蓄电池紧急收桨型风机延时保护的研究及应用

吴增金

摘要：因风力发电机组在紧急收桨过程中限流电阻烧损，导致风力发电机组轮毂控制柜内继电器大面积损坏，造成风机长时间故障停运。文章通过对故障情况的分析，提出了两种方式来消除该故障：一是通过选择合适的限流电阻功率实现准确限流；二是通过增加紧急收桨延时控制功能，对整个紧急收桨过程进行限时控制。

关键词：风力发电；紧急收桨；限流电阻；直流电机；延时回路；蓄电池 文献标识码：A

中图分类号：TM614 文章编号：1009-2374（2016）27-0019-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.009

1 概述

风力发电作为可再生的新能源在我国近年来得到了快速的发展。随着风电在电能结构中的比重不断提高，电网对风电的质量要求也随之不断提高，因而对风机在各种风况下安全稳定运行提出更高的要求。风力发电机组紧急收桨回路，是在风机变桨系统故障时，提供后备电源，保证风轮安全的关键所在。风机紧急收桨方式大致分为三类，即经超级电容供电收桨、通过液压蓄能器收桨、通过紧急收桨电池供电收桨。第一类为经超级电容供电收桨。电容为变桨系统提供备用电源，是由4个超级电容组串联而成的额定电压为60V总容量为108F，可用能量为150kJ。每个超级电容组430F，16V。超级电容能量存储模块是一个独立的能量存储设备，最多能够存储55kJ（15.3Whr）的能量。能量存储模块由6个独立的超级电容单元、激光焊接的母线连接器和一个主动的、完整的单元平衡电路组成。单元可以串联连接以获得更高的工作电压（215F，32V；143F，48V；107.5F，64V等）。也可以并联连接提供更大的能量输出（860F，16V；1290F，16V等）或者是串联和并联的组合来获得更高的电压和更大的能量输出。常见机型金风系列变桨距发电机组。第二类为通过液压蓄能器收桨。当液压泵停止工作且所有阀失磁的时候，蓄能器将提供200bar的压力，给收桨缸，进行收桨动作。常见机组维斯塔斯V80机组。第三类为通过紧急收桨电池供电收桨。在风机轮毂内的电池柜，将在风机变桨系统故障时，为变桨电机直接提供备用直流电源。其的组成由6个12V蓄电池组成1个电池组，4个电池组组成一个电池柜，为变桨电机提供288VDC的直流电源。常见机型湘电直驱式同步永磁风力发电机组。

某风电场地处中部山区，装机50台2.0MW直驱式同步发电机，平均海拔1800m，某月因限流电阻烧损导致的风机停运共计发生3次，这类故障属于严重故障。一是元件损失量大，因限流电阻烧损产生的铝屑喷散，导致轮毂控制柜内的其他电气元件损坏；二是消缺时间长，由于铝屑在喷散后，会导致柜内全部受其污染，而且经常有铝屑冲进继电器内，清扫铝屑的工作要求十分细致，工作量十分大；三是降低了设备的可靠性，由于轮毂控制柜内电气元件布置较为精细，限流电阻烧损后的铝屑，多数冲进了继电器及接触器内，影响了电气元件的可靠性，致使消缺后变桨故障频发的现象。

可见，该故障造成后果是非常严重的，针对故障原因进行分析并予以改良将大大提高风机设备的可靠性。一是通过选择合适的限流电阻功率实现准确限流，通过计算变桨电机的一、二级启动冲击电流，得出的限流功率，发现原限流电阻无法满足其实际设计值，根据计算更换功率相符限流电阻；二是通过增加紧急收桨延时控制功能，对整个紧急收桨过程进行限时控制。

2 紧急收桨过程中限流电阻烧损的统计及原因分析

蓄电池型紧急收桨系统，采用的电池柜给变桨电机提供后备电源，继而进行紧急收桨动作。

2.1 限流电阻烧损统计

据统计，该风电场8月累计发生限流电阻烧损3次，该故障带来的设备损伤严重，同时需要较长消缺时间，影响到设备可靠性运行，甚至会有引发柜内起火的安全隐患。表1为故障统计表：

备注：（1）损坏元件为限流电阻烧损后，产生的铝屑冲损轮毂控制柜的元件数；（2）经济损失为损失电量以0.61元/度折合的金额与损坏元件的金额之和；（3）重复缺陷数为限流电阻故障消缺之后，因该故障引起其他元件不可靠工作，导致的故障停机次数。

2.2 限流电阻烧损原因分析

蓄电池型紧急收桨电路图，如图1所示。其中BAT288V为电池柜供电，18K4为紧急收桨供电回路的主接触器，18K1为限流电阻12R1的旁路接触器，12R1和12R1.1为限流电阻阻值分别为1.67Ω、1.25Ω，变桨电机为直流电机，其参数为额定功率9.5kW，额定电压为288VDC，额定电流为38A。由该图可知，变桨电机在启动时串联了两个限流电阻，限流启动。控制回路为如图2所示。

结合图1和图2，可以得出整个紧急收桨过程，其整个过程主要分为三个阶段：一是图2中端电压给予后，18K5线圈先得电，18K5闭合，18K4线圈得电后，图1中变桨电机得电工作；二是在进行变桨的过程中，由于控制回路有两个延时继电器对18K1线圈进行控制，此两个延时继电器皆为延时断开，所以在启动过程中前1s为电机串联两个限流电阻启动，1s之后12R1限流电阻被旁路掉；三是当叶片动作到90°时，限位开关走上限位行程后，图2中的+24VDC被断开，变桨电机刹车失电抱闸锁死。

根据以上对变桨过程的描述，通过故障现象，并对易损元件进行分析。推断出造成限流电阻烧损的原因有三个：一是由于机械卡死或者电机堵转等情况导致叶片收不回桨叶，此时电池会持续给电机与紧急收桨回路供电，电池过放电，导致电池损坏，限流电阻发热损坏；二是在紧急收桨过程中，电机刹车一直处于提起状态，叶片处于悬浮状态，在大风的情况下阻力增加，电机的启动转矩增大，限流电阻过流烧损；三是限流电阻功率存在不匹配的情况，导致启动的电流过大，在高启动转矩的情况，启动电流将更加大，这也是限流电阻烧损的主要原因。

可采取以下两种对策，一是增加限流电阻功率实现变桨电机在高启动转矩的情况下，不发生限流电阻因过流烧损的情况；二是通过增加紧急收桨延时控制回路，实现整个紧急收桨过程的闭环控制和限时控制，杜绝电池持续给电机与紧急收桨供电导致的电池过度放电。

3 增加紧急收桨延时控制回路

风机在紧急收桨过程中，如果由于机械卡死或者电机堵转等情况导致叶片收不回桨叶，此时电池会持续给电机与紧急收桨回路供电，刹车一直处于提起状态，叶片处于悬浮状态，风机处于较危险状态。再则电池过放电，导致电池损坏，限流电阻存在因发热而损坏风险。

通过对紧急收桨控制回路原理图的分析，在紧急收桨回路增加延时功能，其作用为当叶片收桨动作超过延时继电器所设定的时间后，将会断开电机的电枢、励磁和刹车电源。

3.1 紧急收桨控制电路增加延时功能设计思路

为确保对紧急收桨在供电过程的控制。可以在18K5后增加个延时断开的常闭接点18K8.2，其线圈的优先级最高。其主要作用为，在设定时间内还未完成紧急收桨动作，18K8.2常闭接点将断开，之后18K4线圈断电，其后变桨电机切出。

为确保在紧急收桨过程失败后，能及时将让变桨电机及时刹车，并抱闸锁死。在18K5线圈及18K7线圈前，增加个延时断开的常闭接点18K8.1，其线圈的优先级与18K8.2线圈一致。当延时继电器设定的时间达到后，18K8.1接点将断开，刹车供电回路接点的线圈18K7将失电，刹车也将失电刹车。

3.2 延时回路时间设定

紧急收桨过程中，按照6°/s的收桨速度计算，叶片最大收桨时间为15s，在设计收桨时间里，叶片收回限位开关，延时继电器则断电，如果叶片没有收回限位开关，则延时时间到20s和22s，延时继电器动作，断开电机的电枢、励磁和刹车电源。

现将18K8.2设置20s延时，在20s内没有完成紧急收桨动作，将会断开电机的紧急收桨电源。将18K8.1设置22s延时，22s后将断开刹车电源，电机刹车失电抱闸。

图3为根据上述思路，对图2增加了延时回路。通过增加延时回路，实现了对整个紧急收桨过程的供电控制，同时实现了电机刹车的有序控制。消除了因变桨过程中因机械故障，导致电池持续对电机供电，致使电池损坏和限流电阻烧损及电机长时间无刹车动作，带来不确定的危险因素。

4 通过增加限流电阻功率降低冲击电流

如图1紧急收桨原理图所示，采用串电阻二级启动，限流电阻的参数为1.25Ω、750W和1.67Ω、750W，其中1.67Ω电阻在紧急收桨启动1s时切出紧急收桨回路，1.25Ω为一直串联在紧急收桨回路。电机电枢电阻为0.14Ω。

4.1 变桨电机串联电阻的启动电流计算

根据限流电阻的参数，求出额定电流。

由于起动转矩T1大于负载转矩TL，电动机收到加速转矩的作用，转矩有零逐渐上升，电动机开始起动。在图4（b）中，由a点沿着曲线1上升，反电动势亦随之上升，电枢电流下降，电动机的转矩亦随之下降，加速转矩减小。上升到b点时，为保证一定的加速转矩，控制触点Km1闭合，切除一段起动电阻Rk1后，b点所对应的电枢电流I2成为切换电流，其对应的电动机的转矩T2成为切换转矩。切除RK1后，电枢回路总电阻为Ra2=ra+Rk2。这时电动机对应于由电阻Ra2确定的人为机械特性。在切除起动电阻RK1的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为nb，其反电动势亦不变。因此电枢电流突增，其相应的电动势转矩也突增。适当地选择切除的电阻值Rk1，使切除Rk1后的电枢电流刚好等于I1，所对应的转矩为T2，即在曲线2上的c点。又有T1>T2，电动机在加速转矩作用下，由c点沿曲线2上升到d点。控制点Km2闭合，又切除一切起动电阻Rk2。同理，由d点过度到e点，而且e点正好在固定的机械特性上。电枢电流又由I2突增到I1相应的电动机转矩由T2突增到T1。T1>T2，沿固有特性加速到g点T=TL，n=ng电动机稳定运行，起动过程结束。

在分级起动过程中，各级的最大电流I1（或者相应的最大转矩T2）及切换电流I2（或者与之对应的切换转矩T2）都是不变的，这样使得启动过程中有均匀的加速。要满足以上电枢回路串接电阻分级启动的要求，前提是选择合适的各级启动电阻。

根据计算，一级启动冲击电流最大可达为150A，二级启动冲击电流为100A，在载荷较大情况下紧急收桨，UNITRON控制柜中限流电阻的功率达不到实际设计值，根据计算，限流电阻功率达到2kW为最佳设计。

4.2 变桨电机串联电流电阻的选择

根据计算，一级启动冲击电流最大可达为150A，二级启动冲击电流为100A，在12m/s风速下，紧急收桨电流平均值可达50A，限流电阻的冲击功率分别达13kW和17kW，此时根据计算，限流电阻功率达到2kW为最佳设计。

5 结语

实现紧急收桨全过程精确控制和保证其安全动作，是确保风力发电机组安全稳定运行的关键一环。通过对某风电场实际生产中所遇情况分析，针对紧急收桨控制回路无全过程限时控制以及通过对变桨电机的一、二级启动冲击电流的计算，通过在紧急收桨回路上增加延时控制，确保对整个紧急收桨的动作时间控制，消除因机械及电机本身问题，造成的电池持续放电后，导致的电池损坏以及限流电阻烧损；针对限流电阻功率设计不匹配的情况，增加2kW限流功率的电阻，实现在较大启动转矩时电机安全启动。

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（责任编辑：黄银芳）