安徽巢湖某風電場A29 機組變槳電機超速故障分析與處理

張毅博，郭曉宇

（國能信控互聯技術（河北）有限公司，河北 固安 065500）

引言

風力發電產業的快速發展，對風機主要部件性能、質量、制造裝配技術提出了更高、更深的要求[1]。風電機組變槳控制系統，是MW級以上風電機組控制和保護的重要裝置。變槳系統可以根據風速大小自動調節葉片與風向之間的夾角，改變氣流對槳葉的攻角，控制實現風輪對風力發電機的恒定轉速；特殊工況下可以使槳葉順漿至89°與風向平行，使風機安全停機[2]。風力發電機組葉片(根部)通過變槳軸承與輪轂相連，每個槳葉都安裝有相對獨立的變槳電機。變槳電機作為重要的執行機構，能否快速響應，正常控制葉片的槳距角變化尤為重要[3]。

1 風電變槳系統簡介

1.1 系統整體結構

系統整體結構詳見圖1，主要包括變槳距控制裝置、變槳距驅動裝置、變槳距執行裝置、后備動力源和變槳距檢測裝置。變槳距控制裝置指三個相對獨立的變槳控制柜，編號為變槳柜A、變槳柜B和變槳柜C。變槳距驅動裝置指變槳柜內變槳驅動器，變槳距執行裝置指與各變槳柜相連接的變槳電機，后備動力源指變槳柜內超級電容模組，變槳距檢測裝置指位置傳感器和限位開關。每個變槳柜獨立控制一只槳葉，變槳柜與變槳柜、變槳柜與變槳電機之間均通過電纜有效連接。變槳電機通過變槳減速機與變槳軸承內齒嚙合聯動，驅動槳葉旋轉[4]。

圖1

外部主控系統進線通過滑環接入變槳系統，其進線主要有400 V三相電源供電回路，CANopen 通訊信號回路，以及安全鏈信號回路。以上三路進線從機艙主控柜連接到變槳柜A，再由變槳柜A連接至變槳柜B，變槳柜B最后連接到變槳柜C。為避免三個變槳柜單相負載使用同一相供電發生三相電源不平衡現象，三相電源線在送入下一控制柜前互換了相位。變槳PLC和風機主控之間的通訊接口為CANopen 通訊方式，風機主控設置為主站，三個變槳PLC 為從站。通訊線經滑環接入變槳柜A，連接浪涌保護模塊后，接到變槳柜A 的變槳PLC 上，再由變槳柜A 引出連接至變槳柜B 變槳PLC、變槳柜B引出連接至變槳柜C 變槳PLC（變槳柜B、C 通訊線不再需要接入浪涌保護裝置）。變槳系統安全鏈接線首先經滑環接入變槳柜A 內防雷保護端子再連接到相應的安全鏈控制回路，由變槳柜A 引出接入變槳柜B，由變槳柜B 引出再接入變槳柜C（變槳柜B、C 安全鏈不再需要接入防雷保護端子）。安全鏈信號接線分為兩組：第一組為EFC信號、第二組為槳葉安全位置檢測信號。

變槳柜內部元器件安裝布局基本相同，其右側主要部件有5 塊串聯連接的超級電容模組，PT100。左側活動板底部主要安裝有充電器、變槳伺服驅動器、加熱器、散熱器。活動板上主要安裝有變槳PLC，24VDCDC 電源、溫度控制器、繼電器及空氣開關。

槳葉的位置由變槳電機內置的編碼器送出信號經KL5001 模塊解碼再由BX3100 運算獲得。為了校準和監測槳葉實時位置，在每支槳葉上均安裝有兩只接近開關，其中一只負責3-5°槳葉位置監測與校準，另外一只負責86°槳葉位置監測與校準。正常工況情況下，槳葉運行區間為0°到89°。當系統順槳時，槳葉回槳至89°。若變槳控制系統發生故障，收槳超過89°，觸發95°限位開關，此時變槳PLC 斷軟件使能信號，變槳伺服驅動器剎車控制不輸出、變槳電機制動器抱閘。I/0 模塊主要監控限位開關動作、安全鏈和溫度信息等，其中95°限位開關作為變槳系統最后一條安全措施，斷硬件使能信號，與95°限位開關形成冗余關系，保證了系統的安全運行[5]。

變槳系統每個變槳控制柜均由獨立的變槳控制系統PLC控制。該PLC控制器的主要控制任務有：一是變槳柜作為風機主控的從站接受主控的CANopen 通訊發出的指令信號，并且回傳本站的運行狀態，三個變槳柜的CANopen 通訊站號分別設置為51、52 和53。二是監測變槳系統的實時運行狀態，當變槳系統發生異常情況斷開安全鏈，使風機進入緊急運行模式。三是程序邏輯控制系統將執行電機三環控制中的位置環控制和速度環控制，保證精確、迅速的響應主控的指令。

由于變槳系統所在工作環境溫度差異大，當環境溫度較低時，為了保證柜內器件正常的工作環境，變槳系統安裝有變槳柜加熱器。當環境溫度0℃以下時，變槳PLC 不啟動，溫度控制器啟動加熱器進行加熱，溫度達到15°加熱停止。另外當變槳柜內部溫度大于50℃時，變槳PLC控制啟動加熱器散熱風扇運行，保證變槳系統正常工作。

伺服驅動器的充電/放電模塊及電容監視模塊BT負責管理超級電容的充放電和電容的電壓監測。備用電源只有在主電源掉電的時候才啟用。備用電源可實現緊急模式下的無延時切換，保障系統的安全運行。

變槳后備電源選用5 塊16 V/500 F 超級電容模組，5 個模組串聯使用。超級電容模塊并聯于變槳系統直流母線上，其連接有充電器保持浮充狀態。變槳備用電源只有在主電源掉電情況下啟用，可以實現緊急模式下無延時切換，確保變槳系統安全穩定運行。

正常情況下，變槳系統控制變槳電機運行，通過變槳減速箱和變槳軸承使槳葉跟蹤主控下發的位置信號指令運行。當風機主控系統報安全鏈故障，安全鏈斷開，變槳系統進入緊急工作模式，槳葉以9°/s 速率順槳至安全位置。若變槳系統400 V 交流供電異常，則變槳系統由變槳備用超級電容供電，3 s 后變槳系統進入緊急工作模式，滿足低電壓穿越要求，槳葉順槳至安全位置。另外，三個變槳柜均由獨立的變槳PLC 控制，當一個變槳柜報出安全鏈故障時，其他兩個變槳柜接收到安全鏈斷開信號后同步緊急回槳，確保機組安全停機。

1.2 變槳系統工作模式

變槳系統主要有以下幾個工作模式，貫穿風電機組生產運行各工況。

1.2.1 起機模式 變槳系統剛通電，超級電容尚未充滿電時，變槳系統處于起機模式。該模式結束后可以進入正常工作模式。機組啟動過程通過變槳電機控制槳葉的角度，以使機組能夠依靠風力自行啟動。

1.2.2 正常工作模式 在正常工作模式下，變槳系統通過CANopen 通訊接收主控位置指令，控制槳葉運行，以期達到額定風速后風機葉輪轉速恒定，風電機組滿負荷穩定運行。

1.2.3 正常停機工作模式 在正常停機工作模式下，變槳系統通過CANopen 通訊接收主控位置指令，控制槳葉角度變化至安全位置，確保機組安全停機。

1.2.4 緊急停機模式 在緊急停機模式下，變槳系統不再接收主控位置指令，由變槳系統PLC 控制槳葉運行至安全位置，確保機組安全停機。

1.2.5 維護模式 在維護模式下，輪轂外部不可以進行任何變槳系統的操作，主控不給變槳發送任何指令。維護模式由主控維護按鈕進行設定,在維護人員進入輪轂之前，維護開關必須合上，變槳系統隨即進入維護模式。

2 安徽巢湖某風電場A29 機組故障描述

2.1 故障現象

安徽巢湖某風電場A29 機組于2016.06.05報出變槳電機超速故障，1 號槳葉和3 號槳葉均發生超速，1 號槳葉和3 號槳葉最終觸發95°限位開關，見圖2。因現場風速過大人員無法進入輪轂處理故障，導致此臺風機停機時間超20 h。

圖2

2.2 故障觸發邏輯

變槳電機超速故障觸發邏輯：非緊急模式下，伺服反饋的變槳速度大于10°/s，且持續時間超過100 ms，故障產生。

編碼器SSI 故障觸發邏輯：編碼器角度反饋異常，槳葉位置信號前后周期角度差大于0.1°，且持續時間超過200 ms，故障產生。

3 安徽巢湖某風電場A29 機組變槳電機超速故障數據分析

通過圖3 的故障數據分析，軸C 槳葉跟隨主控位置指令動作過程中，槳葉發生變槳電機超速故障，進而導致變槳安全鏈斷開，軸A 軸B 兩個槳葉執行緊急順槳動作，在順槳過程中，軸C 槳葉觸發驅動器內部encoder error 故障，最終使其觸發95°限位停止；軸A 槳葉順槳過程中，在外力作用下發生變槳電機超速故障，同樣軸A 槳葉也觸發了驅動器內部encoder error 故障，最終使其觸發95°限位停止；只有軸B 槳葉最終回到89°安全位置。故障現象邏輯梳理，見圖4。

圖3

圖4

根據故障記錄，安徽巢湖某風電場A29 機組多次發生變槳電機超速故障，其余機組從未報出該故障。通過對故障數據分析可以看到，A29 所在機位當風向發生改變時，變槳電機電流能夠較大輸出，抑制外力載荷變化，但當外力足夠大時，變槳電機制動力矩不足以克服，最終發生超速。

4 安徽巢湖某風電場A29 機組變槳電機超速故障處理

（1） 優化PLC故障觸發邏輯：針對變槳電機超速故障報出后誤報SSI 編碼器故障，導致撞95°限位，大風不能上塔維護，嚴重影響業主發電量的問題。具體優化措施是，將SSI 編碼器故障觸發條件由ABS(actualBladeAngle - oldBladeAngle) ＞0.1 延時200 ms，改為ABS (actualBladeAngle - oldBladeAngle) ＞0.3 延時200 ms；

（2） 優化變槳驅動器參數：針對風向發生改變外部載荷較大，超出變槳電機制動力矩的情況。具體優化措施是，修改brakingbooster 由80%調整至100%，option8 由level4 調整至level5；

（3） 優化PLC位置環算法邏輯。

5 結論

通過優化變槳PLC程序及變槳驅動器控制參數，安徽巢湖某風電場A29 機組再未發生過變槳電機超速故障，故障處理措施有效。本文可作為變槳超速故障處理措施參考，以期縮短故障處理時間，提高機組利用率，減少業務發電量損失。