蓄電池緊急收槳型風機延時保護的研究及應用

吳增金

摘要：因風力發電機組在緊急收槳過程中限流電阻燒損，導致風力發電機組輪轂控制柜內繼電器大面積損壞，造成風機長時間故障停運。文章通過對故障情況的分析，提出了兩種方式來消除該故障：一是通過選擇合適的限流電阻功率實現準確限流；二是通過增加緊急收槳延時控制功能，對整個緊急收槳過程進行限時控制。

關鍵詞：風力發電；緊急收槳；限流電阻；直流電機；延時回路；蓄電池 文獻標識碼：A

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

1 概述

風力發電作為可再生的新能源在我國近年來得到了快速的發展。隨著風電在電能結構中的比重不斷提高，電網對風電的質量要求也隨之不斷提高，因而對風機在各種風況下安全穩定運行提出更高的要求。風力發電機組緊急收槳回路，是在風機變槳系統故障時，提供后備電源，保證風輪安全的關鍵所在。風機緊急收槳方式大致分為三類，即經超級電容供電收槳、通過液壓蓄能器收槳、通過緊急收槳電池供電收槳。第一類為經超級電容供電收槳。電容為變槳系統提供備用電源，是由4個超級電容組串聯而成的額定電壓為60V總容量為108F，可用能量為150kJ。每個超級電容組430F，16V。超級電容能量存儲模塊是一個獨立的能量存儲設備，最多能夠存儲55kJ（15.3Whr）的能量。能量存儲模塊由6個獨立的超級電容單元、激光焊接的母線連接器和一個主動的、完整的單元平衡電路組成。單元可以串聯連接以獲得更高的工作電壓（215F，32V；143F，48V；107.5F，64V等）。也可以并聯連接提供更大的能量輸出（860F，16V；1290F，16V等）或者是串聯和并聯的組合來獲得更高的電壓和更大的能量輸出。常見機型金風系列變槳距發電機組。第二類為通過液壓蓄能器收槳。當液壓泵停止工作且所有閥失磁的時候，蓄能器將提供200bar的壓力，給收槳缸，進行收槳動作。常見機組維斯塔斯V80機組。第三類為通過緊急收槳電池供電收槳。在風機輪轂內的電池柜，將在風機變槳系統故障時，為變槳電機直接提供備用直流電源。其的組成由6個12V蓄電池組成1個電池組，4個電池組組成一個電池柜，為變槳電機提供288VDC的直流電源。常見機型湘電直驅式同步永磁風力發電機組。

某風電場地處中部山區，裝機50臺2.0MW直驅式同步發電機，平均海拔1800m，某月因限流電阻燒損導致的風機停運共計發生3次，這類故障屬于嚴重故障。一是元件損失量大，因限流電阻燒損產生的鋁屑噴散，導致輪轂控制柜內的其他電氣元件損壞；二是消缺時間長，由于鋁屑在噴散后，會導致柜內全部受其污染，而且經常有鋁屑沖進繼電器內，清掃鋁屑的工作要求十分細致，工作量十分大；三是降低了設備的可靠性，由于輪轂控制柜內電氣元件布置較為精細，限流電阻燒損后的鋁屑，多數沖進了繼電器及接觸器內，影響了電氣元件的可靠性，致使消缺后變槳故障頻發的現象。

可見，該故障造成后果是非常嚴重的，針對故障原因進行分析并予以改良將大大提高風機設備的可靠性。一是通過選擇合適的限流電阻功率實現準確限流，通過計算變槳電機的一、二級啟動沖擊電流，得出的限流功率，發現原限流電阻無法滿足其實際設計值，根據計算更換功率相符限流電阻；二是通過增加緊急收槳延時控制功能，對整個緊急收槳過程進行限時控制。

2 緊急收槳過程中限流電阻燒損的統計及原因分析

蓄電池型緊急收槳系統，采用的電池柜給變槳電機提供后備電源，繼而進行緊急收槳動作。

2.1 限流電阻燒損統計

據統計，該風電場8月累計發生限流電阻燒損3次，該故障帶來的設備損傷嚴重，同時需要較長消缺時間，影響到設備可靠性運行，甚至會有引發柜內起火的安全隱患。表1為故障統計表：

備注：（1）損壞元件為限流電阻燒損后，產生的鋁屑沖損輪轂控制柜的元件數；（2）經濟損失為損失電量以0.61元/度折合的金額與損壞元件的金額之和；（3）重復缺陷數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，導致的故障停機次數。

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，變槳電機為直流電機，其參數為額定功率9.5kW，額定電壓為288VDC，額定電流為38A。由該圖可知，變槳電機在啟動時串聯了兩個限流電阻，限流啟動。控制回路為如圖2所示。

結合圖1和圖2，可以得出整個緊急收槳過程，其整個過程主要分為三個階段：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中變槳電機得電工作；二是在進行變槳的過程中，由于控制回路有兩個延時繼電器對18K1線圈進行控制，此兩個延時繼電器皆為延時斷開，所以在啟動過程中前1s為電機串聯兩個限流電阻啟動，1s之后12R1限流電阻被旁路掉；三是當葉片動作到90°時，限位開關走上限位行程后，圖2中的+24VDC被斷開，變槳電機剎車失電抱閘鎖死。

根據以上對變槳過程的描述，通過故障現象，并對易損元件進行分析。推斷出造成限流電阻燒損的原因有三個：一是由于機械卡死或者電機堵轉等情況導致葉片收不回槳葉，此時電池會持續給電機與緊急收槳回路供電，電池過放電，導致電池損壞，限流電阻發熱損壞；二是在緊急收槳過程中，電機剎車一直處于提起狀態，葉片處于懸浮狀態，在大風的情況下阻力增加，電機的啟動轉矩增大，限流電阻過流燒損；三是限流電阻功率存在不匹配的情況，導致啟動的電流過大，在高啟動轉矩的情況，啟動電流將更加大，這也是限流電阻燒損的主要原因。

可采取以下兩種對策，一是增加限流電阻功率實現變槳電機在高啟動轉矩的情況下，不發生限流電阻因過流燒損的情況；二是通過增加緊急收槳延時控制回路，實現整個緊急收槳過程的閉環控制和限時控制，杜絕電池持續給電機與緊急收槳供電導致的電池過度放電。

3 增加緊急收槳延時控制回路

風機在緊急收槳過程中，如果由于機械卡死或者電機堵轉等情況導致葉片收不回槳葉，此時電池會持續給電機與緊急收槳回路供電，剎車一直處于提起狀態，葉片處于懸浮狀態，風機處于較危險狀態。再則電池過放電，導致電池損壞，限流電阻存在因發熱而損壞風險。

通過對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功能，其作用為當葉片收槳動作超過延時繼電器所設定的時間后，將會斷開電機的電樞、勵磁和剎車電源。

3.1 緊急收槳控制電路增加延時功能設計思路

為確保對緊急收槳在供電過程的控制。可以在18K5后增加個延時斷開的常閉接點18K8.2，其線圈的優先級最高。其主要作用為，在設定時間內還未完成緊急收槳動作，18K8.2常閉接點將斷開，之后18K4線圈斷電，其后變槳電機切出。

為確保在緊急收槳過程失敗后，能及時將讓變槳電機及時剎車，并抱閘鎖死。在18K5線圈及18K7線圈前，增加個延時斷開的常閉接點18K8.1，其線圈的優先級與18K8.2線圈一致。當延時繼電器設定的時間達到后，18K8.1接點將斷開，剎車供電回路接點的線圈18K7將失電，剎車也將失電剎車。

3.2 延時回路時間設定

緊急收槳過程中，按照6°/s的收槳速度計算，葉片最大收槳時間為15s，在設計收槳時間里，葉片收回限位開關，延時繼電器則斷電，如果葉片沒有收回限位開關，則延時時間到20s和22s，延時繼電器動作，斷開電機的電樞、勵磁和剎車電源。

現將18K8.2設置20s延時，在20s內沒有完成緊急收槳動作，將會斷開電機的緊急收槳電源。將18K8.1設置22s延時，22s后將斷開剎車電源，電機剎車失電抱閘。

圖3為根據上述思路，對圖2增加了延時回路。通過增加延時回路，實現了對整個緊急收槳過程的供電控制，同時實現了電機剎車的有序控制。消除了因變槳過程中因機械故障，導致電池持續對電機供電，致使電池損壞和限流電阻燒損及電機長時間無剎車動作，帶來不確定的危險因素。

4 通過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，采用串電阻二級啟動，限流電阻的參數為1.25Ω、750W和1.67Ω、750W，其中1.67Ω電阻在緊急收槳啟動1s時切出緊急收槳回路，1.25Ω為一直串聯在緊急收槳回路。電機電樞電阻為0.14Ω。

4.1 變槳電機串聯電阻的啟動電流計算

根據限流電阻的參數，求出額定電流。

由于起動轉矩T1大于負載轉矩TL，電動機收到加速轉矩的作用，轉矩有零逐漸上升，電動機開始起動。在圖4（b）中，由a點沿著曲線1上升，反電動勢亦隨之上升，電樞電流下降，電動機的轉矩亦隨之下降，加速轉矩減小。上升到b點時，為保證一定的加速轉矩，控制觸點Km1閉合，切除一段起動電阻Rk1后，b點所對應的電樞電流I2成為切換電流，其對應的電動機的轉矩T2成為切換轉矩。切除RK1后，電樞回路總電阻為Ra2=ra+Rk2。這時電動機對應于由電阻Ra2確定的人為機械特性。在切除起動電阻RK1的瞬間，由于慣性電動機的轉速不變，仍為nb，其反電動勢亦不變。因此電樞電流突增，其相應的電動勢轉矩也突增。適當地選擇切除的電阻值Rk1，使切除Rk1后的電樞電流剛好等于I1，所對應的轉矩為T2，即在曲線2上的c點。又有T1>T2，電動機在加速轉矩作用下，由c點沿曲線2上升到d點。控制點Km2閉合，又切除一切起動電阻Rk2。同理，由d點過度到e點，而且e點正好在固定的機械特性上。電樞電流又由I2突增到I1相應的電動機轉矩由T2突增到T1。T1>T2，沿固有特性加速到g點T=TL，n=ng電動機穩定運行，起動過程結束。

在分級起動過程中，各級的最大電流I1（或者相應的最大轉矩T2）及切換電流I2（或者與之對應的切換轉矩T2）都是不變的，這樣使得啟動過程中有均勻的加速。要滿足以上電樞回路串接電阻分級啟動的要求，前提是選擇合適的各級啟動電阻。

根據計算，一級啟動沖擊電流最大可達為150A，二級啟動沖擊電流為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不到實際設計值，根據計算，限流電阻功率達到2kW為最佳設計。

4.2 變槳電機串聯電流電阻的選擇

根據計算，一級啟動沖擊電流最大可達為150A，二級啟動沖擊電流為100A，在12m/s風速下，緊急收槳電流平均值可達50A，限流電阻的沖擊功率分別達13kW和17kW，此時根據計算，限流電阻功率達到2kW為最佳設計。

5 結語

實現緊急收槳全過程精確控制和保證其安全動作，是確保風力發電機組安全穩定運行的關鍵一環。通過對某風電場實際生產中所遇情況分析，針對緊急收槳控制回路無全過程限時控制以及通過對變槳電機的一、二級啟動沖擊電流的計算，通過在緊急收槳回路上增加延時控制，確保對整個緊急收槳的動作時間控制，消除因機械及電機本身問題，造成的電池持續放電后，導致的電池損壞以及限流電阻燒損；針對限流電阻功率設計不匹配的情況，增加2kW限流功率的電阻，實現在較大啟動轉矩時電機安全啟動。

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（責任編輯：黃銀芳）