吳增金

摘要：因風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在緊急收槳過(guò)程中限流電阻燒損，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂控制柜內(nèi)繼電器大面積損壞，造成風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間故障停運(yùn)。文章通過(guò)對(duì)故障情況的分析，提出了兩種方式來(lái)消除該故障：一是通過(guò)選擇合適的限流電阻功率實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確限流；二是通過(guò)增加緊急收槳延時(shí)控制功能，對(duì)整個(gè)緊急收槳過(guò)程進(jìn)行限時(shí)控制。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；緊急收槳；限流電阻；直流電機(jī)；延時(shí)回路；蓄電池 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM614 文章編號(hào)：1009-2374（2016）27-0019-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.009

1 概述

風(fēng)力發(fā)電作為可再生的新能源在我國(guó)近年來(lái)得到了快速的發(fā)展。隨著風(fēng)電在電能結(jié)構(gòu)中的比重不斷提高，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的質(zhì)量要求也隨之不斷提高，因而對(duì)風(fēng)機(jī)在各種風(fēng)況下安全穩(wěn)定運(yùn)行提出更高的要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組緊急收槳回路，是在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)故障時(shí)，提供后備電源，保證風(fēng)輪安全的關(guān)鍵所在。風(fēng)機(jī)緊急收槳方式大致分為三類，即經(jīng)超級(jí)電容供電收槳、通過(guò)液壓蓄能器收槳、通過(guò)緊急收槳電池供電收槳。第一類為經(jīng)超級(jí)電容供電收槳。電容為變槳系統(tǒng)提供備用電源，是由4個(gè)超級(jí)電容組串聯(lián)而成的額定電壓為60V總?cè)萘繛?08F，可用能量為150kJ。每個(gè)超級(jí)電容組430F，16V。超級(jí)電容能量存儲(chǔ)模塊是一個(gè)獨(dú)立的能量存儲(chǔ)設(shè)備，最多能夠存儲(chǔ)55kJ（15.3Whr）的能量。能量存儲(chǔ)模塊由6個(gè)獨(dú)立的超級(jí)電容單元、激光焊接的母線連接器和一個(gè)主動(dòng)的、完整的單元平衡電路組成。單元可以串聯(lián)連接以獲得更高的工作電壓（215F，32V；143F，48V；107.5F，64V等）。也可以并聯(lián)連接提供更大的能量輸出（860F，16V；1290F，16V等）或者是串聯(lián)和并聯(lián)的組合來(lái)獲得更高的電壓和更大的能量輸出。常見機(jī)型金風(fēng)系列變槳距發(fā)電機(jī)組。第二類為通過(guò)液壓蓄能器收槳。當(dāng)液壓泵停止工作且所有閥失磁的時(shí)候，蓄能器將提供200bar的壓力，給收槳缸，進(jìn)行收槳?jiǎng)幼?。常見機(jī)組維斯塔斯V80機(jī)組。第三類為通過(guò)緊急收槳電池供電收槳。在風(fēng)機(jī)輪轂內(nèi)的電池柜，將在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)故障時(shí)，為變槳電機(jī)直接提供備用直流電源。其的組成由6個(gè)12V蓄電池組成1個(gè)電池組，4個(gè)電池組組成一個(gè)電池柜，為變槳電機(jī)提供288VDC的直流電源。常見機(jī)型湘電直驅(qū)式同步永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

某風(fēng)電場(chǎng)地處中部山區(qū)，裝機(jī)50臺(tái)2.0MW直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)，平均海拔1800m，某月因限流電阻燒損導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)停運(yùn)共計(jì)發(fā)生3次，這類故障屬于嚴(yán)重故障。一是元件損失量大，因限流電阻燒損產(chǎn)生的鋁屑噴散，導(dǎo)致輪轂控制柜內(nèi)的其他電氣元件損壞；二是消缺時(shí)間長(zhǎng)，由于鋁屑在噴散后，會(huì)導(dǎo)致柜內(nèi)全部受其污染，而且經(jīng)常有鋁屑沖進(jìn)繼電器內(nèi)，清掃鋁屑的工作要求十分細(xì)致，工作量十分大；三是降低了設(shè)備的可靠性，由于輪轂控制柜內(nèi)電氣元件布置較為精細(xì)，限流電阻燒損后的鋁屑，多數(shù)沖進(jìn)了繼電器及接觸器內(nèi)，影響了電氣元件的可靠性，致使消缺后變槳故障頻發(fā)的現(xiàn)象。

可見，該故障造成后果是非常嚴(yán)重的，針對(duì)故障原因進(jìn)行分析并予以改良將大大提高風(fēng)機(jī)設(shè)備的可靠性。一是通過(guò)選擇合適的限流電阻功率實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確限流，通過(guò)計(jì)算變槳電機(jī)的一、二級(jí)啟動(dòng)沖擊電流，得出的限流功率，發(fā)現(xiàn)原限流電阻無(wú)法滿足其實(shí)際設(shè)計(jì)值，根據(jù)計(jì)算更換功率相符限流電阻；二是通過(guò)增加緊急收槳延時(shí)控制功能，對(duì)整個(gè)緊急收槳過(guò)程進(jìn)行限時(shí)控制。

2 緊急收槳過(guò)程中限流電阻燒損的統(tǒng)計(jì)及原因分析

蓄電池型緊急收槳系統(tǒng)，采用的電池柜給變槳電機(jī)提供后備電源，繼而進(jìn)行緊急收槳?jiǎng)幼鳌?/p>

2.1 限流電阻燒損統(tǒng)計(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該風(fēng)電場(chǎng)8月累計(jì)發(fā)生限流電阻燒損3次，該故障帶來(lái)的設(shè)備損傷嚴(yán)重，同時(shí)需要較長(zhǎng)消缺時(shí)間，影響到設(shè)備可靠性運(yùn)行，甚至?xí)幸l(fā)柜內(nèi)起火的安全隱患。表1為故障統(tǒng)計(jì)表：

備注：（1）損壞元件為限流電阻燒損后，產(chǎn)生的鋁屑沖損輪轂控制柜的元件數(shù)；（2）經(jīng)濟(jì)損失為損失電量以0.61元/度折合的金額與損壞元件的金額之和；（3）重復(fù)缺陷數(shù)為限流電阻故障消缺之后，因該故障引起其他元件不可靠工作，導(dǎo)致的故障停機(jī)次數(shù)。

2.2 限流電阻燒損原因分析

蓄電池型緊急收槳電路圖，如圖1所示。其中BAT288V為電池柜供電，18K4為緊急收槳供電回路的主接觸器，18K1為限流電阻12R1的旁路接觸器，12R1和12R1.1為限流電阻阻值分別為1.67Ω、1.25Ω，變槳電機(jī)為直流電機(jī)，其參數(shù)為額定功率9.5kW，額定電壓為288VDC，額定電流為38A。由該圖可知，變槳電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)串聯(lián)了兩個(gè)限流電阻，限流啟動(dòng)?？刂苹芈窞槿鐖D2所示。

結(jié)合圖1和圖2，可以得出整個(gè)緊急收槳過(guò)程，其整個(gè)過(guò)程主要分為三個(gè)階段：一是圖2中端電壓給予后，18K5線圈先得電，18K5閉合，18K4線圈得電后，圖1中變槳電機(jī)得電工作；二是在進(jìn)行變槳的過(guò)程中，由于控制回路有兩個(gè)延時(shí)繼電器對(duì)18K1線圈進(jìn)行控制，此兩個(gè)延時(shí)繼電器皆為延時(shí)斷開，所以在啟動(dòng)過(guò)程中前1s為電機(jī)串聯(lián)兩個(gè)限流電阻啟動(dòng)，1s之后12R1限流電阻被旁路掉；三是當(dāng)葉片動(dòng)作到90°時(shí)，限位開關(guān)走上限位行程后，圖2中的+24VDC被斷開，變槳電機(jī)剎車失電抱閘鎖死。

根據(jù)以上對(duì)變槳過(guò)程的描述，通過(guò)故障現(xiàn)象，并對(duì)易損元件進(jìn)行分析。推斷出造成限流電阻燒損的原因有三個(gè)：一是由于機(jī)械卡死或者電機(jī)堵轉(zhuǎn)等情況導(dǎo)致葉片收不回槳葉，此時(shí)電池會(huì)持續(xù)給電機(jī)與緊急收槳回路供電，電池過(guò)放電，導(dǎo)致電池?fù)p壞，限流電阻發(fā)熱損壞；二是在緊急收槳過(guò)程中，電機(jī)剎車一直處于提起狀態(tài)，葉片處于懸浮狀態(tài)，在大風(fēng)的情況下阻力增加，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，限流電阻過(guò)流燒損；三是限流電阻功率存在不匹配的情況，導(dǎo)致啟動(dòng)的電流過(guò)大，在高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況，啟動(dòng)電流將更加大，這也是限流電阻燒損的主要原因。

可采取以下兩種對(duì)策，一是增加限流電阻功率實(shí)現(xiàn)變槳電機(jī)在高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下，不發(fā)生限流電阻因過(guò)流燒損的情況；二是通過(guò)增加緊急收槳延時(shí)控制回路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)緊急收槳過(guò)程的閉環(huán)控制和限時(shí)控制，杜絕電池持續(xù)給電機(jī)與緊急收槳供電導(dǎo)致的電池過(guò)度放電。

3 增加緊急收槳延時(shí)控制回路

風(fēng)機(jī)在緊急收槳過(guò)程中，如果由于機(jī)械卡死或者電機(jī)堵轉(zhuǎn)等情況導(dǎo)致葉片收不回槳葉，此時(shí)電池會(huì)持續(xù)給電機(jī)與緊急收槳回路供電，剎車一直處于提起狀態(tài)，葉片處于懸浮狀態(tài)，風(fēng)機(jī)處于較危險(xiǎn)狀態(tài)。再則電池過(guò)放電，導(dǎo)致電池?fù)p壞，限流電阻存在因發(fā)熱而損壞風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)對(duì)緊急收槳控制回路原理圖的分析，在緊急收槳回路增加延時(shí)功能，其作用為當(dāng)葉片收槳?jiǎng)幼鞒^(guò)延時(shí)繼電器所設(shè)定的時(shí)間后，將會(huì)斷開電機(jī)的電樞、勵(lì)磁和剎車電源。

3.1 緊急收槳控制電路增加延時(shí)功能設(shè)計(jì)思路

為確保對(duì)緊急收槳在供電過(guò)程的控制?？梢栽?8K5后增加個(gè)延時(shí)斷開的常閉接點(diǎn)18K8.2，其線圈的優(yōu)先級(jí)最高。其主要作用為，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)還未完成緊急收槳?jiǎng)幼鳎?8K8.2常閉接點(diǎn)將斷開，之后18K4線圈斷電，其后變槳電機(jī)切出。

為確保在緊急收槳過(guò)程失敗后，能及時(shí)將讓變槳電機(jī)及時(shí)剎車，并抱閘鎖死。在18K5線圈及18K7線圈前，增加個(gè)延時(shí)斷開的常閉接點(diǎn)18K8.1，其線圈的優(yōu)先級(jí)與18K8.2線圈一致。當(dāng)延時(shí)繼電器設(shè)定的時(shí)間達(dá)到后，18K8.1接點(diǎn)將斷開，剎車供電回路接點(diǎn)的線圈18K7將失電，剎車也將失電剎車。

3.2 延時(shí)回路時(shí)間設(shè)定

緊急收槳過(guò)程中，按照6°/s的收槳速度計(jì)算，葉片最大收槳時(shí)間為15s，在設(shè)計(jì)收槳時(shí)間里，葉片收回限位開關(guān)，延時(shí)繼電器則斷電，如果葉片沒(méi)有收回限位開關(guān)，則延時(shí)時(shí)間到20s和22s，延時(shí)繼電器動(dòng)作，斷開電機(jī)的電樞、勵(lì)磁和剎車電源。

現(xiàn)將18K8.2設(shè)置20s延時(shí)，在20s內(nèi)沒(méi)有完成緊急收槳?jiǎng)幼?，將?huì)斷開電機(jī)的緊急收槳電源。將18K8.1設(shè)置22s延時(shí)，22s后將斷開剎車電源，電機(jī)剎車失電抱閘。

圖3為根據(jù)上述思路，對(duì)圖2增加了延時(shí)回路。通過(guò)增加延時(shí)回路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)緊急收槳過(guò)程的供電控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)剎車的有序控制。消除了因變槳過(guò)程中因機(jī)械故障，導(dǎo)致電池持續(xù)對(duì)電機(jī)供電，致使電池?fù)p壞和限流電阻燒損及電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)剎車動(dòng)作，帶來(lái)不確定的危險(xiǎn)因素。

4 通過(guò)增加限流電阻功率降低沖擊電流

如圖1緊急收槳原理圖所示，采用串電阻二級(jí)啟動(dòng)，限流電阻的參數(shù)為1.25Ω、750W和1.67Ω、750W，其中1.67Ω電阻在緊急收槳啟動(dòng)1s時(shí)切出緊急收槳回路，1.25Ω為一直串聯(lián)在緊急收槳回路。電機(jī)電樞電阻為0.14Ω。

4.1 變槳電機(jī)串聯(lián)電阻的啟動(dòng)電流計(jì)算

根據(jù)限流電阻的參數(shù)，求出額定電流。

由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，電動(dòng)機(jī)收到加速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)矩有零逐漸上升，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。在圖4（b）中，由a點(diǎn)沿著曲線1上升，反電動(dòng)勢(shì)亦隨之上升，電樞電流下降，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦隨之下降，加速轉(zhuǎn)矩減小。上升到b點(diǎn)時(shí)，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點(diǎn)Km1閉合，切除一段起動(dòng)電阻Rk1后，b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電樞電流I2成為切換電流，其對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T2成為切換轉(zhuǎn)矩。切除RK1后，電樞回路總電阻為Ra2=ra+Rk2。這時(shí)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)于由電阻Ra2確定的人為機(jī)械特性。在切除起動(dòng)電阻RK1的瞬間，由于慣性電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，仍為nb，其反電動(dòng)勢(shì)亦不變。因此電樞電流突增，其相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)矩也突增。適當(dāng)?shù)剡x擇切除的電阻值Rk1，使切除Rk1后的電樞電流剛好等于I1，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T2，即在曲線2上的c點(diǎn)。又有T1>T2，電動(dòng)機(jī)在加速轉(zhuǎn)矩作用下，由c點(diǎn)沿曲線2上升到d點(diǎn)。控制點(diǎn)Km2閉合，又切除一切起動(dòng)電阻Rk2。同理，由d點(diǎn)過(guò)度到e點(diǎn)，而且e點(diǎn)正好在固定的機(jī)械特性上。電樞電流又由I2突增到I1相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由T2突增到T1。T1>T2，沿固有特性加速到g點(diǎn)T=TL，n=ng電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

在分級(jí)起動(dòng)過(guò)程中，各級(jí)的最大電流I1（或者相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T2）及切換電流I2（或者與之對(duì)應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩T2）都是不變的，這樣使得啟動(dòng)過(guò)程中有均勻的加速。要滿足以上電樞回路串接電阻分級(jí)啟動(dòng)的要求，前提是選擇合適的各級(jí)啟動(dòng)電阻。

根據(jù)計(jì)算，一級(jí)啟動(dòng)沖擊電流最大可達(dá)為150A，二級(jí)啟動(dòng)沖擊電流為100A，在載荷較大情況下緊急收槳，UNITRON控制柜中限流電阻的功率達(dá)不到實(shí)際設(shè)計(jì)值，根據(jù)計(jì)算，限流電阻功率達(dá)到2kW為最佳設(shè)計(jì)。

4.2 變槳電機(jī)串聯(lián)電流電阻的選擇

根據(jù)計(jì)算，一級(jí)啟動(dòng)沖擊電流最大可達(dá)為150A，二級(jí)啟動(dòng)沖擊電流為100A，在12m/s風(fēng)速下，緊急收槳電流平均值可達(dá)50A，限流電阻的沖擊功率分別達(dá)13kW和17kW，此時(shí)根據(jù)計(jì)算，限流電阻功率達(dá)到2kW為最佳設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)緊急收槳全過(guò)程精確控制和保證其安全動(dòng)作，是確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵一環(huán)。通過(guò)對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中所遇情況分析，針對(duì)緊急收槳控制回路無(wú)全過(guò)程限時(shí)控制以及通過(guò)對(duì)變槳電機(jī)的一、二級(jí)啟動(dòng)沖擊電流的計(jì)算，通過(guò)在緊急收槳回路上增加延時(shí)控制，確保對(duì)整個(gè)緊急收槳的動(dòng)作時(shí)間控制，消除因機(jī)械及電機(jī)本身問(wèn)題，造成的電池持續(xù)放電后，導(dǎo)致的電池?fù)p壞以及限流電阻燒損；針對(duì)限流電阻功率設(shè)計(jì)不匹配的情況，增加2kW限流功率的電阻，實(shí)現(xiàn)在較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)電機(jī)安全啟動(dòng)。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）