东汽1.5MW风机变桨系统回路设计开发研究

摘 要：随着风力发电机组运行年限的增长，风机设备普遍存在老化，长期运行易造成风机变桨系统无法顺利运行势必会对风电场的正常运行产生极为不利的影响，随着时代的不断发展和进步，风电场的风机设备可谓是越来越先进，但是由于风电场运行环境恶劣，加之其他多种因素的影响和干扰，当前某风电场运行10年的东汽1.5MW风机变桨系统回路在运行期间出现了诸多缺陷和不足。为了更好地解决相关问题，优化风机运行效率，本文将对风机变桨系统回路设计与开发问题进行研究和分析，希望能够更好地优化系统运行，满足社会的电力需求。

关键词：风力发电机;变桨系统;回路;优化

一、背景

东汽风机桨叶在电池回桨的过程中，电池回桨回路的1R1泄流电阻因承受较大电流，使该泄流电阻温度升高，其热量释放通道受限，导致周边的元器件温度上升，某些器件阻燃等级不够，从而引起变桨系统中电路器件因温度过高而烧坏，影响风机安全稳定运行。该项目旨在对东汽风机变桨系统回路、1R1泄流电阻及相关电气元件安装的合理性进行设计研究，使1R1泄流电阻产生的热能及时释放，确保变桨系统各电气元件安全稳定运行，进而提高风机的运行可靠性。

二、风机变桨系统缺陷原因分析

某风电场东汽FD77B型机组已投运10年，自2019年1月—2020年5月，该风电场#2、#41、#47、#54、#61、#77、#103、#104等多台风机发生因变桨控制柜中1R1泄流电阻未有效散热，导致轴控柜内临近泄流电阻的各电气元件受热损坏，损坏情况如图1所示：

经现场检查分析发现，元器件损坏风机均处于非正常运行状态正常，具体问题原因如下：

第一，限位开关失效，这时桨叶会一直转动直到电池电压降到不能使6K1吸合，由于运行时间过长，后备电池释放的能量大部分通过电池收桨回路释放。导致6K1烧坏，甚至1R1发热量过大烧坏临近各电气元器件，电机也会因长时间的超负荷工作烧坏。

第二，变桨减速器卡死或因6K2元器件损坏等原因引发刹车没有打开，导致电机堵转，这时通过电机的电流会急剧增大，导致1R1的温升急剧升高，从而烧坏旁边的元器件。

1R1泄放电阻为波纹功率电阻，其额定电阻20欧，功率65瓦，在电池回路收桨的情况下，该电阻直接串联在后备电池的正负极回路中，由于电机的电枢电阻极小，由I=U/R的关系，收桨回路产生的电流很大，功率电阻产生热量巨大，若没有合适的释放通道，电阻温度将迅速升高，特别是在频繁变桨的情况下，电阻产生的热量将直接损坏周边的电路。

由图2可以看出，正常回桨时，400V输入经由主开关、分流电阻、直流三相滤波器到直流驱动器，驱动器输出接直流变桨电机。此时变桨电机的控制由驱动器完成，即桨叶控制受驱动器控制，电池收桨回路不起作用，1R1是不得电的。

由图3可以看出，在电池回桨的过程，后备电池电压经过1R1，再经由驱动器内部的二极管整流桥到达电机，经过电机电枢回到电池构成电池收桨回路。可见此回路中，后备电池的电压几乎全加在1R1及电机电枢上，只能通过1R1分担电机电枢的电压，以保护电枢在频繁地回桨过程中不被烧坏。电机电枢的电压一般很小，几乎可以忽略，1R1电阻目前的规格是65W、20欧姆。电池电压一般是245伏，根据公式：P=U*U/R;计算得出电阻的瞬时功率为P=245*245/20=3001.25W。正常电池回桨的过程是13到15秒钟，考虑到此过程中电压下降程度很少，所以电阻的功耗根据公式：W=PT;电阻的功耗约为3001.25*15=45018.75j;这个热量较大，65W功率的波纹电阻会受到一定影响。

若风机桨叶可正常回桨，波纹电阻可以释放该热量的，不足以引起电阻烧坏元器件的，所以出现烧坏元器件这个状况都是在不正常情况下出现的。不正常情况分为两类：第一：限位开关不起作用，或者是说冲过限位开关。这时候桨叶会一直转动直到电池电压降到不能使6K1吸合，这个时候由于运行时间过长，后备电池释放的能量大部分通过电池收桨回路释放。轻者导致6K1烧坏，重者导致1R1发热量过大烧坏元器件，电机也会因为长时间的超负荷工作烧坏。第二种情况是齿轮箱卡死，或者因为6K2元器件等原因刹车没有打开，导致的电机堵转这个时候电机的电流会急剧增大，导致1R1温度急剧升高烧坏其他电器元件。

三、风电场风机变桨系统回路设计开发研究内容

（一）研究内容的详细说明

（1）采用新材质对1R1波纹电阻规格、结构进行重新设计、制作及优化，同时电阻的规格重新选择，考虑到电池收桨时需要保持一定的收桨速度，电阻的阻值不宜太小;同时为了保持電池收桨回路电流不能太大，保证电阻的发热程度不能过高。

（2）对1R1泄流电阻回路进行重新布置，由于柜体内空间有限，且气流无法流通，选择将泄流电阻置于轴箱柜体外面，电阻线头通过M插头的备用线连接。为了加大散热功率，电阻采用正反两面各装一个共两只的方式。电阻的安装支架安装孔利用重载插头的安装孔固定，无须另外打孔，安装维护方便，也不会改变箱体的安全防护等级。

（3）将波纹电阻周边的整流器灭弧器6A1和6A2换成阻燃材料的同样性能器件，如图6所示。

（二）技术指标

为确保电池收桨时保持一定的收桨速度，电阻的阻值不宜太小;同时为了保持电池收桨回路电流不能太大，保证电阻的发热程度不能过高。

工作电压范围：≤1.2kV;

额定功率范围：60W～1000W;

额定阻值范围：1～10KΩ;

耐压范围：AC3KV 50HZ/5s;

IP等级：IP00.IP33。

（三）创新点

（1）R1泄流电阻材质与结构的创新。采用新型材质制作1R1波纹电阻，电阻表面包裹散热材料，并设置开孔，形成高效的散热通道，确保在高发热、持续震动、环境条件变化大等客观因素下，电阻不开裂、不漏砂、不失效。

（2）R1泄流电阻及回路结构布局的创新。对1R1泄流电阻电气回路进行重新布置，电阻自身采用一体化设计，将电阻布置于变桨轴控柜外侧，解决泄流电阻辐射的热量导致周边电气件损坏的问题，符合风机防火要求。

四、风电场风机变桨系统改造的预期经济、社会效益

（一）经济效益

电池收桨回路作为变桨系统最后一道安全保障，在风机系统中意义无可替代，其回路部件的安全性、可靠性对风机运行具有重要的、无可比拟的作用，选择更可靠的回路组件，对用户风机的稳定运行极具价值。泄流电阻的损坏造成的不完全损失如下：

（1）组件本体损坏，目前一套组件的价格在1000元左右，一台风机3000元;

（2）周边电气件的烧毁，包括接触器、开关、整流器、回路组件等，初估计价值在3000元左右，一台风机10000元;

（3）发电量损失：按停机加恢复一周时间估算，每天发电量10000元，发电量损失70000元左右;

（4）人力成本的损失：由于箱体在轮毂内，传统维修方案电气回路接线不易恢复，且导致以后故障频发，费时费力，单次人力成本一人天500元左右，按发生频次，损失巨大，每台损失约3500元。

综上所述，更换新的能耗电阻方案能解决泄流电阻烧毁并导致周边电气件烧毁问题，提升风机效益和经济价值，按每年30%故障率统计，每年可增加收益296.65万元。

（二）社会效益

通过项目改造，对于早期老风机的利用率得到了有效的提升，减少了现场风场人员工作量，从而提高了员工的工作效率，同时对于企业内部来说提高内部管理效能和市场竞争力，提高能源整体效率和效益，为集团创造管理提升的经济效能。另外从安全性角度来说，减少降低了安全生产事故发生率，保障了员工的安全和企业财产的损失，从而为社会减少不必要的开支。

（三）应用前景

早期的风机设计结构基本相似，且都有不同程度的问题点，通过此次的改造样本进行可靠性评估，有利于后期对于风机进行批量性和可靠性的技改来提高机组利用效率。

总之，为了更好地发挥风电场的优势，满足广大人民群众的用电需求，必须要不断对风机进行优化设计，在发现风机运行已经落后于实际生产需求时，就应当第一时间对相关问题予以优化和调整，否则的话，经济效益和社会效益难以得到有效提升，这样对于相关产业的发展和进步将会产生巨大的阻碍作用。

参考文献：

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作者简介：冯猛（1992— ），男，汉族，河北石家庄晋州人，硕士，研究方向：热能工程。