风电机组超速问题研究及攻关解决方案研制研究技术总结报告立项背景.docx

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1、风电机组超速问题研究及攻关解决方案研制（研究）技术总结报告一、立项背景风力发电机组是将风能转化为电能的设备，由变桨系统吸收风能转换为机械能，经主轴、齿轮箱等设备将能量传递至发电机；主控制器通过变流器控制发电机发出电能。风电机组的转速变化，是衡量风电机组运行控制稳定性的关键指标。外界风资源变化、风力发电机组正常发电运行时，转速介于N1-N4之间。受风况湍流、控制器与机型的匹配控制、变流器变桨等执行设备的指令响应情况等影响，转速可能运行到高于N4的水平。为保证机组载荷安全可控，若转速超过N4,将由主控制器控制收桨停机；若转速超过NA,则断开安全链，由安全控制器控制收桨停机。转速超过N4或者NA,均

2、将报出超速故障。风力发电机组转速曲线示意如图11所示：通过安全系统关机通过控制系统关机图1.1转速-风速曲线示意图说明：Vin切入风速；Vr额定风速；VoutIOmin切出风速；VAIS切出风速；n1最小运行转速；nr额定转速；n3超速停机转速；nA断安全链停机转速；可见，风电机组转速控制水平，直接影响风电场的发电收益。随着国内风电行业超低风速风机的不断推出，机组叶片越来越长，单位干瓦扫风面积越来越大，超速问题在行业内的影响日益凸显。应对平价时代，海装陆续推出了H136-2.2MW,H140-2.5MW,H165-3.4MW,H171-6.2MW等陆上、海上机型。2023年，海装多个项目因超速

3、问题，影响到进出质保。如平定项目，2023年4月发生超速故隙225次，5月发生超速故障579次。除了影响进出质保外，频繁出现超速故障引起停机，严重影响机组发电量的同时，对机组及部件寿命极为不利，无法满足在设计风速段内长期稳定运行的要求。行业内各大整机厂家均投入大量精力，对超速问题进行研究，期望通过策略优化等方式，降低超速故隙水平。二、总体思路2.1 转速测量2.1.1 风轮转速测量风电机组能量传递原理：能量传递路径是风能吹动轮毂旋转，轮毂带动主轴转动，主轴连接齿轮箱，齿轮箱增速后通过联轴器与发电机转子连接发电。风轮转速编码器测量原理如图2所示:与齿轮箱连接图2.1风轮转速编码器测量原理风轮转速

4、接近开关测量原理图如图2.2所示：图2.2风轮转速接近开关测量原理图2.1.2发电机转速测量发电机转速编码器测量原理图2.3所示:图2.3发电机转速编码器测量原理图编码器码盘与编码器同轴，滑环旋转带动编码器轴旋转，码盘跟随旋转，1ED灯作为光源通过棱镜平行照射在相对码盘的固定位置。码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，码盘转动光源通过扇区中透光的码道照射到对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出。最后输出A

5、、B及Z三相脉冲，A、B相每秒脉冲数代表风轮的转速，Z相脉冲代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，再通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器成功把机械角度信号转换成脉冲电信号。2.2 转速计算编码器的输出波形传给编码器模块（巴赫曼转速测量模块CNT204）,然后利用内部时钟对编码器输入的阶跃信号进行计数解析，计算转速。现有的转速测量和计算方式主要有两个，目前机组普遍采用数脉冲方式计算转速：（1）单位时间内的阶跃信号（数脉冲）该方法采用单位时间内（一般为P1e程序的运行周期）记录的脉冲数n,采用以下计算公式：nV=-*60T上式

6、中V为转速，单位RPM；N为编码器或码盘一圈脉冲数（丝数）；T为单位时间,通常为P1C程序一个运行周期；n为单位时间内的脉冲个数。该方法受限于P1C运行周期，转速测量精度低于第二种方法；（2）时钟计数（相邻脉冲计时）该方法采用了CNT204模块的运行时钟，用以确定更精确的时间，CNT模块的运行时钟为24MHz,即一个计数等于1/（24*10人6）秒。具体测量方式为，监测第一个脉冲上升沿，开始计数，该计数为记录模块的时钟数九，到下个上升沿触发后停止，按照以下公式求得转速：*60Z(24*106)/上式中V为转速，单位RPM；N为编码器或码盘一圈脉冲数(丝数)；n为单位时间内的脉冲个数。该方法回避

7、了P1C运行周期作为单位时间，因此精度更高，数据分辨率和最小变化步长更好。2.3 转速控制风力发电机组控制区域设置通常如图2.4所示:RatedpowerHTHrTContro1ZoneIIIContro1ZoneI1Contro1ZoneININ12NrN2N3NASPeedp图2.4风力发电机组控制区域在控制区口、,桨距控制器控制桨距角保持最小叶片角。在控制区,变桨控制器和转矩控制器控制转子/发电机转速，将其保持在额定转速的一定范围内。2.4 故障树及处理思路通过对超速问题进行系统梳理，形成超速问题故障树如图2.5所示:图2.5超速问题故障树如故障树所示，导致超速问题的原因多种多样，从工艺

8、、硬件设备质量、控制从站（变桨、变流器）参数、控制器参数不合理等进一步分析原因，相关原因分析见下表2.1所示：表2.1超速问题原因分析表序号一级二级原因三级原因四级原因1非真实超速测量因素传感器安装工艺传感器安装不满足工艺要求，信号失真2信号干扰电磁兼容性差3传感器本身抗干扰不足4传感器损坏传感器质量问题5P1C滤波个别干扰信号滤波处理6真.实超速电气设备变流器参数错误7变桨指令响应时间、精度不足8机械设备联轴器打滑联轴器打滑，发电机转速降低，控制开桨，导致风轮超速9齿轮箱损坏同联轴器打滑，可能伴随滑环损坏，风轮转速异常10P1C控制变桨PI参数PI参数过小11变桨速度变桨速度受限过小12滤波器设置滤波器设置不合理三、目前存在的问题通过本项目的研究，超速故障频次已大幅降低。本项目对导致超速的因素，从测量、电气、机械、控制、环境等方面，分别进行了研究，对后续问题的处理和优化，提供了方向。系列技术应用后，遭遇特别极端的湍流，仍有触发超速问题的可能。