双馈风电机组转速控制与失控分析

唐中伟 王明军

风电机组是在无人干预条件下按主控程序设定全自动运行及自动启停。除超出机组正常运行范围或人为停机外，在满足运行条件时，应保证机组长期稳定运行。运行机组如频繁出现超速停机，不仅严重影响机组发电、对机组及部件寿命极为不利，也无法满足在设计风速段内长期稳定运行的要求。

笔者在《双馈风电机组的转速控制与超速参数设置》一文中，对转速控制和超速参数设置进行了阐述。不同地区风电场多种机型机组的多年现场运行实践表明，该转速控制逻辑、超速停机设置方法以及超速参数值，对同步转速为1500rpm，运行范围在1000～2000rpm的变速变桨双馈1.5MW风电机组具有广泛的适应性。本文将继续对其转速控制的合理性进行分析，并结合具体的机组转速失控与飞车案例作进一步阐释。

转速控制逻辑与参数值设定

在制定转速控制逻辑和设定转速控制参数值时，应从整机考虑，使各部件相互协调，并实现多个目标。如：保障机组及部件安全;保证机组长期稳定运行;充分保证叶轮储能，提高发电量，减小风速变化对机组部件的不利影响，减小功率波动对电网的冲击;应有利于机组报故障准确，便于分析判断机组故障，并及时准确地表明机组的运行及故障状态等。

一、“极限阵风”程序的意义和作用

主控“极限阵风”程序的顺利执行，对保证机组在复杂工况下长期稳定运行起着关键性的作用。

当风况较为稳定时，机组通过主控程序设置的“额定转速”“额定功率”等主控参数，把机组的并网转速相对稳定地控制在运行范围之内，保证在通常情况下的长期稳定运行;当出现阵风或极端风况时，叶轮转速急剧上升，转速超过1960rpm且时间超过0.2秒时，机组开始顺桨限速，通过执行主控的“极限阵风”程序，在短时间内降低机组额定转速，保证极端风况下机组不会超出最高运行转速，并保证机组最大限度地储能，减小机组振动，避免机组的重要部件（桨叶、齿轮箱、塔简等）受到冲击并保证机组输出功率的稳定。在执行“极限阵风”程序时，只报警不停机，从而保证了机组在不稳定风况下长期稳定运行。

二、多重超速停机保护保障机组安全

变速变桨风电机组的变桨系统相对独立。变桨系统的变桨控制器和变桨驱动器都有各自的控制程序，除了按主控程序命令执行外，在适当的条件下，变桨控制器和变桨驱动器还可以根据外界条件的变化，按照部件程序的设定自动执行顺桨。

在即将超出或已经超出机组运行范围时，由变桨控制器执行“变桨自主运行”程序停机，控制机组转速，保证机组安全。当齿轮箱高速轴测速探头测得转速超出1950rpm时，机舱硬件超速模块触发，并通过机舱到轮毂的接线和滑环把信号传递给变桨控制器。根据变桨控制器程序设定，在延时0.3秒（期间，高速轴转速始终处于大于或等于1950rpm的状态）后，执行“变桨自主运行”顺桨停机，保障机组安全。当执行顺桨停机时，变桨控制器同时把信息传递给主控，由主控执行降负荷停机，并报出“变桨自主运行”故障。但是，如果变桨控制器即将执行或正在执行主控的顺桨命令时，則不执行“变桨自主运行”。一方面，保证了主控“极限阵风”程序的优先执行，也就保证了机组在极端阵风条件下不停机;另一方面，当变桨控制器正在执行主控的其他故障停机命令时，不报出“变桨自主运行”。例如，当机组高转速、高功率因报“变频器故障”，已经执行顺桨停机时，即便达到或超过1950rpm、0.3秒的执行条件，也只报“变频器故障”，不报“变桨自主运行”故障。这就保证了机组报故障明晰准确，也剔除了日后进行“大数据分析”的干扰信息。

双馈机组变频器也是一个相对独立的系统，当机组并网转速超出了变频器正常运行范围，会自动甩负荷脱网。“变频器超速”就是通过变频器的超速保护设置实现对变频器及机组的保护。就上文提到的1.5MW机型而言，当机组转速超过2000rpm且时间超过0.1秒，或机组转速超过2050rpm（没有延时）时，变频器脱网，并把信号传给主控，由主控执行顺桨停机，从而使双馈发电机转子的开口电压和发电功率等得到有效控制，在不超出其能力范围的情况下，实现对变频器、发电机的保护。

当机组触发“变频器超速”故障停机时，机组叶轮转速已经很高，超出了变频器的允许范围，不能执行降负荷停机来限制叶轮转速。而过高的飞升转速对桨叶、齿轮箱和发电机等运动部件都不利，需要及时降速，因此，在停机时，以最大速率执行变桨驱动器顺桨，限制叶轮最高飞升转速。

总之，在机组转速过高时，“变桨自主运行”和“变频器超速”两道停机保护指令使机组不致超出最大运行转速过多，实现机组的冗余超速保护。

三、“软件超速”“刹车200超速”故障表明机组超速与转速失控

上文中的转速控制与超速保护，分别通过主控、变桨以及变频器三个不同部件实现对机组的转速控制，保障机组安全。该超速控制方案还由主控程序设定了三道“软件超速”停机指令，为瞬间触发，执行没有延时的最大速率变桨驱动器顺桨。

现场实践表明，在控制参数及硬件设置正确的前提下，如果“极限阵风”“变桨自主运行”和“变频器超速”不能实现限速或顺桨，“软件超速”也难以通过顺桨保证机组安全。

但是，当机组转速失控或出现飞车时，机组转速持续上升，通过“软件超速”（低速轴超速、齿轮箱超速和发电机超速）的及时报出，能发现机组顺桨存在的问题，以便及时进行维修，消除安全隐患;当机组已经处于飞车状态时，通过“软件超速”的及时报出，能准确了解机组所处的状态，以便采取应急措施最大限度地挽救机组或及时避开事故机组，保证人身和财产安全。

另一方面，在设定“软件超速”的超速参数值时，需考虑给通常的机组故障停机（例如，在阵风条件下，具有较高负荷的变频器故障甩负荷停机）和低电压穿越过程中的甩负荷等以足够的速度裕度。在顺桨正常的情况下，机组报故障停机，不会触发“软件超速”设定值，以免发生与其他停机故障混淆的误报。

该方案设置的4个“刹车200超速”也是瞬间触发，执行没有延时的后备电源紧急顺桨，并辅助以主轴刹车器制动。该超速参数设置值要足够高，才能保证机组即便是满负荷条件下的甩负荷停机，或特殊风况（风速高、变化快、湍流度大）以及机组桨叶结冰、结霜等条件下，也不触发“刹车200超速”的超速参数设定值。如果“软件超速”和“刹车200超速”设置值过低，首先，会影响运行稳定;其次，在报其他故障停机时，如果同时报出“软件超速”或“刹车200超速”故障，造成机组报故障不准确以及影响部件寿命等。

所以，“软件超速”和“刹车200超速”不仅是控制机组转速的冗余保护，而且，当机组出现转速失控或飞车时，通过这些超速故障的报出，还能及时准确地表明机组所处的状态，以便采取相应的措施。

FD70、FD77以及FD82、FD87、FD89、FD93等多种机型1.5MW机组的长期现场运行实践表明，“软件超速”和“刹车200超速”分别设置为2178rpm和2400rpm较为合理。

四、降负荷停机与最高停机转速的控制

当叶轮转速及机组负载较高时，叶轮的储能很高，势能很大。当机组故障停机时，如果直接采取甩负荷脱网，势必出现较高的飞升转速，可能会影响部件寿命，也不利于发电量的提高。因此，当机组触发与变频器无关的故障或手动停机时，机组先执行降功率运行，待转速降到脱网转速，再由主控给变频器发出脱网命令。

例如，当机组报“功率过高（530）”故障停机时，执行“刹车52”停机。机组先以较低速率的变桨驱动器顺桨，降低机组的给定扭矩和转速，并通过发电机、变频器把叶轮的能量传输给电网，机组的功率和转速不断下降，当输出功率接近零、转速达到最低脱网转速时，主控再给变频器发出脱网指令，实现变频器脱网，从而有效地控制机组的最高转速，保障机组及部件安全。另一方面，渐进、平稳地停机脱网，还有效减少了瞬間甩负荷停机对电网和机组部件带来的冲击。

但是，当出现变频器故障或运行转速过高超出变频器能力时，变频器需立即切出，执行甩负荷停机，通过执行最高速率的变桨驱动器顺桨，降低叶轮的最高飞升转速：当需要执行高级别刹车（刹车180、刹车190和刹车200）的后备电源紧急顺桨时，变频器也需立即切出，同时执行最大速率的后备电源紧急顺桨，降低叶轮的最高飞升转速。机组转速失控及飞车案例分析

一、事故发生的经过及所报故障

某双馈1.5MW机组的转速控制方案及超速参数值，如上文所述。该机组采用直流变桨系统，在超过满负荷风速并网运行过程中，三支桨叶同时不能顺桨，出现了转速失控和机组飞车事故。事故发生后，主控所报故障的顺序如下：

（1）首先，主控报“变桨通信故障（1157）”，立即甩负荷。

执行“刹车180”停机，在通常情况下，该直流变桨系统应切换到采用后备电池的紧急顺桨，但是，因顺桨故障不能切换到正常后备电池紧急顺桨，加之机组出现了“变桨通信故障”，变桨系统与主控之间失去联系，因此，不能按照主控程序设定执行变桨驱动器顺桨，让三支桨叶同时顺桨到90°，从而造成三支桨叶同时不能顺桨和转速失控。

（2）3秒之后，1、2、3桨叶依次报“变桨速度太慢（1919、1920、1921）”：同时触发了“极限阵风（213）”和“变频器超速（1411）”故障。

3秒之后，三支桨叶仍然在0°位置，因此，三支桨叶依次报“变桨速度太慢”故障。该故障执行刹车190停机，此时虽已不能执行变桨驱动器顺桨或后备电池紧急顺桨，但是，刹车190停机时主轴刹车器会参与制动，在一定程度上限制了机组转速的上升。然而，事故机组为主动式主轴刹车器，叶轮已不能顺桨限制功率，又因叶轮功率过高，主轴刹车器制动不能完全阻止叶轮转速的进一步上升，更不能使叶轮完全停止转动。

在这一秒内，还同时报出了“极限阵风”和“变频器超速”。由触发条件可知，机组先后超过了1960rpm，0.2秒和2000rpm，0.1秒。但是，只有当主控与变桨控制器能正常通信，才能执行“极限阵风”程序和“变频器超速”故障的顺桨停机，因存在“变桨通信故障”，变桨系统与主控之间早已失去了联系，造成“极限阵风”程序和“变频器超速”故障停机都不能执行。

在这一秒内，还达到和超出了“变桨自主运行”的触发条件，又因变桨控制此时没有执行顺桨（在正常情况下，则应当执行“变桨自主运行”顺桨，并报出“变桨自主运行”故障）。如能触发“变桨自主运行”，执行变桨驱动器顺桨，使三支桨叶顺桨，机组转速将会得到有效控制，机组飞车事故将不会发生。

（3）10秒后，触发了3个“软件超速”，即：“发电机软件超速（312）”“齿轮箱软件超速（310）”和“低速轴软件超速（311）”。

当高速轴转速达到2178rpm时触发3个“软件超速”，同样因“变桨通信故障”，不能执行“软件超速”顺桨停机。

就阻止叶轮转速上升来讲，3个“软件超速”已失去了作用，但是，同时报出了3个“软件超速”，清楚地表明：机组已经达到和超过此转速值（2178rpm），并处于转速失控状态。

（4）19秒后，4个“刹车200超速”故障依次报出，即：“刹车200的齿轮箱软件超速（328）”“刹车200的低速轴软件超速（317）”“WP2035发电机硬件超速（319）”和“WP2035低速轴硬件超速（320）”，并报出了“安全链断开（10）”故障。

有2个“刹车200软件超速”和2个“刹车200硬件超速”，其设置值均为2400rpm，4个“刹车200超速”的先后报出，表明机组转速已超过2400rpmo后备电池紧急顺桨不能执行，主轴刹车制动已经执行，因出现了“刹车200"故障，而报“安全链断开”故障。

从限制超速、保护机组的角度看，报出以上故障并没有实质性的作用。然而，报出4个“刹车200超速”，及时准确地知道了机组当时的转速，也进一步表明了机组已处于飞车状态。

此时超过“变桨自主运行”的触发条件已在15秒以上，但没有执行“变桨自主运行”，机组转速仍在不断上升。这说明在事故发生之前机组存在不能正常触发和执行“变桨自主运行”的安全隐患，该安全隐患是造成机组飞车的重要因素。

（5）21秒后，机组报“限位开关故障（1159）”。

“限位开关故障（1159）”的报出，清楚地表明变桨系统不能切换到正常后备电池紧急顺桨的原因。这是由于电池顺桨控制回路或旁路限位开关回路被强制提供24V直流。

在通常情况下，存在“限位开关故障（1159）”时，当出现高级别刹车，则按照主控程序设定，执行变桨驱动器顺桨，三支桨叶都顺桨到90°，同时报“限位开关故障（1159）”。但是，事故机组又出现了“变桨通信故障”，导致变桨控制器不能执行主控命令，三支桨叶均不能顺桨。

事故调查进一步证实，事故机组的旁路限位开关回路被强制提供24V直流，也就是说，事发前事故机组存在“限位开关故障（1159）”的安全隐患。

由以上分析可知：机组在并网运行前，同时存在“限位开关故障（1159）”和不能执行“变桨自主运行”两个安全隐患;当超过满负荷风速以上并网运行时，机组又出现了“变桨通信故障”，从而造成了此次转速失控和飞车事故。

二、事故的应急处理措施

该事故机组采用直流变桨系统，且具备“变桨驱动器的后备电源顺桨”功能，即：当叶片处于开桨状态时，如果高级别刹车不能正常切换到后备电源紧急顺桨，变桨系统只能执行变桨驱动器变桨。这时，如果电变桨驱动器上的400V交流供电被断开（在机舱控制柜、变频器处断开400V交流供电，断开箱变的低压侧、高压侧断路器，或事故机组所在的集电线路断电等方法，均可切断变桨驱动器的400V交流供电），那么，在变桨驱动器内部将自动切换到后备电池顺桨，使三支叶片顺桨到92～限位开关位置。

因此，在事故机组的受控变桨驱动器顺桨和后备电池紧急顺桨均不能执行的情况下，及时给事故机组所在的集电线路断电，断开事故机组的变桨驱动器400V交流供电，促成了不受控的“变桨驱动器后备电源顺桨”顺利执行，三支桨叶实现顺桨，机组最终得到保护。

当机组报出“软件超速”和“刹车200超速”时，就其执行和阻止机组飞车来讲，失去了实际的意义。然而，及时报出“软件超速”和“刹车200超速”故障，让现场监控人员很容易辨识机组所处的状态，可以及时采取应急措施。

由事故分析还可知：即便是把事故机组的“软件超速”和“刹车200超速”的超速参数值设置得再低一些，因后备电池紧急顺桨和受控的变桨驱动器顺桨均不能执行，“软件超速”和“刹车200超速”也必然不能起到阻止飞车的作用。但是，如果这两个超速参数值设置过低，不仅会影响机组的运行稳定，还会造成机组报故障不准确、机组及部件寿命缩短和故障概率增加等问题。

三、此类飞车事故的防御措施

为避免类似飞车事故的发生，减小变桨系统的故障概率，针对直流变桨系统应做好以下几个方面工作：

首先，在变桨系统生产和采购备件时，应保证关键部件的质量，尤其是变桨电机及变桨电机刹车器后备电池供电接触器的质量。

其次，应重视机组自检。按照主控程序及参数的设定，机组会定期自检，变桨系统的安全性故障大都能通过机组自检检查出来。如本文提到的“限位开关故障（1159）”安全隐患，通过机组自检就能检查出来。

再次，每半年或一年一次的定检维护，应做好“变桨自主运行”的超速试验等。通过超速试验，检查“变桨自主运行”是否能正常触发和顺利执行，包括硬件超速模块是否动作、接线和参数设置是否正确等。

现场实践表明，为杜绝转速失控和飞车事故的发生，应抓住事故发生的关键点，采取切实有效的预防措施，及时检查和消除该安全隐患，只有当机组的安全隐患被一一排除后，才能并网运行。

通过对飞车案例的分析可以看出，当出现“变桨通信故障”时，可能给机组安全带来影响。因此，在保证变桨系统稳定、可靠的前提下，可适当增加一些冗余保护措施，即：增加在出现“变桨通信故障”情况下的冗余顺桨设置。例如，当叶片处于开桨位置，在主控与变桨控制器之间出现“变桨通信故障”且在执行紧急顺桨后，超过一定时间而没有顺桨时，可由变桨控制器自动执行顺桨程序，使三支桨叶回到安全位置：当变桨控制器与变桨驱动器之间的通信中断时，可由变桨驱动器的内部程序自动驱动变桨电机，执行顺桨。即：当任何一支桨叶的变桨驱动器与变桨控制器的通信中断时，变桨驱动器可依照其内部的程序设定自动驱动变桨电机，分别驱动各自的桨叶执行独立顺桨。

在强调机组安全的同时，还应综合考虑机组成本、故障概率和机组发电量，避免采取无效或过度的防御措施。

从发生过的恶性事故来看，事故机组往往存在一个以上的安全隐患，才最终造成了事故的发生。因此，在预防重大事故时，不仅要注重安全防范的理论研究和机组安全的设计改进，还要切实加强现场工作的执行力度和技术力量，及时发现和消除机组的安全隐患。因为提高机组质量与完善机组的安全设计仅仅是防止恶性事故发生的一个方面，从现场机组中发现并及时消除安全隐患，则对机组改进和预防重大事故的发生起着最为重要和直接的作用。

结论

在进行转速控制逻辑和超速参数设置时，应在保证机组安全的前提下，增强机组的综合性能，降低机组的度电成本。不能因片面强调机组安全影响机组的运行稳定和发电量。

由以上對机组飞车案例的分析可知，要避免此类事故的发生，不仅要加强机组及部件质量，提高机组设计的安全性，还需从现场机组具体的维护、维修出发，及时发现和消除任何一台机组出现的安全隐患。