XE82-2000型風(fēng)機(jī)變槳驅(qū)動故障分析處理

傅鐵軍

（晉江天然氣發(fā)電有限公司 福建晉江）

一、概述

福建省地處我國東南沿海，屬于全國風(fēng)能最豐富的地區(qū)之一，可供風(fēng)力發(fā)電的場址較多，發(fā)展風(fēng)電擁有得天獨(dú)厚的自然優(yōu)勢，泉州市沿海及島嶼是省內(nèi)開發(fā)風(fēng)電的“富礦區(qū)”之一。雖然省內(nèi)水力資源較為豐富，但是水電開發(fā)已達(dá)80% 以上；常規(guī)能源資源中，煤炭資源貧乏，石油、天然氣尚未發(fā)現(xiàn)，屬南方缺能省份之一。大規(guī)模開發(fā)本省豐富的風(fēng)能資源，有利于減少對省外一次能源輸入的依賴，滿足能源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的要求，實(shí)現(xiàn)能源資源的合理開發(fā)利用和優(yōu)化配置。2011年5月福建省人民政府印發(fā)的《福建省“十二五”能源發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》中提出，到2015年福建省建成陸上風(fēng)電場200萬千瓦裝機(jī)的風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)。泉州電網(wǎng)主要依靠省網(wǎng)供電，充分利用境內(nèi)豐富的風(fēng)能資源，建設(shè)風(fēng)電場作為電網(wǎng)的補(bǔ)充電源、直接向當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，有利于減輕省網(wǎng)的潮流輸送并降低網(wǎng)損，適應(yīng)區(qū)域負(fù)荷發(fā)展的需要，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)福建省風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)作出積極貢獻(xiàn)。

晉江某風(fēng)電開發(fā)有限公司位于晉江某燃?xì)怆姀S（石圳村）周圍，布置16臺2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量3.2萬kW，所選機(jī)型為湘電風(fēng)能公司的XE82-2000直驅(qū)型風(fēng)機(jī)。工程于2011年9月21日獲得省發(fā)改委項(xiàng)目核準(zhǔn)，2012年5月31日首臺風(fēng)機(jī)并網(wǎng)，2012年12月28日實(shí)現(xiàn)15臺風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。

二、故障現(xiàn)象

XE82-2000風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種3葉片，直驅(qū)型、可變速、可變槳控制的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)輪直徑82.6 m，額定功率2000 kW。XE82-2000風(fēng)機(jī)使用電力變頻器或者說交-直-交變頻器，首先將這個(gè)頻率變化的交流電轉(zhuǎn)化成中間直流電，然后再將直流電逆變成與電網(wǎng)頻率一致的交流電。裝置優(yōu)點(diǎn)：直流變交流的逆變器能夠在一定范圍內(nèi)控制輸出到電網(wǎng)的無功功率從而保證了電網(wǎng)的質(zhì)量。輪轂轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的匹配是按照Pn曲線確定的實(shí)際輪轂轉(zhuǎn)速與耦合到電網(wǎng)的電功率之間的函數(shù)關(guān)系來控制發(fā)電機(jī)的輸出功率來實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)Pn曲線的最高點(diǎn)在2 MW處，這是發(fā)電機(jī)組輸出的最大功率。當(dāng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行到2 MW 工況點(diǎn)時(shí)，如果風(fēng)速繼續(xù)增大，那么系統(tǒng)將把葉片向收槳位置偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，以去掉超出部分的風(fēng)能。每個(gè)葉片都是通過一套由直流伺服電機(jī)組成的電氣執(zhí)行系統(tǒng)來控制的。緊急運(yùn)行，實(shí)質(zhì)上就是當(dāng)發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)失去連接或正常的變槳控制失敗時(shí)，通過蓄電池提供的電能快速收槳。當(dāng)PLC內(nèi)部的超速保護(hù)系統(tǒng)失去作用時(shí)，一個(gè)由外部電子超速開關(guān)組成的后備系統(tǒng)將保證發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

表1 潤滑脂充填量參照表

風(fēng)電場從2012年5月首臺風(fēng)機(jī)并網(wǎng)以來，每遇風(fēng)速變化比較大，特別是臺風(fēng)登陸時(shí)，風(fēng)機(jī)頻繁閃報(bào)變槳驅(qū)動器故障，從而導(dǎo)致停機(jī)，通過查詢驅(qū)動器故障記錄為測速電機(jī)極性反和電樞過電壓，而且每次都是 3個(gè)槳葉同時(shí)報(bào)驅(qū)動故障，且報(bào)同樣類型的故障。如果在這種風(fēng)況下把風(fēng)機(jī)的功率限制小一點(diǎn)，則不會出現(xiàn)這種故障停機(jī)情況。

三、問題分析

通過調(diào)用 1、4、7、9號風(fēng)機(jī)在報(bào)故障時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)（ 附表 1、表 2），對比分析后發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)信息基本一致，從這些數(shù)據(jù)可以看到風(fēng)機(jī)的大致停機(jī)過程，在運(yùn)行過程中突然有一個(gè)較大的電流值（變槳電機(jī)電流），然后槳葉就緊急收槳，在槳葉碰到限位開關(guān)后，槳葉又會重新展開，而在槳葉離開限位開關(guān)時(shí)，又會出現(xiàn)一個(gè)較大的電流值，之后槳葉就再一次收槳，并最終停止在限位開關(guān)上面。

從停機(jī)過程可以得出幾點(diǎn)推論。

（1）在第一個(gè)電流峰值出現(xiàn)并緊急收槳的過程中，驅(qū)動器并沒有出現(xiàn)故障，因?yàn)槿绻@個(gè)時(shí)候驅(qū)動器出現(xiàn)故障，那么后備電池將投入工作，將槳葉收到限位開關(guān)位置，并最終停止在限位開關(guān)位置上，就不會出現(xiàn)在限位開關(guān)上，槳葉再一次展開的情況（電池只能讓槳葉往收槳位置運(yùn)行，不會有另一個(gè)方向）。

（2）驅(qū)動器故障是在第二次收槳時(shí)出現(xiàn)的。

（3）風(fēng)機(jī)停機(jī)并不是驅(qū)動器故障引起的，而是在運(yùn)行過程中由于某種原因?qū)е嘛L(fēng)機(jī)緊急收槳，而這種原因又沒被 PLC采集到或判斷出來，并在這個(gè)過程中觸發(fā)了驅(qū)動器故障。

對于上面的推論，主要是要找出究竟是什么因素導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)緊急收槳。其實(shí)從推論基本可以知道是安全鏈出現(xiàn)了問題，因?yàn)閺S家在出廠前做超速測試時(shí)也都會有相同的過程，這是基于硬件跟軟件的處理跟判斷。開始懷疑是安全鏈上面的線松了，但現(xiàn)在是批量出現(xiàn)問題，所以線松的可能性不大。再次分析故障風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)在每次緊急順槳時(shí)，超速傳感器測到的輪轂轉(zhuǎn)速都在21 r/min以上，這個(gè)值比較可疑，經(jīng)最后確認(rèn)，超速傳感器里面的超速值確實(shí)設(shè)置在 21.5 r/min，但 PLC 軟件里面的超速值是設(shè)置在 23 r/min，所以每次硬件超速緊急順槳，但軟件并沒有測到輪轂超速，SCADA上面也不會報(bào)超速。

表2

四、問題驗(yàn)證

（1）將超速傳感器的超速值設(shè)置在 15 r/min，PLC軟件里面的超速報(bào)警值設(shè)置在23 r/min，開機(jī)后在輪轂轉(zhuǎn)速達(dá)到 15 r/min后風(fēng)機(jī)緊急收槳，最后槳葉停在限位開關(guān)上面，并同時(shí)報(bào) 3個(gè)驅(qū)動器故障，經(jīng)查驅(qū)動器故障類型、停機(jī)過程的數(shù)據(jù)格式，跟之前的故障風(fēng)機(jī)完全一致。

（2）將超速傳感器的超速值設(shè)置在 23.5 r/min，PLC軟件的超速報(bào)警值設(shè)置在 5 r/min，開機(jī)后在輪轂轉(zhuǎn)速達(dá)到 5 r/min時(shí)風(fēng)機(jī)緊急收槳，最后槳葉停在起機(jī)位置，只報(bào)風(fēng)機(jī)超速，3個(gè)驅(qū)動器沒報(bào)任何故障。

2個(gè)對比實(shí)驗(yàn)完全符合實(shí)驗(yàn)前的設(shè)想，也再一次證明了上面對于風(fēng)機(jī)停機(jī)原因的推理。

五、結(jié)論

表面上看，每次都是因?yàn)樽儤?qū)動故障導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)，事實(shí)上導(dǎo)致這次（包括之前）一系列風(fēng)機(jī)停機(jī)，并同時(shí)報(bào) 3個(gè)驅(qū)動器故障的原因，是輪轂超速傳感器里面的超速值設(shè)置偏低，而軟件的超速報(bào)警值又高于硬件的設(shè)置值，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速達(dá)到硬件超速觸發(fā)值時(shí)緊急收槳，而軟件并沒有觸發(fā)超速報(bào)警，仍然在正常調(diào)槳，最終觸發(fā)了驅(qū)動器故障。而這也說明了為什么只有在大風(fēng)（特別是臺風(fēng)登陸），且功率放開的情況下，就特別容易出現(xiàn)上面這種情況。超速傳感器參數(shù)的設(shè)置湘電有相應(yīng)的規(guī)范，82機(jī)型配置的是 23.5 r/min，93機(jī)型配置的是 21.5 r/min，但金井風(fēng)場用的是 93的控制柜，裝的又是 82的機(jī)型，所以才有了這次的問題。

1.故障風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)記錄，可以看出在 21.66 r/min時(shí)風(fēng)機(jī)緊急順槳，并在碰到限位開關(guān)后槳葉會再次展開，之后又會被拉回去。

2.軟件超速值比硬件超速值低的停機(jī)數(shù)，可以看出在 5.15 r/min是軟件觸發(fā)超速緊急順槳，槳葉最終停在起機(jī)位置（85°），之后電機(jī)仍有電流值，說明驅(qū)動器是正常沒有故障。