雙饋風電機組轉速控制與失控分析

唐中偉 王明軍

風電機組是在無人干預條件下按主控程序設定全自動運行及自動啟停。除超出機組正常運行范圍或人為停機外，在滿足運行條件時，應保證機組長期穩定運行。運行機組如頻繁出現超速停機，不僅嚴重影響機組發電、對機組及部件壽命極為不利，也無法滿足在設計風速段內長期穩定運行的要求。

筆者在《雙饋風電機組的轉速控制與超速參數設置》一文中，對轉速控制和超速參數設置進行了闡述。不同地區風電場多種機型機組的多年現場運行實踐表明，該轉速控制邏輯、超速停機設置方法以及超速參數值，對同步轉速為1500rpm，運行范圍在1000～2000rpm的變速變槳雙饋1.5MW風電機組具有廣泛的適應性。本文將繼續對其轉速控制的合理性進行分析，并結合具體的機組轉速失控與飛車案例作進一步闡釋。

轉速控制邏輯與參數值設定

在制定轉速控制邏輯和設定轉速控制參數值時，應從整機考慮，使各部件相互協調，并實現多個目標。如：保障機組及部件安全;保證機組長期穩定運行;充分保證葉輪儲能，提高發電量，減小風速變化對機組部件的不利影響，減小功率波動對電網的沖擊;應有利于機組報故障準確，便于分析判斷機組故障，并及時準確地表明機組的運行及故障狀態等。

一、“極限陣風”程序的意義和作用

主控“極限陣風”程序的順利執行，對保證機組在復雜工況下長期穩定運行起著關鍵性的作用。

當風況較為穩定時，機組通過主控程序設置的“額定轉速”“額定功率”等主控參數，把機組的并網轉速相對穩定地控制在運行范圍之內，保證在通常情況下的長期穩定運行;當出現陣風或極端風況時，葉輪轉速急劇上升，轉速超過1960rpm且時間超過0.2秒時，機組開始順槳限速，通過執行主控的“極限陣風”程序，在短時間內降低機組額定轉速，保證極端風況下機組不會超出最高運行轉速，并保證機組最大限度地儲能，減小機組振動，避免機組的重要部件（槳葉、齒輪箱、塔簡等）受到沖擊并保證機組輸出功率的穩定。在執行“極限陣風”程序時，只報警不停機，從而保證了機組在不穩定風況下長期穩定運行。

二、多重超速停機保護保障機組安全

變速變槳風電機組的變槳系統相對獨立。變槳系統的變槳控制器和變槳驅動器都有各自的控制程序，除了按主控程序命令執行外，在適當的條件下，變槳控制器和變槳驅動器還可以根據外界條件的變化，按照部件程序的設定自動執行順槳。

在即將超出或已經超出機組運行范圍時，由變槳控制器執行“變槳自主運行”程序停機，控制機組轉速，保證機組安全。當齒輪箱高速軸測速探頭測得轉速超出1950rpm時，機艙硬件超速模塊觸發，并通過機艙到輪轂的接線和滑環把信號傳遞給變槳控制器。根據變槳控制器程序設定，在延時0.3秒（期間，高速軸轉速始終處于大于或等于1950rpm的狀態）后，執行“變槳自主運行”順槳停機，保障機組安全。當執行順槳停機時，變槳控制器同時把信息傳遞給主控，由主控執行降負荷停機，并報出“變槳自主運行”故障。但是，如果變槳控制器即將執行或正在執行主控的順槳命令時，則不執行“變槳自主運行”。一方面，保證了主控“極限陣風”程序的優先執行，也就保證了機組在極端陣風條件下不停機;另一方面，當變槳控制器正在執行主控的其他故障停機命令時，不報出“變槳自主運行”。例如，當機組高轉速、高功率因報“變頻器故障”，已經執行順槳停機時，即便達到或超過1950rpm、0.3秒的執行條件，也只報“變頻器故障”，不報“變槳自主運行”故障。這就保證了機組報故障明晰準確，也剔除了日后進行“大數據分析”的干擾信息。

雙饋機組變頻器也是一個相對獨立的系統，當機組并網轉速超出了變頻器正常運行范圍，會自動甩負荷脫網?！白冾l器超速”就是通過變頻器的超速保護設置實現對變頻器及機組的保護。就上文提到的1.5MW機型而言，當機組轉速超過2000rpm且時間超過0.1秒，或機組轉速超過2050rpm（沒有延時）時，變頻器脫網，并把信號傳給主控，由主控執行順槳停機，從而使雙饋發電機轉子的開口電壓和發電功率等得到有效控制，在不超出其能力范圍的情況下，實現對變頻器、發電機的保護。

當機組觸發“變頻器超速”故障停機時，機組葉輪轉速已經很高，超出了變頻器的允許范圍，不能執行降負荷停機來限制葉輪轉速。而過高的飛升轉速對槳葉、齒輪箱和發電機等運動部件都不利，需要及時降速，因此，在停機時，以最大速率執行變槳驅動器順槳，限制葉輪最高飛升轉速。

總之，在機組轉速過高時，“變槳自主運行”和“變頻器超速”兩道停機保護指令使機組不致超出最大運行轉速過多，實現機組的冗余超速保護。

三、“軟件超速”“剎車200超速”故障表明機組超速與轉速失控

上文中的轉速控制與超速保護，分別通過主控、變槳以及變頻器三個不同部件實現對機組的轉速控制，保障機組安全。該超速控制方案還由主控程序設定了三道“軟件超速”停機指令，為瞬間觸發，執行沒有延時的最大速率變槳驅動器順槳。

現場實踐表明，在控制參數及硬件設置正確的前提下，如果“極限陣風”“變槳自主運行”和“變頻器超速”不能實現限速或順槳，“軟件超速”也難以通過順槳保證機組安全。

但是，當機組轉速失控或出現飛車時，機組轉速持續上升，通過“軟件超速”（低速軸超速、齒輪箱超速和發電機超速）的及時報出，能發現機組順槳存在的問題，以便及時進行維修，消除安全隱患;當機組已經處于飛車狀態時，通過“軟件超速”的及時報出，能準確了解機組所處的狀態，以便采取應急措施最大限度地挽救機組或及時避開事故機組，保證人身和財產安全。

另一方面，在設定“軟件超速”的超速參數值時，需考慮給通常的機組故障停機（例如，在陣風條件下，具有較高負荷的變頻器故障甩負荷停機）和低電壓穿越過程中的甩負荷等以足夠的速度裕度。在順槳正常的情況下，機組報故障停機，不會觸發“軟件超速”設定值，以免發生與其他停機故障混淆的誤報。

該方案設置的4個“剎車200超速”也是瞬間觸發，執行沒有延時的后備電源緊急順槳，并輔助以主軸剎車器制動。該超速參數設置值要足夠高，才能保證機組即便是滿負荷條件下的甩負荷停機，或特殊風況（風速高、變化快、湍流度大）以及機組槳葉結冰、結霜等條件下，也不觸發“剎車200超速”的超速參數設定值。如果“軟件超速”和“剎車200超速”設置值過低，首先，會影響運行穩定;其次，在報其他故障停機時，如果同時報出“軟件超速”或“剎車200超速”故障，造成機組報故障不準確以及影響部件壽命等。

所以，“軟件超速”和“剎車200超速”不僅是控制機組轉速的冗余保護，而且，當機組出現轉速失控或飛車時，通過這些超速故障的報出，還能及時準確地表明機組所處的狀態，以便采取相應的措施。

FD70、FD77以及FD82、FD87、FD89、FD93等多種機型1.5MW機組的長期現場運行實踐表明，“軟件超速”和“剎車200超速”分別設置為2178rpm和2400rpm較為合理。

四、降負荷停機與最高停機轉速的控制

當葉輪轉速及機組負載較高時，葉輪的儲能很高，勢能很大。當機組故障停機時，如果直接采取甩負荷脫網，勢必出現較高的飛升轉速，可能會影響部件壽命，也不利于發電量的提高。因此，當機組觸發與變頻器無關的故障或手動停機時，機組先執行降功率運行，待轉速降到脫網轉速，再由主控給變頻器發出脫網命令。

例如，當機組報“功率過高（530）”故障停機時，執行“剎車52”停機。機組先以較低速率的變槳驅動器順槳，降低機組的給定扭矩和轉速，并通過發電機、變頻器把葉輪的能量傳輸給電網，機組的功率和轉速不斷下降，當輸出功率接近零、轉速達到最低脫網轉速時，主控再給變頻器發出脫網指令，實現變頻器脫網，從而有效地控制機組的最高轉速，保障機組及部件安全。另一方面，漸進、平穩地停機脫網，還有效減少了瞬間甩負荷停機對電網和機組部件帶來的沖擊。

但是，當出現變頻器故障或運行轉速過高超出變頻器能力時，變頻器需立即切出，執行甩負荷停機，通過執行最高速率的變槳驅動器順槳，降低葉輪的最高飛升轉速：當需要執行高級別剎車（剎車180、剎車190和剎車200）的后備電源緊急順槳時，變頻器也需立即切出，同時執行最大速率的后備電源緊急順槳，降低葉輪的最高飛升轉速。機組轉速失控及飛車案例分析

一、事故發生的經過及所報故障

某雙饋1.5MW機組的轉速控制方案及超速參數值，如上文所述。該機組采用直流變槳系統，在超過滿負荷風速并網運行過程中，三支槳葉同時不能順槳，出現了轉速失控和機組飛車事故。事故發生后，主控所報故障的順序如下：

（1）首先，主控報“變槳通信故障（1157）”，立即甩負荷。

執行“剎車180”停機，在通常情況下，該直流變槳系統應切換到采用后備電池的緊急順槳，但是，因順槳故障不能切換到正常后備電池緊急順槳，加之機組出現了“變槳通信故障”，變槳系統與主控之間失去聯系，因此，不能按照主控程序設定執行變槳驅動器順槳，讓三支槳葉同時順槳到90°，從而造成三支槳葉同時不能順槳和轉速失控。

（2）3秒之后，1、2、3槳葉依次報“變槳速度太慢（1919、1920、1921）”：同時觸發了“極限陣風（213）”和“變頻器超速（1411）”故障。

3秒之后，三支槳葉仍然在0°位置，因此，三支槳葉依次報“變槳速度太慢”故障。該故障執行剎車190停機，此時雖已不能執行變槳驅動器順槳或后備電池緊急順槳，但是，剎車190停機時主軸剎車器會參與制動，在一定程度上限制了機組轉速的上升。然而，事故機組為主動式主軸剎車器，葉輪已不能順槳限制功率，又因葉輪功率過高，主軸剎車器制動不能完全阻止葉輪轉速的進一步上升，更不能使葉輪完全停止轉動。

在這一秒內，還同時報出了“極限陣風”和“變頻器超速”。由觸發條件可知，機組先后超過了1960rpm，0.2秒和2000rpm，0.1秒。但是，只有當主控與變槳控制器能正常通信，才能執行“極限陣風”程序和“變頻器超速”故障的順槳停機，因存在“變槳通信故障”，變槳系統與主控之間早已失去了聯系，造成“極限陣風”程序和“變頻器超速”故障停機都不能執行。

在這一秒內，還達到和超出了“變槳自主運行”的觸發條件，又因變槳控制此時沒有執行順槳（在正常情況下，則應當執行“變槳自主運行”順槳，并報出“變槳自主運行”故障）。如能觸發“變槳自主運行”，執行變槳驅動器順槳，使三支槳葉順槳，機組轉速將會得到有效控制，機組飛車事故將不會發生。

（3）10秒后，觸發了3個“軟件超速”，即：“發電機軟件超速（312）”“齒輪箱軟件超速（310）”和“低速軸軟件超速（311）”。

當高速軸轉速達到2178rpm時觸發3個“軟件超速”，同樣因“變槳通信故障”，不能執行“軟件超速”順槳停機。

就阻止葉輪轉速上升來講，3個“軟件超速”已失去了作用，但是，同時報出了3個“軟件超速”，清楚地表明：機組已經達到和超過此轉速值（2178rpm），并處于轉速失控狀態。

（4）19秒后，4個“剎車200超速”故障依次報出，即：“剎車200的齒輪箱軟件超速（328）”“剎車200的低速軸軟件超速（317）”“WP2035發電機硬件超速（319）”和“WP2035低速軸硬件超速（320）”，并報出了“安全鏈斷開（10）”故障。

有2個“剎車200軟件超速”和2個“剎車200硬件超速”，其設置值均為2400rpm，4個“剎車200超速”的先后報出，表明機組轉速已超過2400rpmo后備電池緊急順槳不能執行，主軸剎車制動已經執行，因出現了“剎車200"故障，而報“安全鏈斷開”故障。

從限制超速、保護機組的角度看，報出以上故障并沒有實質性的作用。然而，報出4個“剎車200超速”，及時準確地知道了機組當時的轉速，也進一步表明了機組已處于飛車狀態。

此時超過“變槳自主運行”的觸發條件已在15秒以上，但沒有執行“變槳自主運行”，機組轉速仍在不斷上升。這說明在事故發生之前機組存在不能正常觸發和執行“變槳自主運行”的安全隱患，該安全隱患是造成機組飛車的重要因素。

（5）21秒后，機組報“限位開關故障（1159）”。

“限位開關故障（1159）”的報出，清楚地表明變槳系統不能切換到正常后備電池緊急順槳的原因。這是由于電池順槳控制回路或旁路限位開關回路被強制提供24V直流。

在通常情況下，存在“限位開關故障（1159）”時，當出現高級別剎車，則按照主控程序設定，執行變槳驅動器順槳，三支槳葉都順槳到90°，同時報“限位開關故障（1159）”。但是，事故機組又出現了“變槳通信故障”，導致變槳控制器不能執行主控命令，三支槳葉均不能順槳。

事故調查進一步證實，事故機組的旁路限位開關回路被強制提供24V直流，也就是說，事發前事故機組存在“限位開關故障（1159）”的安全隱患。

由以上分析可知：機組在并網運行前，同時存在“限位開關故障（1159）”和不能執行“變槳自主運行”兩個安全隱患;當超過滿負荷風速以上并網運行時，機組又出現了“變槳通信故障”，從而造成了此次轉速失控和飛車事故。

二、事故的應急處理措施

該事故機組采用直流變槳系統，且具備“變槳驅動器的后備電源順槳”功能，即：當葉片處于開槳狀態時，如果高級別剎車不能正常切換到后備電源緊急順槳，變槳系統只能執行變槳驅動器變槳。這時，如果電變槳驅動器上的400V交流供電被斷開（在機艙控制柜、變頻器處斷開400V交流供電，斷開箱變的低壓側、高壓側斷路器，或事故機組所在的集電線路斷電等方法，均可切斷變槳驅動器的400V交流供電），那么，在變槳驅動器內部將自動切換到后備電池順槳，使三支葉片順槳到92～限位開關位置。

因此，在事故機組的受控變槳驅動器順槳和后備電池緊急順槳均不能執行的情況下，及時給事故機組所在的集電線路斷電，斷開事故機組的變槳驅動器400V交流供電，促成了不受控的“變槳驅動器后備電源順槳”順利執行，三支槳葉實現順槳，機組最終得到保護。

當機組報出“軟件超速”和“剎車200超速”時，就其執行和阻止機組飛車來講，失去了實際的意義。然而，及時報出“軟件超速”和“剎車200超速”故障，讓現場監控人員很容易辨識機組所處的狀態，可以及時采取應急措施。

由事故分析還可知：即便是把事故機組的“軟件超速”和“剎車200超速”的超速參數值設置得再低一些，因后備電池緊急順槳和受控的變槳驅動器順槳均不能執行，“軟件超速”和“剎車200超速”也必然不能起到阻止飛車的作用。但是，如果這兩個超速參數值設置過低，不僅會影響機組的運行穩定，還會造成機組報故障不準確、機組及部件壽命縮短和故障概率增加等問題。

三、此類飛車事故的防御措施

為避免類似飛車事故的發生，減小變槳系統的故障概率，針對直流變槳系統應做好以下幾個方面工作：

首先，在變槳系統生產和采購備件時，應保證關鍵部件的質量，尤其是變槳電機及變槳電機剎車器后備電池供電接觸器的質量。

其次，應重視機組自檢。按照主控程序及參數的設定，機組會定期自檢，變槳系統的安全性故障大都能通過機組自檢檢查出來。如本文提到的“限位開關故障（1159）”安全隱患，通過機組自檢就能檢查出來。

再次，每半年或一年一次的定檢維護，應做好“變槳自主運行”的超速試驗等。通過超速試驗，檢查“變槳自主運行”是否能正常觸發和順利執行，包括硬件超速模塊是否動作、接線和參數設置是否正確等。

現場實踐表明，為杜絕轉速失控和飛車事故的發生，應抓住事故發生的關鍵點，采取切實有效的預防措施，及時檢查和消除該安全隱患，只有當機組的安全隱患被一一排除后，才能并網運行。

通過對飛車案例的分析可以看出，當出現“變槳通信故障”時，可能給機組安全帶來影響。因此，在保證變槳系統穩定、可靠的前提下，可適當增加一些冗余保護措施，即：增加在出現“變槳通信故障”情況下的冗余順槳設置。例如，當葉片處于開槳位置，在主控與變槳控制器之間出現“變槳通信故障”且在執行緊急順槳后，超過一定時間而沒有順槳時，可由變槳控制器自動執行順槳程序，使三支槳葉回到安全位置：當變槳控制器與變槳驅動器之間的通信中斷時，可由變槳驅動器的內部程序自動驅動變槳電機，執行順槳。即：當任何一支槳葉的變槳驅動器與變槳控制器的通信中斷時，變槳驅動器可依照其內部的程序設定自動驅動變槳電機，分別驅動各自的槳葉執行獨立順槳。

在強調機組安全的同時，還應綜合考慮機組成本、故障概率和機組發電量，避免采取無效或過度的防御措施。

從發生過的惡性事故來看，事故機組往往存在一個以上的安全隱患，才最終造成了事故的發生。因此，在預防重大事故時，不僅要注重安全防范的理論研究和機組安全的設計改進，還要切實加強現場工作的執行力度和技術力量，及時發現和消除機組的安全隱患。因為提高機組質量與完善機組的安全設計僅僅是防止惡性事故發生的一個方面，從現場機組中發現并及時消除安全隱患，則對機組改進和預防重大事故的發生起著最為重要和直接的作用。

結論

在進行轉速控制邏輯和超速參數設置時，應在保證機組安全的前提下，增強機組的綜合性能，降低機組的度電成本。不能因片面強調機組安全影響機組的運行穩定和發電量。

由以上對機組飛車案例的分析可知，要避免此類事故的發生，不僅要加強機組及部件質量，提高機組設計的安全性，還需從現場機組具體的維護、維修出發，及時發現和消除任何一臺機組出現的安全隱患。