風力發(fā)電機組電氣與控制系統(tǒng)快速檢修要點分析

國華（江蘇）風電有限公司 周曉東

對于風力發(fā)電技術(shù)來說，安全穩(wěn)定的電氣控制系統(tǒng)是確保其長期穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。在具體的運行過程中，整個風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)質(zhì)量較好，但由于執(zhí)行過程中常會出現(xiàn)問題且維修非常困難，會影響控制系統(tǒng)作用的發(fā)揮，導(dǎo)致產(chǎn)生不必要的損失。所以務(wù)必需保障風力發(fā)電機組運行的安全性和可靠性，若發(fā)現(xiàn)問題需采取有效措施及時處理和解決，保障風力發(fā)電機組正常工作。

1 風電機組電氣與控制系統(tǒng)檢修總框架

風電機組的控制系統(tǒng)就像人類的神經(jīng)與大腦，要充分了解和科學(xué)控制系統(tǒng)中的全部設(shè)備，才能實現(xiàn)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的效果。風力發(fā)電機組電氣與控制系統(tǒng)是由專用模塊構(gòu)成，模塊具有通信的作用，通常包括安全鏈、PLC通訊、數(shù)字輸入DI/輸出DO等。其傳輸原理主要是在固定的通信協(xié)議下，根據(jù)主機的命令及設(shè)備的狀況來進行傳輸，電氣設(shè)備也可按照規(guī)定的狀態(tài)來進行運行。

在風電機組的控制系統(tǒng)中，起到維護機組安全運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵回路是安全鏈回路，這個回路是將可能對風力機組造成嚴重損害的故障節(jié)點串聯(lián)，若某個節(jié)點出現(xiàn)斷開現(xiàn)象，相應(yīng)的安全鏈就會傳輸緊急停機的指令，這時風電機組立即停機，從而避免事故發(fā)生[1]。在風電機組出現(xiàn)故障情況下，現(xiàn)階段使用的當場檢驗方式通常情況下都沒辦法在根本上處理問題，尤其是對新員工來說，缺乏檢查系統(tǒng)設(shè)備的經(jīng)驗，對機械設(shè)備的了解也不夠充分，對設(shè)備整體缺乏全面而綜合的認識。通常在故障列表中可較直觀的發(fā)現(xiàn)故障次序，且數(shù)量大約5～10條。這對新員工在一定程度上增加了判斷主故障的難度，所以應(yīng)在實際運作過程中對檢修技術(shù)進行全面認識和掌握，不斷總結(jié)檢修思路，填充自己的檢修經(jīng)驗。

2 風力發(fā)電機組電氣與控制系統(tǒng)的運行情況分析

風力發(fā)電機組在運行過程中，檢修人員需將相應(yīng)的巡檢、定期維護工作落實到位，及時發(fā)現(xiàn)機組缺陷和隱患并進行整治。實際運行過程中需利用主動或被動的方法科學(xué)合理控制機組運行，保障風機各系統(tǒng)參數(shù)在合理區(qū)域內(nèi)運行。

在控制和維護風力發(fā)電機組過程中，需堅持“無效—維修”的原則，如果是外在與內(nèi)在要素阻礙了機組的運轉(zhuǎn)，就表示系統(tǒng)管制無效，就要充分調(diào)動體系中的安全維護措施，保障風力發(fā)電機組的穩(wěn)定性。若風力發(fā)電機組在運行的過程中電機過載造成脫網(wǎng)等故障，需及時采取措施維護，其中涉及到了多層級的安全鏈，在管制的過程中需遵循有關(guān)的邏輯順序。

風力發(fā)電機組的狀態(tài)有運行、暫停、停機和緊急停機，這些運行狀態(tài)各不相同且都有自己的特點。其不同的就是運行狀態(tài)屬于行動類型，是最高的運行狀態(tài)（圖1），在風力發(fā)電機組運行形態(tài)時，需嚴格按照步驟進行操作，逐層進行完善和改變，防止發(fā)生越級的情況，這不但與風力發(fā)電機組的控制息息相關(guān)，同時也與風力發(fā)電機組的正常運作有著密切的聯(lián)系。如想拔高風力發(fā)電機組運作形態(tài)，需逐級向上實施，在風力發(fā)電機組運轉(zhuǎn)過程中，對風力發(fā)電機組存在的問題進行全面而系統(tǒng)的檢查，若發(fā)生異常現(xiàn)象應(yīng)停機或緊急停機[2]。

圖1 運行形態(tài)轉(zhuǎn)化圖

3 風電機組電氣與控制系統(tǒng)快速檢修思路分析

3.1 系統(tǒng)檢查PLC主機

風力發(fā)電機組的電氣控制核心就是PLC主機，在對其進行系統(tǒng)檢查時，首先需對其完整性進行驗證：先檢查PLC的操作界面，根據(jù)已有版本信息來確定PLC系統(tǒng)工作狀態(tài)，如符合正常狀況且沒有出現(xiàn)死機的狀況，就可進行驗證；還需對PLC主機的超熱狀況進行全面勘察，如PLC運行的溫度與正常溫度比較來說更高，則表明其存在故障，反之則沒有出現(xiàn)故障。近年來，隨著自動化系統(tǒng)發(fā)展，如果風機轉(zhuǎn)動值超出規(guī)定角度電氣控制系統(tǒng)自動解綁是最為理想的狀態(tài)。

3.2 檢查通訊模塊

在完成相應(yīng)的檢查工作后，還需對PLC系統(tǒng)的通訊功能進行進一步的確定。如是由于PLC通訊功能出現(xiàn)問題，就無法獲取整個設(shè)備的狀態(tài)情況，不利于檢修工作的開展。因此需對其進行全面檢查，這時相關(guān)人員無法真正確定整個系統(tǒng)設(shè)備的運行狀況，很容易導(dǎo)致后續(xù)維修工作出現(xiàn)問題。因此：在進行檢查前需對整個通訊系統(tǒng)的電源進行確認，確認其電源模塊是否還能夠正常工作；在檢查完后需對通訊模塊的線路及一些部位的接頭狀況進行檢查，確保整個電路的線路接頭及接線都是正常的；在完成對通訊光纖的檢查后需對信號的強度進行確認。在完成上述的檢修工作后需對安全鏈實施相應(yīng)的檢查和檢修工作。

3.3 檢驗安全鏈

在對安全鏈回路進行檢查過程中，需根據(jù)風電機組實際狀況來進行確認。如在實際檢修過程中發(fā)現(xiàn)安全鏈的回路并沒有閉合，那么后續(xù)的機組就無法正常工作：在檢查開始前，需判斷安全鏈系統(tǒng)的工作狀況是否正常，如其內(nèi)部存在較嚴重的損耗，就需立即對安全鏈回路硬件進行檢查更換，如發(fā)現(xiàn)安全鏈的軟件丟失，需重新下載或是重新安裝新的程序軟件；在將所有故障排除后，再根據(jù)電路的運行狀況來檢測各個連接點的性能，是否能正常運轉(zhuǎn)；在對故障原因進行檢查時，需根據(jù)信號傳輸過程中遇到的干擾或其他問題進行分析，而不是真正發(fā)生了危險事故。但并不排除有的是因設(shè)施運轉(zhuǎn)形態(tài)實現(xiàn)導(dǎo)致的安全預(yù)警。此外，所有安全鏈回路通路且狀態(tài)顯示正常后，主控系統(tǒng)正常運行后就可對各項子體系進行檢驗，從而繼續(xù)故障排查工作。

3.4 各個子系統(tǒng)設(shè)備檢驗

3.4.1 風電機組子系統(tǒng)的檢查

液壓系統(tǒng)。當液壓系統(tǒng)油位及齒輪箱油位偏低時，需檢查液壓系統(tǒng)及齒輪箱有無泄漏現(xiàn)象發(fā)生。如發(fā)現(xiàn)有漏油情況，需根據(jù)實際情況補加油液恢復(fù)到正常油位，在必要時應(yīng)檢查油位傳感器的工作是否正常。在液壓控制系統(tǒng)壓力異常而自動停機時，應(yīng)檢查油泵工作是否正常，如油壓異常則應(yīng)檢查油泵電機、液壓管路、油壓缸及有關(guān)閥體和壓力開關(guān)，必要時應(yīng)進一步檢查液壓泵本體工作是否正常。

偏航系統(tǒng)。需定期檢查偏航齒圈傳動齒輪的嚙合間隙及齒面的潤滑情況來判斷減速器內(nèi)部有無損壞，同時還需檢查偏航減速器潤滑油油色及油位是否正常。如因偏航系統(tǒng)故障而造成停機時，需檢查偏航系統(tǒng)電氣回路、偏航電機、偏航減速器以及偏航計數(shù)器和扭纜傳感器的工作是否正常。如因扭纜傳感器故障致使風力發(fā)電機組不能自動解纜的也應(yīng)予以檢查處理，直到所有的故障排除后再恢復(fù)啟動發(fā)電機組。

3.4.2 控制回路的檢查

測量功能回路。系統(tǒng)可把壓力、溫度、風向、風力等多種類型傳感器的信號根據(jù)特定的范圍內(nèi)電壓信號來進行轉(zhuǎn)換，對于PLC卡件的測定及實際的設(shè)備運行的判斷都能提供方便。一般傳感器的電壓較低、但也并非絕對，某些電壓互感器的電壓值為230V、有觸電的風險，在這些傳感器中，有些是電壓信號，有些則是電流信號、會被轉(zhuǎn)換為電壓信號。在進行檢修過程中，需對電流傳感器回路中的分壓電阻進行全面檢查，確保分壓電阻安裝的精確性[3]。

控制功能回路?？刂乒δ苤饕峭ㄟ^PLC來發(fā)出控制信號，再通過弱電及接觸器的吸合與斷開來判斷，這個過程中對于控制電源的接通與斷開來說，能實現(xiàn)電氣設(shè)備的自動化控制控制功能。比較普遍的接觸器故障種類有電磁線圈失效、觸頭粘連等，出現(xiàn)這些問題會使得電氣設(shè)備失控，或是設(shè)備運行的參數(shù)超出正常區(qū)間，在被測量信號檢測出異常的情況下才會發(fā)出故障報警。

反饋功能回路。主要是對過電流進行保護或是保護接觸開關(guān)，并對設(shè)備的實際運行狀況進行全面的監(jiān)測與管理，判斷設(shè)備運行是否存在接地或者過流的現(xiàn)象，通常情況下PLC數(shù)字輸入信號都會常開或者常閉，這種情況下就可使用監(jiān)控設(shè)備來對其進行判斷。DI模塊中使用的是10V與24V的直流電壓、不是380V的動力電壓，若出現(xiàn)空開跳開的情況，連接著輔助開關(guān)也會斷開，接著PLC的DI模塊也會出現(xiàn)相應(yīng)反應(yīng)，PLC模塊捕捉到這些異常的信息就會馬上發(fā)出故障報警。

如，風電機組電氣與控制系統(tǒng)出現(xiàn)風機故障，PLC安全鏈反饋急停，在PLC未檢測變流器自身故障的情況下，安全鏈狀態(tài)反饋觸點斷開且持續(xù)時間4ms以上作為故障觸發(fā)的條件。若在復(fù)位過程中安全繼電器的4個指示燈始終不亮，需對主控、變流急停按鈕進行檢查，確定是否為旋起狀態(tài)，然后按照電氣原理圖對安全鏈回路進行檢查，確保其供電正常，最后檢查是否是由主控柜安全繼電器本身是否損壞而導(dǎo)致觸點無法正常動作。風電機組在發(fā)生故障時，需對故障進行全面檢查，如檢修方式不完善就會在很大程度上增加檢修工作量，與此同時，在檢修的過程中需更換許多內(nèi)部部件，這樣進行一次檢修工作會消耗大量時間，甚至?xí)?dǎo)致故障擴大，因此正常情況下需根據(jù)實際狀況來確定檢修方式。如，風電機組的所有螺栓沒有生銹的情況，如這些螺栓出現(xiàn)松動會引發(fā)故障，而出現(xiàn)這些故障需及時采取有效措施進行檢修并找出故障的原因。

常見的故障、故障產(chǎn)生機理及解決措施如下：

控制柜溫度過高。當機艙三個控制柜中任何一個溫度超過65℃時，產(chǎn)生故障代碼：檢查機艙控制柜溫度是否有大于65℃的；機艙控制柜測溫PT及接線是否正常；檢查水冷系統(tǒng)是否正常；檢查機艙控制柜內(nèi)加熱器是否一直工作，若是，檢查溫控開關(guān)及調(diào)節(jié)值是否正常（機艙控制柜內(nèi)溫控開關(guān)設(shè)定值在5～10℃為宜，太低對電氣元件工作不利，送電瞬間易燒壞電源等）；檢查柜內(nèi)風扇工作是否正常；檢查柜內(nèi)溫控開關(guān)設(shè)定值及工作是否正常。

剎車泵斷路器工作狀態(tài)無反饋。當剎車泵斷路器斷開或IO口保護熔斷器熔斷時，數(shù)字輸入模塊檢測口無反饋，故障代碼產(chǎn)生：檢查制動泵電機空開是否跳閘，如跳閘、檢查空開下端是否存在接地點（如接觸器損壞、線路接地、短路、制動泵電機損壞等）；檢查制動泵電機保護空開反饋是否正常，線路是否松動。

齒輪箱軸承溫度過高。當齒輪箱軸承溫度高于95℃時故障代碼產(chǎn)生：檢查油冷風扇電機是否接在高速側(cè)，風扇轉(zhuǎn)向是否正確（正常是往外抽風）；檢查油溫PT100接線是否松動，測出的溫度與實際溫度是否相符；測量油溫PT100阻值，0度時電阻為100歐左右，溫度每上升1度電阻值上升0.39歐；如果PT100損壞，改接到備用PT100，如果備用PT也損壞更換PT；檢查油冷部分，包括油冷風扇/管路/散熱片，可通過手動啟動風扇的方法判斷其是否運行，手摸油管判斷油是否流經(jīng)散熱片，如果油沒有流經(jīng)大循環(huán)，散熱片接入油管溫度會不高，可能是油冷泵的溫控閥損壞，需更換油冷泵；如果油壓很低，檢查油過濾器濾芯是否有問題。

齒輪箱油冷泵高速模式斷路器工作狀態(tài)無反饋。當齒輪箱油冷泵高速模式斷路器斷開或IO口保護熔斷器熔斷時，數(shù)字輸入模塊檢測口無反饋，故障代碼產(chǎn)生：檢查高速泵電機空開是否跳閘；如果空開跳閘，檢查空開下端是否存在接地點，檢查油泵電機是否損壞、運行時是否有異常噪音；檢查空開調(diào)節(jié)值是否正確；如空開未跳開檢查空開輔助觸點反饋是否正常。

總之，基礎(chǔ)故障診斷技術(shù)與其他技術(shù)的融合發(fā)展也是不斷在推動風電機組的完善，提高故障診斷精確性是非常有必要的，對于風力發(fā)電機組的系統(tǒng)性控制來說，在實際檢修過程中須具備較為成熟的檢修技術(shù)，需按照系統(tǒng)設(shè)計的標準規(guī)范及操作要求檢修風力發(fā)電機組電氣與控制系統(tǒng)，優(yōu)化風力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)的運行效果，最大限度的減小機組出現(xiàn)故障的概率，保障機組運行的安全性和穩(wěn)定性。