風力發電廠風機變槳電容模塊的常見故障分析與解決處理方法

任芳偉

摘 要： 文章介紹了風機變槳系統的結構和原理；分析了變槳超級電容存在的常見故障及原因；提出了解決電容模塊失效、老化、壽命短等方法和方案。提出了加強采用電容模塊均衡控制技術，監測電容模塊及單個電容充電電壓和電流、放電狀態、工作電壓、存電量及電壓和電流、更換狀態等，提高電容模塊的使用壽命；并且需要加強運維管理，才能最大限度的保證整個機組的穩定運行，降低運營成本，提高企業經濟和安全效益。

關鍵詞： 風力發電；變槳系統；超級電容模塊；故障分析；解決措施

1 電動風機變槳控制系統結構及原理

風機變槳整體結構目前很多廠家已經進行了優化設計，主要采用集成控制與DSP控制進行模塊化組合，其結構主要包括DSP主控制系統、三相交流變頻控制器、伺服電動機、變槳距伺服控制系統、動力系統（葉片、輪轂、調節器、聯軸器、變速箱等）、電源（電容模塊）及后備電源（UPS）、光電編碼器、漿距控制器、限位開關、傳感器、通訊總線、等部件構成。風機變槳控制系統通過發電機組輪轂的可調節葉片進行槳距角度的調節，調節可選用液壓驅動及電動伺服系統，使葉片氣動特性發生改變，根據自然風力大小，調整機組及槳葉的受力狀況。本文主要針對電動變槳系統進行分析。風大時，減小槳葉迎面角度，風小時，增大槳葉受風角度，實時控制風電機組的運行轉速及功率，從而最大化利用風能資源，減少風力對正整機組的壓力沖擊，提高系統的發電效率。在并網發電時，風機變槳系統能夠實現無沖擊并網。另外，在風機故障或者自然風力超出風機運行要求時，可自行調節槳葉角度，確保風機處于安全位置狀態[1]。電動變槳系統原理圖如圖1所示。

圖1 電動變槳系統原理圖

如圖1所示，發電機組正常運行時，系統由外部三相交流電源對系統進行供電。系統發生故障或者電網出現故障時，采用UPS備用電源供電，確保機組平穩切換和安全停機。電源系統采用三相交-直-交變頻器控制系統的電壓和電流，確保電源平穩。槳葉輪轂周邊均勻裝置三組獨立伺服控制系統和電容模塊。系統通過光編碼器進行風葉轉速的控制，系統主控制器采用DSP控制，利用PMSM進行機構控制，漿距控制器對槳葉角度進行調節以及槳葉的啟動、停止、安全位置控制等功能。系統的通訊模式采用總線控制，利用模塊化設計，確保通信屏蔽效果良好，通信速度高。

2.風機變槳系統電容模塊故障分析及處理方法

2 .1常見電容模塊故障

由于受制于溫度、臺風、夏冬季節環境、槳葉輪轂設計、設備維護管理等天氣環境、工藝設計技術、運維管理等因素的影響，風漿系統電容模塊容易出現頻繁停機、故障停機及系統自檢狀態，嚴重影響發電機組的正常發電運行。比如我國北部河北省某風電場采用SSB公司生產的一種風機，在冬季寒冷期間，風機組頻繁報警“133”和“134”故障代碼而導致停機。引起這兩類代碼故障主要原因在于電容模塊過存或欠存、電容模塊老化、電容模塊過充或過放電、電容模塊充電電壓過高等原因引起的。如圖2所示，電容模塊均監測均衡控制狀態圖。

2.2變槳風機常見故障原因及分析

（1）超級電容過壓充電老化失效

風漿電容模塊大多采用4個超級電容組串聯而成的。430F，16V的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。當串聯連接的時候，單元到單元之間的電壓平衡問題可以通過使用我們提供的雙線平衡電纜來加以解決。

超級電容模塊的包裝是一個耐損耗的沖壓鋁外殼。這樣一個外殼是永久封裝的，不需要維護。3個集電極開路邏輯輸出端是選購件，其中2個用于顯示過壓程度，另外一個用于顯示過溫。另外變槳測試是嚴重的放電過程，極易引起電容的老化。

（3）電容熱失控

超級電容3個集電極開路的邏輯輸出是可選組件并且位于面板上標注J3的區域。它們分別是兩個過壓程度信號和一個過溫信號。溫度的輸出邏輯：如果T>65oC，那么TEMP=TRUE=ON。邏輯輸出與電容電壓以及底座地是隔離的。下面的表格給出了輸出管腳、信號和最大電流情況。最大開路電壓是5.5VDC。

熱失效主要原因是選用浮充電壓不合理，變槳超級電容散熱不暢造成的。超級電容的浮充電壓一般規定為2.23V/單體（25℃），使最佳理想狀態，一旦超過2.25V，電容模塊最多連續四個月就會失效，而電壓為2.30V-2.28V，電容模塊最多持續6-18個月失效。因為電容模塊密封，空間間隙小，充電時由于化學反應熱氣溢出不暢，導致極板極化。變槳電容模塊安裝于風葉輪轂內，夏季環境溫度和運行溫度較高，導致電容模塊散熱環境差，形成電容模塊外殼鼓漲、容量下降。這是很多風電場頻繁更換電容模塊的主要原因[3] 。

2.3故障處理及解決的方法

基于以上分析，變槳電容模塊故障處理主要有如下：

（1）盡量選擇合適的充電電壓范圍，嚴禁電壓過壓充電。

（2）加強電容模塊散熱系統的技術改造，避免電容模塊的熱失效。

（3）加裝電容模塊在線監測均衡系統 可以全程監控電容模塊使用狀態、充電電壓和電流、存電電壓電流、開路電壓、放電狀態、環境溫度、工作溫度等數據和狀態，利用系統數據分析，對電容模塊狀態進行調整、判斷和更換提醒，從而延長電容模塊的整體使用壽命，減少電容模塊更換頻率，較低生產運營成本。

（4）變槳電容模塊首次投入運營前，需要對電容模塊進行不少于三次的核對性充放電合電容模塊均衡控制，防止電容模塊極化、電壓等差異造成充電能力不均衡、電容模塊工作電壓不穩定、電容模塊有效荷載時間短等問題，從而解決蓄電容模塊欠充、過充、熱失控，確保電容模塊處于良好的工作狀態[4]。

（5）單元的低內阻使得模塊使用期間的發熱量很低。在大多數應用場合，自然空氣對流就足夠了。

在要求最大使用壽命的應用場合，需要用強迫風冷。

熱阻Rth對于確定單元的工作極限條件是非常有用的。

其中，Dc是占空比，I是交流或者直流電流，R是交流電阻或者直流電阻。加上環境溫度應當小于規定的最大溫度。如果采用了強迫冷卻方式，單元有可能以更大的電流或占空比工作。

為了避免拉弧或者打火花，能量存儲模塊在安裝過程中應該處于放電狀態并斷開系統電源。在運輸過程中模塊也要放電。我們推薦首先檢查單元的電壓確保其電壓最小。而為了提供盡可能低的ESR（等效串聯電阻），能量存儲模塊沒有裝保險。模塊能夠提供55kJ的能量，峰值電流超過5000A。因此在使用時要小心以防過大電流出現。模塊應該在規定的電壓和溫度定額范圍內工作。根據輔助設備的電流定額確定是否需要在輸入/輸出端進行限流。觀察模塊標注的極性。

另外，模塊的底座要通過安裝絕緣子支座或者足夠粗的標準線連接到系統地。這樣最壞情況下的故障電流就可以流入地線。

3 結論

由于升到夏、冬季季節環境影響，電容模塊使用壽命受大很多因素的限制。只有利用技改，使用電容模塊監測均衡技術，不斷優化設計系統結構和電容模塊材料，強化電容模塊狀態控制以及運維維護管理，避免電容模塊的過充、過放、過壓充電、和熱失效等現象的發生，才能延長電容模塊使用壽命，降低故障停機率，減少不必要的電容模塊更換和不及時更換狀況，節約檢修勞動強度和時間，提高設備運行效率，增加安全和經濟效益。

參考文獻

[1] 凌鋒. 超級電容模組充電電源的研究與設計[J]. 電子科學技術， 2017， 4（3）：27-29.

[2] 侯紹虎. 大型風力發電機組變槳后備電源管理系統設計[D]. 湖南大學， 2013.