風力發電機組偏航系統供電回路故障處理及安全性提升方法

劉喬

（湖南湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411100）

0 引言

傳統不可再生的化石能源供應壓力越來越大并面臨著開采破壞和排放污染等問題，嚴重影響著全球的生態環境。為了應對傳統化石能源存在的各種問題，綠色可再生能源，特別是風力發電，在國內外的發展和應用越來越廣泛[1]。風力發電機組的偏航系統也稱為對風裝置，其作用在于當風速矢量的方向變化時，能夠快速平穩地迎風，以便風輪獲得最大的風能[2]。機組的偏航電氣系統一般由主回路開關、偏航接觸器、偏航電機、控制繼電器、PLC控制器、偏航計數器、風速風向傳感器等組成。PLC控制器接收到機組的風速風向傳感器測量的風速達到有效風速以上，則根據風向偏差數據即風力發電機組與風向夾角，PLC控制器通過偏航控制繼電器的得/失電，控制偏航接觸器的主觸點吸合/斷開，使得偏航電機正轉/反轉/停止。同時，PLC控制器通過監測偏航計數器的數值控制偏航電機正轉或反轉方式實現解纜功能，防止機艙與塔底之間的電纜擰絞過度[3]。偏航接觸器的穩定性影響到偏航系統的安全，如果不能夠正常分斷，機艙單方向不斷的偏航轉動將會造成機艙與塔底之間的電纜擰絞過度?；诖?，本文提出一種新型的偏航電機回路系統，當偏航接觸器不能夠正常分斷時，仍能夠有效切斷偏航電機供電回路，大幅提高系統工作可靠性。

1 故障事件經過

某風電場位于寧夏回族自治區，現投入運行一期共24臺葉輪直徑為96m的2MW風力發電機組（下稱機組）。在運行過程中首先觸發偏航計數器限位位置激活故障，風電場常軌維護人員趕往故障機位的途中，風力發電機組隨后又出現變流器機側過載故障。進入機組排查故障時發現機艙與塔底之間的電纜在U型馬鞍段出現了電纜擰絞過度、破皮、相間相地之間電氣短路著火痕跡，偏航接觸器仍處于接通狀態。

2 故障原因及處理

2.1 風力發電機組偏航系統電氣回路說明

如圖1所示，F1為偏航電機保護開關，KM1為左偏航接觸器，KM2為右偏航接觸器，機組處于偏航狀態時KM1或KM2帶電導通。通過改變偏航電機供電相序控制其正轉或者反轉從而實現機艙左向或者右向偏航[4]。

2.2 故障原因分析

左偏航接觸器KM1其內部故障造成無法正常分斷，機艙一直向左偏航轉動，最終機艙與塔底之間的電纜過度擰絞而破損短路造成機艙400V總供電開關保護跳閘才斷開了偏航電機的供電。

2.3 偏航系統電氣回路的改進措施

偏航接觸器的所處的工作環境較惡劣，其中包括溫度、振動、濕度以及鹽霧等一系列因素對交流接觸器的動態特性有不同程度的影響[5-6]。自然界的風隨機性強，風速和風向變化頻繁，風力發電機組偏航系統經常需要頻繁啟停以進行迎風控制[7]。偏航接觸器動作次數能達到偏航系統啟停次數的一半，偏航接觸器工作特性影響到其穩定運行及使用壽命。針對出現偏航接觸器無法分斷情況，本文提出了幾種通過切除偏航電機主回路供電的有效、可靠改造方案。

2.3.1 增加主回路接觸器

在偏航接觸器KM1、KM2上級增加一個主回路接觸器KM3，KM1、KM2不能夠正常分斷則通過控制接觸器KM3分斷切除偏航電機的供電。

接觸器KM3的控制一般采用以下兩種方式：

（1）偏航系統啟動時接觸器KM3得電接通，偏航系統停止時接觸器KM3失電分斷。偏航系統停止，出現偏航接觸器KM1或KM2未分斷，KM3失電分斷仍能夠切除偏航電機供電。該種改造方式邏輯結構簡單，KM3的動作次數多。

（2）機組正常運行時接觸器KM3得電接通，出現偏航系統類故障時，KM3失電分斷。偏航系統停止，出現偏航接觸器KM1或KM2未分斷，則PLC控制器控制接觸器KM3失電分斷，切除偏航電機供電。該種改造方式電氣回路結構較為復雜。

2.3.2 偏航系統主開關增加電動操作裝置

偏航系統主開關F1加裝電動操作裝置，KM1、KM2不能夠正常分斷則通過F1的電動操作裝置分斷F1，切除偏航電機供電。機組正常運行時，偏航系統主開關F1合閘位置。偏航系統停止，出現偏航接觸器KM1或KM2未分斷，則PLC控制器控制主開關F1的分閘線圈YO得電，F1分閘切除偏航電機供電。該種改造方式，能控制偏航系統主開關的分合閘，電氣回路結構較為復雜且電動操作裝置成本較高。

2.3.3 更換接觸器

（1）定期更換接觸器。更換頻繁造成資源浪費且無法杜絕故障事故的發生。

（2）采用新型的永磁交流接觸器并設計控制回路與接觸器進行配合工作，電路分正常工作電路和保護電路兩部分。正常工作電路負責控制接觸器進行正常的分斷與吸合操作,保護電路則負責檢測并觸發保護裝置進行強制分斷保護[8]。這種方式采用的電氣回路結構較為復雜且器件更換成本較高。

3 結論

本文提出了接觸器作為常用的開關電器，其具有較高的使用壽命，但是必須考慮分斷失效帶來的問題和影響，以防止事故的發生。本文提出的是一類解決接觸器無法分斷而造成下游用電設備異常帶電的方法。針對接觸器發生無法分斷的情況，為保證接觸器下游用電設備的安全性，在主回路新增冗余接觸器或者在上游的保護開關上增加電動操作機構用以分斷回路，提高了供電可靠性。