風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)檢修分析

楊繼光

（朝陽工程技術(shù)學(xué)校，遼寧朝陽 122000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國對(duì)能源短缺問題愈發(fā)突顯，而風(fēng)力發(fā)電是清潔可再生能源之一受到關(guān)注。但是由于目前技術(shù)上的不成熟以及生產(chǎn)成本較高等因素，導(dǎo)致目前國內(nèi)大部分城市中普遍存在著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無人值守、停電等情況發(fā)生，且無法及時(shí)檢修或更換發(fā)電機(jī)。部分偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)供熱不足也造成了大量電能損失，給風(fēng)力發(fā)電企業(yè)發(fā)展造成巨大阻礙。因此，本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)檢修進(jìn)行相應(yīng)分析。

1 系統(tǒng)原理

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)組成

風(fēng)電機(jī)組中的關(guān)鍵設(shè)備，主要由齒輪箱、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和葉輪等部分組成。齒輪箱、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩者之間用螺栓進(jìn)行聯(lián)結(jié)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使其運(yùn)轉(zhuǎn)正常工作運(yùn)行。三相交流異步電動(dòng)機(jī)則作為功率變換裝置來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或變頻電機(jī)運(yùn)作，以滿足不同的負(fù)荷要求，從而達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)中負(fù)載比例、提高系統(tǒng)效率和改善節(jié)能性等目的。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣傳動(dòng)裝置

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一種，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速范圍內(nèi)任意方向風(fēng)速的控制，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部采用了變頻器和主電路，可以減少電力設(shè)備對(duì)電網(wǎng)沖擊。在整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)與停機(jī)過程中都需要一個(gè)穩(wěn)定、高效、快速的控制裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣傳動(dòng)裝置系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和風(fēng)力機(jī)組額定轉(zhuǎn)速之間是線性關(guān)系：在風(fēng)速低于額定值時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出快速變頻控制信號(hào)，通過控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)槳葉旋轉(zhuǎn)速度保持不變；當(dāng)風(fēng)速高于最大允許范圍（±3%）后，啟動(dòng)變頻器則進(jìn)行變速操作以達(dá)到改變發(fā)電機(jī)有功出力頻率的目的來維持輸出電壓恒定，延長電機(jī)壽命。

1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種利用風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，主要由發(fā)電機(jī)、齒輪箱和逆變器等部分構(gòu)成。其中電力電子系統(tǒng)作為核心部件來工作，在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中扮演著重要角色。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)檢修理論基礎(chǔ)

2.1 特點(diǎn)

風(fēng)能經(jīng)過多次的轉(zhuǎn)換后，可以直接轉(zhuǎn)化為電能，具有很多優(yōu)點(diǎn)：①就是風(fēng)能利用效率高，對(duì)環(huán)境污染??；②風(fēng)力發(fā)電不需要燃料燃燒，排放廢氣等污染物，被稱為“綠色機(jī)器”、“無煙工業(yè)”；③風(fēng)力發(fā)電具備較高效率和清潔性能，節(jié)能環(huán)保性強(qiáng)，且與可再生能源相兼容等特點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。

2.2 系統(tǒng)檢修的主要關(guān)鍵點(diǎn)

（1）風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和故障分析。其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)檢修主要以風(fēng)能轉(zhuǎn)換器、發(fā)電機(jī)等為主要研究對(duì)象。對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)著重選取了主回路中兩個(gè)獨(dú)立變量。主電路中電流速斷保護(hù)和自動(dòng)投切裝置在實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)各種問題。另外還需要注意一些其他方面：如控制程序不完善、系統(tǒng)軟件算法簡單、容易產(chǎn)生誤動(dòng)作，這些因素都會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性，并給風(fēng)電機(jī)組帶來一定程度上的故障現(xiàn)象發(fā)生[1]。

（2）風(fēng)機(jī)槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和發(fā)電機(jī)輸出功率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)檢修工作中，首先對(duì)風(fēng)速及電壓值進(jìn)行監(jiān)測，觀察是否存在異味、油污等污染物質(zhì)，分析故障產(chǎn)生的原因，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)作。

（3）系統(tǒng)檢修影響的因素主要是風(fēng)輪機(jī)組的運(yùn)行條件，包括風(fēng)速、風(fēng)向變化?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要在大風(fēng)、酷暑等惡劣環(huán)境下工作，還涉及到槳葉與大地之間相互作用對(duì)風(fēng)機(jī)造成損壞或壽命降低，及電機(jī)故障引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)等等情況發(fā)生概率較高，所以必須要做好相關(guān)準(zhǔn)備措施來解決這些問題。

（4）檢修的內(nèi)容與方法。對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行檢修，主要內(nèi)容包括：①風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)風(fēng)速變化情況及風(fēng)向確定最佳葉尖速比值、保持槳距角不變和維持葉輪齒側(cè)最大升壓等；②電壓調(diào)節(jié)與保護(hù)電路故障診斷及檢查線路連接是否正確；③三相分離接地系統(tǒng)異步切換繼電器的動(dòng)作和斷路器功能狀態(tài)檢修，對(duì)其進(jìn)行分析并記錄異常數(shù)據(jù)及其原因找出相應(yīng)解決辦法。

首先要分析風(fēng)機(jī)槳葉故障及其原因，提出故障特征，并分析其常見類型，然后根據(jù)這些情況對(duì)風(fēng)機(jī)槳葉所發(fā)生故障進(jìn)行描述。然后通過觀察發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、軸承間隙及定子電壓等參數(shù)變化來研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)，并分析在不同傳感器檢測到的風(fēng)速信號(hào)下，風(fēng)機(jī)槳葉所發(fā)生故障及其原因，并提出相應(yīng)的檢修方法。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)分析

3.1 運(yùn)行方式及特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的運(yùn)行方式是風(fēng)力渦輪機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)的效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、維護(hù)成本低，所以被廣泛使用。其運(yùn)行的原理主要分為兩部分：一是風(fēng)輪槳距和葉尖與發(fā)電機(jī)輸出軸連接處相連接；二是轉(zhuǎn)子繞組、定子斷路器等部件之間相連。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)是：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速高、葉尖與發(fā)電機(jī)接觸不牢固、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)幅度大、容易發(fā)生機(jī)械磨損。另外由于單機(jī)容量很大和風(fēng)速變化快等原因，導(dǎo)致其故障率較高，所以對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行檢修分析非常重要。

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變壓器

由風(fēng)輪葉片、葉輪流身、離心架及導(dǎo)流板等部件組成，其中風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)又被稱為變槳距，其主要工作原理為：首先通過降壓變壓器將電網(wǎng)中的低電壓轉(zhuǎn)化成額定功率或提高轉(zhuǎn)速；然后升壓塔降低了風(fēng)速并且使之保持在一定范圍內(nèi)。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)案例研究

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)中，主要以STC 公司風(fēng)電機(jī)組為例，分析系統(tǒng)故障，并對(duì)其故障修復(fù)進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)過電壓是由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣損壞、機(jī)械鐵芯過熱引起。轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)及以上高電位分別與勵(lì)磁線圈串聯(lián)組成大電流電路來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生磁場；當(dāng)發(fā)電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)使電源的正負(fù)極接反而形成渦流損耗，使發(fā)電機(jī)過熱。

分析了風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中常見故障，并對(duì)這些故障進(jìn)行深入探討。提出控制器發(fā)生單相接地短路及兩相斷開時(shí)切斷控制方案。最后利用仿真軟件PROE2014a 搭建系統(tǒng)模型。根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法完成整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作。同時(shí)還要從繼電器、傳感器和制動(dòng)器等方面分析風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)的過負(fù)載現(xiàn)象，并對(duì)這些故障進(jìn)行研究分析，提出相應(yīng)的檢修思路。

5 基于風(fēng)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的檢修系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

5.1 檢修總體結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、齒輪箱和發(fā)電機(jī)3 個(gè)部分組成。其中，風(fēng)輪通過法蘭連接成一個(gè)整體，安裝在主軸上；齒輪固定在聯(lián)軸器蓋上并與主減速器相連接（轉(zhuǎn)子）；發(fā)電機(jī)連接到變頻調(diào)速裝置中，由控制電路板完成對(duì)轉(zhuǎn)速及電流大小的調(diào)節(jié)，DCS 控制器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)了可控、可靠和智能化。

5.2 檢修控制系統(tǒng)的硬件配置

（1）檢修風(fēng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的故障，并對(duì)其進(jìn)行分析排除，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作時(shí)的正常運(yùn)行。風(fēng)機(jī)在實(shí)際工作中往往出現(xiàn)各種故障，如轉(zhuǎn)速異常、電壓異常等。這些故障都會(huì)影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命，甚至可能造成設(shè)備損壞或人員傷亡事故發(fā)生事故，因此對(duì)風(fēng)電機(jī)動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行檢測具有非常關(guān)鍵意義。

（2）檢修變槳控制系統(tǒng)，主要是對(duì)風(fēng)機(jī)槳口、發(fā)電機(jī)和齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送給調(diào)度中心。對(duì)其進(jìn)行合理控制，可以降低機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。

（3）通過對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量來檢測工作中發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)的故障。同時(shí)通過檢測其內(nèi)部控制程序來檢查機(jī)組是否存在異常狀態(tài)或異常動(dòng)作等問題。以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）檢修電壓顯示模塊，主要是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將其數(shù)據(jù)傳輸給電腦，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。在風(fēng)機(jī)發(fā)生問題時(shí)可以據(jù)此自動(dòng)斷電。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)異常情況或系統(tǒng)電路出現(xiàn)中斷等意外狀況時(shí)，可發(fā)出報(bào)警信號(hào)（報(bào)警信息為：該時(shí)間內(nèi)沒有人操作），通過液晶屏顯示出當(dāng)前時(shí)刻風(fēng)速變化曲線、溫度值及風(fēng)向指示燈的工作狀態(tài)。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行日常巡檢與維護(hù)，方便維修人員發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)處理，以免造成更大的損失。

6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)檢修方案

6.1 風(fēng)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)檢修過程

風(fēng)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的檢修過程是：當(dāng)風(fēng)速超過額定值時(shí)，發(fā)出警告信號(hào)，表明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到最大值或最小電壓低于最大壓力就會(huì)進(jìn)入下一級(jí)電網(wǎng)。此時(shí)可以根據(jù)系統(tǒng)誤差等級(jí)情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)風(fēng)速超出臨界值范圍，對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生干擾的時(shí)候要采取相應(yīng)措施來減小噪聲和振動(dòng)幅度等影響。

6.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)檢修效果及誤差

（1）檢修效果較好，但檢修工作難度大，容易造成系統(tǒng)運(yùn)行異常，從而造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的損壞。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)全面檢修是非常有必要，不僅能提高風(fēng)機(jī)機(jī)組運(yùn)行性能和可靠性也可以使整個(gè)電網(wǎng)穩(wěn)定。

（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常龐大。在運(yùn)行過程中可能造成各種誤差如：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化、齒輪箱噪聲，風(fēng)機(jī)齒輪箱、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等部件產(chǎn)生大量旋轉(zhuǎn)誤差。這些因素都能對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此在進(jìn)行風(fēng)電故障檢修時(shí)應(yīng)重點(diǎn)分析其原因[3]。

6.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)檢修方案

（1）在線檢修方法和檢測方法：①在顯示狀態(tài)信息時(shí)采用數(shù)字量表法來判斷是否異常；②根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控信號(hào)確定風(fēng)機(jī)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制值及軸系數(shù)變化情況；③通過計(jì)算得到風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及電壓波動(dòng)曲線等故障特征參數(shù)，并對(duì)其加以分析說明。

（2）根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)信息傳送到PCB 控制器上。通過控制程序?qū)Πl(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流有效值和有功功率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作時(shí)，保持在最佳狀態(tài)。

7 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔的新能源，可以不造成環(huán)境污染的運(yùn)行發(fā)電。風(fēng)能作為一種清潔無害的資源具有巨大發(fā)展?jié)摿?。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量和單機(jī)容量不斷加大，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性及故障處理等方面要求越來越嚴(yán)格。為了保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定工作，必須研究制定一套可靠、完善、健全的檢修方案。本文主要分析討論研究了在風(fēng)電場電氣控制系統(tǒng)檢修過程出現(xiàn)問題及其相應(yīng)措施，總結(jié)出一套行之有效的檢修方案，能夠有效改善風(fēng)電機(jī)組機(jī)電控制及保護(hù)可靠性。