风力发电机组电气控制系统检修分析

杨继光

（朝阳工程技术学校，辽宁朝阳 122000）

0 引言

随着经济发展，我国对能源短缺问题愈发突显，而风力发电是清洁可再生能源之一受到关注。但是由于目前技术上的不成熟以及生产成本较高等因素，导致目前国内大部分城市中普遍存在着风力发电机组无人值守、停电等情况发生，且无法及时检修或更换发电机。部分偏远地区电网供热不足也造成了大量电能损失，给风力发电企业发展造成巨大阻碍。因此，本文对风力发电机组电气控制系统检修进行相应分析。

1 系统原理

1.1 风力发电机组电气控制系统组成

风电机组中的关键设备，主要由齿轮箱、发电机转子和叶轮等部分组成。齿轮箱、发电机转子两者之间用螺栓进行联结，将电能转化为机械能，使其运转正常工作运行。三相交流异步电动机则作为功率变换装置来驱动压缩机或变频电机运作，以满足不同的负荷要求，从而达到调节风电机组电气控制系统中负载比例、提高系统效率和改善节能性等目的。

1.2 风力发电机组电气传动装置

风力发电机组是风力发电机的一种，可以实现对风速范围内任意方向风速的控制，被广泛应用于生产生活中。风力发电机组内部采用了变频器和主电路，可以减少电力设备对电网冲击。在整个机组启动与停机过程中都需要一个稳定、高效、快速的控制装置。风力发电机组电气传动装置系统的运行状态和风力机组额定转速之间是线性关系：在风速低于额定值时，风力发电机组发出快速变频控制信号，通过控制器自动调节桨叶旋转速度保持不变；当风速高于最大允许范围（±3%）后，启动变频器则进行变速操作以达到改变发电机有功出力频率的目的来维持输出电压恒定，延长电机寿命。

1.3 风力发电机组

风力发电机组是一种利用风轮驱动的设备，主要由发电机、齿轮箱和逆变器等部分构成。其中电力电子系统作为核心部件来工作，在整个风力发电系统中扮演着重要角色。

2 风力发电机组电气控制系统检修理论基础

2.1 特点

风能经过多次的转换后，可以直接转化为电能，具有很多优点：①就是风能利用效率高，对环境污染小；②风力发电不需要燃料燃烧，排放废气等污染物，被称为“绿色机器”、“无烟工业”；③风力发电具备较高效率和清洁性能，节能环保性强，且与可再生能源相兼容等特点，具有良好的发展前景。

2.2 系统检修的主要关键点

（1）风电机组的运行状态和故障分析。其中风力发电机组电气控制系统检修主要以风能转换器、发电机等为主要研究对象。对其进行系统分析时着重选取了主回路中两个独立变量。主电路中电流速断保护和自动投切装置在实际应用过程中会出现各种问题。另外还需要注意一些其他方面：如控制程序不完善、系统软件算法简单、容易产生误动作，这些因素都会影响风力发电机组运行的稳定性及可靠性，并给风电机组带来一定程度上的故障现象发生[1]。

（2）风机桨叶的转动速度和发电机输出功率。风力发电机组电气控制系统检修工作中，首先对风速及电压值进行监测，观察是否存在异味、油污等污染物质，分析故障产生的原因，保证系统正常稳定运作。

（3）系统检修影响的因素主要是风轮机组的运行条件，包括风速、风向变化。考虑到风力发电机需要在大风、酷暑等恶劣环境下工作，还涉及到桨叶与大地之间相互作用对风机造成损坏或寿命降低，及电机故障引起电网电压波动等等情况发生概率较高，所以必须要做好相关准备措施来解决这些问题。

（4）检修的内容与方法。对电气控制系统进行检修，主要内容包括：①风机转速控制。根据风速变化情况及风向确定最佳叶尖速比值、保持桨距角不变和维持叶轮齿侧最大升压等；②电压调节与保护电路故障诊断及检查线路连接是否正确；③三相分离接地系统异步切换继电器的动作和断路器功能状态检修，对其进行分析并记录异常数据及其原因找出相应解决办法。

首先要分析风机桨叶故障及其原因，提出故障特征，并分析其常见类型，然后根据这些情况对风机桨叶所发生故障进行描述。然后通过观察发电机转子转速、轴承间隙及定子电压等参数变化来研究风力发电机组电气控制系统，并分析在不同传感器检测到的风速信号下，风机桨叶所发生故障及其原因，并提出相应的检修方法。

3 风力发电机组电气控制系统分析

3.1 运行方式及特点

风力发电机组系统的运行方式是风力涡轮机。风力涡轮机的效率高、运行平稳、维护成本低，所以被广泛使用。其运行的原理主要分为两部分：一是风轮桨距和叶尖与发电机输出轴连接处相连接；二是转子绕组、定子断路器等部件之间相连。风力发电机组的运行特点是：风轮转速高、叶尖与发电机接触不牢固、转子转动时振动幅度大、容易发生机械磨损。另外由于单机容量很大和风速变化快等原因，导致其故障率较高，所以对风力机进行检修分析非常重要。

3.2 风力发电机组变压器

由风轮叶片、叶轮流身、离心架及导流板等部件组成，其中风力涡轮发电机又被称为变桨距，其主要工作原理为：首先通过降压变压器将电网中的低电压转化成额定功率或提高转速；然后升压塔降低了风速并且使之保持在一定范围内。

4 风力发电机组电气控制系统案例研究

在风力发电机组的电气控制系统中，主要以STC 公司风电机组为例，分析系统故障，并对其故障修复进行研究。发现过电压是由于发电机转子绕组绝缘损坏、机械铁芯过热引起。转子上有两个及以上高电位分别与励磁线圈串联组成大电流电路来驱动电动机运行产生磁场；当发电机在高速旋转时就会使电源的正负极接反而形成涡流损耗，使发电机过热。

分析了风电机组在运行中常见故障，并对这些故障进行深入探讨。提出控制器发生单相接地短路及两相断开时切断控制方案。最后利用仿真软件PROE2014a 搭建系统模型。根据实际情况选择合适的方法完成整个控制系统设计与制作。同时还要从继电器、传感器和制动器等方面分析风电机组在运行中出现的过负载现象，并对这些故障进行研究分析，提出相应的检修思路。

5 基于风电机组电气控制系统的检修系统控制设计

5.1 检修总体结构

风力发电机组电气控制系统主要由风机、齿轮箱和发电机3 个部分组成。其中，风轮通过法兰连接成一个整体，安装在主轴上；齿轮固定在联轴器盖上并与主减速器相连接（转子）；发电机连接到变频调速装置中，由控制电路板完成对转速及电流大小的调节，DCS 控制器及其执行机构使风力发电机组实现了可控、可靠和智能化。

5.2 检修控制系统的硬件配置

（1）检修风机，发现风机的故障，并对其进行分析排除，确保风力发电机工作时的正常运行。风机在实际工作中往往出现各种故障，如转速异常、电压异常等。这些故障都会影响机组的安全稳定运转和使用寿命，甚至可能造成设备损坏或人员伤亡事故发生事故，因此对风电机动静态性能进行检测具有非常关键意义。

（2）检修变桨控制系统，主要是对风机桨口、发电机和齿轮箱的运行状态进行实时监测，并将监控数据传送给调度中心。对其进行合理控制，可以降低机组运行过程中出现故障，提高了电网系统稳定性[2]。

（3）通过对风机的转速进行测量来检测工作中发电机可能出现的故障。同时通过检测其内部控制程序来检查机组是否存在异常状态或异常动作等问题。以保证风力发电机组正常稳定运转。

（4）检修电压显示模块，主要是对风力发电机组的运行状态进行实时监测，并将其数据传输给电脑，以便及时发现故障。在风机发生问题时可以据此自动断电。当发电机出现异常情况或系统电路出现中断等意外状况时，可发出报警信号（报警信息为：该时间内没有人操作），通过液晶屏显示出当前时刻风速变化曲线、温度值及风向指示灯的工作状态。对风力发电机组进行日常巡检与维护，方便维修人员发现故障并及时处理，以免造成更大的损失。

6 风力发电机组电气控制系统检修方案

6.1 风电机组电气控制系统检修过程

风电机组电气控制系统的检修过程是：当风速超过额定值时，发出警告信号，表明风力发电机组处于运行状态；发电机转速下降到最大值或最小电压低于最大压力就会进入下一级电网。此时可以根据系统误差等级情况进行调整。当风速超出临界值范围，对发电机产生干扰的时候要采取相应措施来减小噪声和振动幅度等影响。

6.2 风力发电机组电气控制系统检修效果及误差

（1）检修效果较好，但检修工作难度大，容易造成系统运行异常，从而造成风力发电机的损坏。因此，对风力发电机组进行系统全面检修是非常有必要，不仅能提高风机机组运行性能和可靠性也可以使整个电网稳定。

（2）风力发电机组是一个复杂的系统，其内部结构也非常庞大。在运行过程中可能造成各种误差如：风轮转速的变化、齿轮箱噪声，风机齿轮箱、发电机转子等部件产生大量旋转误差。这些因素都能对机组正常运行产生影响，因此在进行风电故障检修时应重点分析其原因[3]。

6.3 风力发电机组电气控制系统检修方案

（1）在线检修方法和检测方法：①在显示状态信息时采用数字量表法来判断是否异常；②根据实时监控信号确定风机桨叶转动速度控制值及轴系数变化情况；③通过计算得到风速、发电机转速及电压波动曲线等故障特征参数，并对其加以分析说明。

（2）根据风力发电机组的运行状况，对风机系统进行状态监测，并将数据信息传送到PCB 控制器上。通过控制程序对发电机转速、电流有效值和有功功率等参数进行调节，对风机的转速进行有效控制，使风力发电机组工作时，保持在最佳状态。

7 结语

风力发电是一种清洁的新能源，可以不造成环境污染的运行发电。风能作为一种清洁无害的资源具有巨大发展潜力。随着风力发电机组装机容量和单机容量不断加大，对电网运行稳定性及故障处理等方面要求越来越严格。为了保证电力系统安全、稳定工作，必须研究制定一套可靠、完善、健全的检修方案。本文主要分析讨论研究了在风电场电气控制系统检修过程出现问题及其相应措施，总结出一套行之有效的检修方案，能够有效改善风电机组机电控制及保护可靠性。