唐影，張春富，陳健.風機變槳控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學研究[J].軟件導刊，2021，20（07）：212-216.

[2]殷緒強，趙彬，孟宏.基于迭代自適應方法的風機變槳系統(tǒng)優(yōu)化控制[J].節(jié)能，2021，40（06）：28-30.

[3]李震領(lǐng)，李維，姜超.雙饋風電機組變槳系統(tǒng)簡介及典型故障處理[A].中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會風力機械分會、中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會.第八屆中國風電后市場交流合作大會論文集[C].中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會風力機械分會、中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會：中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會風力機械分會，2021：5.

[4]顧軍民，陳思函，馬永光.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的風電機組變槳系統(tǒng)故障預警[J].電力科學與工程，2020，36（12）：37-43.

作者簡介：馮猛（1992— ），男，漢族，河北石家莊晉州人，碩士，研究方向：熱能工程。