偏航軟啟動系統(tǒng)故障分析-以云南某風場為例

【摘要】偏航系統(tǒng)是風電機組的核心系統(tǒng)之一，對控制機組穩(wěn)定和保證機組發(fā)電量起著重要作用。本文針對云南某風場1.5MW機組，增加偏航軟啟動系統(tǒng)后出現的偏航系統(tǒng)故障，進行故障錄波和邏輯分析，有效地降低了故障發(fā)生率，以此提高偏航系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證機組平穩(wěn)可靠運行?！娟P鍵詞】1.5MW機組偏航軟啟動故障分析運行維護1.偏航系統(tǒng)概述風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)是風電機組重要的組成部分，主要作用為當風速矢量的方向變化時，風力發(fā)電機組通過偏航使機組跟蹤風向的變化，保證機組始終正對風向，以獲得最大風能，提高發(fā)電效率。偏航系統(tǒng)由偏航檢測機構（風速儀、風向標、偏航編碼器）、偏航控制機構（PLC、電控系統(tǒng)）和偏航執(zhí)行機構（偏航驅動電機、偏航減速器、偏航小齒輪、偏航軸承齒盤、偏航軸承、潤滑系統(tǒng)、偏航制動系統(tǒng)等）三大部分組成。偏航檢測機構將當前機組的風速、風向信號傳遞給PLC，PLC計算出機組當前對風角度，由PLC內部控制邏輯判斷機組是否啟動偏航。當達到偏航啟動條件時，PLC發(fā)出控制指令，偏航電機電子剎車打開、偏航剎車系統(tǒng)液壓站泄壓，隨后PLC發(fā)出偏航軟啟使能信號及偏航動作信號（左偏、右偏），繼而偏航電機開始運行，經過偏航減速機齒輪帶動機艙在偏航齒盤上旋轉，完成偏航動作。圖1：偏航控制系統(tǒng)框架圖2.偏航軟啟系統(tǒng)云南省某風電場1.5MW機組存在偏航電氣回路斷路器跳閘、機組晃動大等問題。在偏航回路增加變頻器，基于變頻器驅動的柔性自學習偏航系統(tǒng)，是對原偏航系統(tǒng)的有效技術改造，目的是實現偏航系統(tǒng)的軟啟動、軟停止，使風機運行平穩(wěn)，減少振動和機械沖擊對風機帶來的損害；同時減少啟動電流對電機的沖擊，延長電機壽命，提升機組可利用率和發(fā)電量，實現風電場提質增效。圖2：偏航軟起原理圖3.偏航系統(tǒng)問題說明系統(tǒng)投運半年后頻繁出現由偏航相關的故障引發(fā)的機組停機現象。通過對現場出現的故障統(tǒng)計分類，偏航故障主要有兩類：一類是變頻器自身故障，主要為電機過速、供電電源欠壓、供電電源過壓、電機過載、母線電壓高等，此類故障發(fā)生頻率很高，為普遍性故障；一類是機組偏航系統(tǒng)相關故障，主要為偏航傳感器方向錯誤、偏航傳感器故障，此類故障為偶發(fā)性故障，集中發(fā)生在個別幾臺風機組。以偏航故障停機為頂事件，使用故障樹方法研究風電機組偏航系統(tǒng)的故障診斷。通過研究導致偏航統(tǒng)故障的直接原因，并結合導致這些原因產生的更深層次原因，找出故障產生的成因和后果的關系，構造多層次故障樹結構模型，如下圖所示。圖3：故障樹分析圖4.故障分析及處理措施4.1電機過速現場檢查變頻器的電機參數設置，其與電機銘牌一致。查看變頻器故障時刻的參數記錄，電機頻率超過了輸出頻率設定值。電機過速故障時刻相關的參數如圖所示：圖4：電機過速參數可能原因為變頻器在減速停機過程中，電機抱閘和制動器還未投入，在機組大風滿發(fā)情況下，受輪轂旋轉的慣性和風向變化的影響，電機會受到一些外部的驅動力，使電機被動處于發(fā)電狀態(tài)，導致變頻器的母線電壓升高。變頻器會通過提高輸出頻率使電機減少發(fā)電來避免母線電壓過高。如果電機頻率超過輸出頻率后，變頻器會報電機過速。為有效控制變頻器母線電壓，將變頻器制動單元提前打開，使制動電阻提前介入，同時降低慣性對電機轉速的影響，修改慣性系數后，電機的轉速明顯穩(wěn)定。調整參數如下：[完整設置]→[電機參數]→[電機控制]→[制動單元釋能閾值Vbr]=660V[完整設置]→[電機參數]→[電機控制]→[慣性系數]=0%修改前后對比圖如下：圖5：電機過速修改前后對比圖4.2供電電源欠壓現場測量輸入電源電壓正常，查看欠壓保護參數，保護參數按照480VAC輸入電壓進行設置，因而推測供電電源欠壓可能是由于保護值設置不合適。供電電源欠壓故障時刻相關的參數如圖所示：圖6：供電電源欠壓參數實際變頻器的供電電源為400VAC，按照供電電源400VAC對保護參數進行重新設置。調整參數如下：[完整設置]→[錯誤/警告處理]→[欠壓處理]→[電源電壓urEs]=400V[完整設置]→[錯誤/警告處理]→[欠壓處理]→[欠壓電平usL]=212V[完整設置]→[錯誤/警告處理]→[欠壓處理]→[欠壓超時ust]=2s4.3電機過載在平穩(wěn)運行過程中，電機或者外部的機械負載長時間的過載，易觸發(fā)此故障。查看故障時刻的變頻器記錄，電機熱狀態(tài)高于設定值。對風機進行檢查發(fā)現手自動偏航過程中電機電流、電壓、輸出頻率、熱狀態(tài)均正常，偏航時液壓回路壓力正常。對風機分別進行順時針、逆時針360度偏航，觀察變頻器電機狀態(tài)變化。在相對位置55°時，重新啟動自動偏航，電機電流突變偏航摩擦盤處有較大的響聲，推測是由于此時的制動器沒有打開導致偏航電流較大。下圖為電機過載故障時刻相關的參數：圖7：電機過載通過偏航故障統(tǒng)計，發(fā)生電機過載的僅為個別機組，目前處理措施為調整液壓制動系統(tǒng)。4.4偏航傳感器方向錯誤觸發(fā)條件為從上周期A\B偏航傳感器的DI狀態(tài)相等開始計算，A傳感器變化=順時針偏航，B傳感器變化=逆時針偏航。上周期不相等時，A傳感器變化=逆時針偏航，B傳感器變化=順時針偏航。順時針偏航記1，逆時針偏航記-1，與偏航狀態(tài)對比，如果角度偏差超過6°連續(xù)兩次，會報偏航傳感器方向錯誤。考慮偏航運行和停機過程中的慣性影響，由主控修改觸發(fā)條件，將角度偏差2°修改為偏差6°。4.5偏航傳感器錯誤觸發(fā)條件為偏航執(zhí)行5s后，接近開關（偏航計數器1和偏航計數器2）沒有反饋信號，觸發(fā)延時10s。發(fā)生該問題的為個別機組，目前處理措施為更換偏航傳感器和主控對應的檢測模塊。5.結論本文從故障錄波和控制邏輯出發(fā)，分析了云南某風場偏航故障停機現象出現的原因，并結合實際排查結果，提出有效處理措施與預防舉措。當前，該風場偏航軟啟動故障70%左右為變