降低金风1.5MW机组变桨子站总线故障频次

降低金风1.5MW机组变桨子站总线故障频次

左士海

中广核新能源云南分公司   云南省 楚雄州   675000

摘要：风力发电是一种可再生的清洁新能源，随着我国风力发电装机比例的不断提高，其稳定可靠的运行方式备受关注。金风风电1.5 MW风电机组是金风公司最早开发的一种永磁直驱风电机组，由于使用年限的增长，一些电器部件老化，金风风电1.5 MW机组的变桨子站总线故障频繁发生，对风电机组的高效、安全运行造成了极大的威胁。因此，减少金风风电1.5 MW机组的子站总线故障频率，是提高风电机组运行效率的关键。在具体的工程实践中，通过软件监控、加强设备的精细化维修以及改善 DP通信部件的工艺，可显著降低设备的故障频率，缩短停机时间，提高设备的可利用率及设备的可靠性。减少金风风电1.5 MW机组的子站总线故障频率，既有利于提高风电企业的经济效益，又满足了我国的节能环保需求。本项目以金风风电1.5 MW机组为研究对象，针对金风风电1.5 MW机组变桨子站总线故障，探索减少其发生频率的方法与手段，有效地减少变桨子站总线故障频率，促使系统安全稳定与可靠运行。

关键词：故障诊断；变桨控制系统；风电机组

To reduce the frequency of faults in the variable-rotor bus station of Jinfeng 1.5 MW unit

Zuo shi  hai

CGN New Energy Yunnan branch Mou Ting Fung Tun Wind Farm Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan province

 Abstract: Wind power is a renewable and clean new energy. With the increasing proportion of installed wind power in China, its stable and reliable operation mode has attracted much attention. Goldwind 1.5MW wind turbine is a kind of permanent magnet direct drive wind turbine first developed by Goldwind Company. Due to the growth of service life and aging of some electrical components, the bus failure of the transformer station of the 1.5MW wind turbine frequently occurs, which poses a great threat to the efficient and safe operation of the wind turbine. Therefore, reducing the frequency of sub-station bus failure of Jifeng Wind Power 1.5MW unit is the key to improve the operating efficiency of wind power units. In specific engineering practice, through software monitoring, strengthening the fine maintenance of equipment and improving the process of DP communication components, the failure frequency of equipment can be significantly reduced, the downtime can be shortened, the availability of equipment and the reliability of equipment can be improved. Reducing the sub-station bus failure frequency of Jinfeng Wind Power 1.5MW unit is not only conducive to improving the economic benefits of wind power enterprises, but also meets the needs of energy conservation and environmental protection in China. This project takes Jinfang Wind Power 1.5MW unit as the research object, aiming at Jinfang wind power 1.5MW unit bus failure, explores ways and means to reduce the frequency of bus failure, effectively reduces the frequency of bus failure, and promotes the safe, stable and reliable operation of the system.

Key words: fault identification; Variable pitch control system; Wind turbine set

引言

变桨系统是作为大型风电机组控制系统的核心组成部分，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用。金风风电1.5 MW机组变桨子站总线故障是在运行中经常遇到的一类典型故障，严重影响机组的安全稳定运行，以及风电场的发电效率。所以，减少金风风电1.5 MW机组的变桨子站总线故障频率，对提高机组运行效率有很大的现实意义。

1项目背景

1.1工程概况

牟定风力发电项目分两期进行，总装机容量为计99MW，共计安装了66台金风直接驱动1.5 MW风力发电机组，一期工程33座风机已于2011年12月17号并网，第二期工程33座已于2012年11月30号并网。随着机组使用时间的增长，其故障频率也在逐年上升。

2022年，风电机组变桨子站总线故障已经排在了风电机组的第1位，其中1-12月出现了45起变桨子站总线故障，这对装置的安全性和稳定性造成了很大的影响，针对这一问题，牟定风电场专门成立了 课题研究小组。通过对风电场的精心规划、深刻剖析、严谨整治，使机组的桨子站总线故障频率显著降低，取得了良好的效果。

1.2金风1.5MW风机

金风风电公司1.5 MW风电机组的主控制系统采用嵌入式 PC控制器构成，各分站通过PROFIBUS-DP总线与 PLC通信，各功能模块之间由K-Bus总线实现通信。

2子站总线故障的基本情况

2.1故障检测与统计

子站故障检测方法：在风机侦测到子站 Profibus总线诊断字符的值超过0，立刻报告该故障（0表示运行正常，超过0的数为异常状态）。子站包括桨距子站、发动机通信子站、变流量子站以及配电柜/低压配电柜。

2022年1-12月，牟定风电场的变浆子站线路发生了45起事故，整个故障持续时间为187个小时，总损失功率为256000千瓦，这次事故共造成18.95万元的经济损失。与此同时，故障频率的不断升高，使得现场人员的维修工作量也随之增大。因此，优化变桨子站总线故障处理方式，既能降低风机故障频率，又能提高发电效率，还能减少现场工作人员的工作量。

2.2故障处理目标设定

2.2.1具体目标

频繁发生的变桨子总线故障使机组利用率降低，对机组安全运行造成极大威胁，且故障增加了现场工人的工作负担，带来了潜在的安全风险。通过对风电场故障资料的统计分析，从2018-2022年5年来，牟定风力发电场、变桨子站总线故障次数年均12.4次，平均每台机组1.03次。因此，制定了如下目标：年度故障6次，即月度故障0.5次。

2.2.2可行性论证

（1）数据分析支持

通过对风电场故障资料的分析，从2018-2022年5年来，风电机组变桨子站总线故障年均18.4次，平均每月1.53次。这表明目前的故障频次很高，存在着进一步优化的空间。

（2）技术可行性

深入分析历年故障原因，通过软件监测，强化设备精细化检修、DP通讯元件工艺的改进等方法，降低金风1.5MW机组变桨子站总线故障是可行的。

（3）经济效益

降低风电机组的故障频次，可以增加风电机组的利用率，缩短机组停工期，为风电机组带来更大的经济效益。同时，降低故障的频率，还能减少作业人员的工作负荷，增强作业安全。

（4）管理可行性

只有设定出正确的故障处理方案及防范措施，才能对故障进行有效的控制，实现年度故障6次即月度故障0.5次的目标。

3变桨子站总线故障原因与检修

3.1要因分析

3.1.1滑环故障

通过检查故障处理记录，因滑环磨损及滑环维护不到位，造成的子站总线故障占比为50%，为要因。

3.1.2 DP头故障

通过对DP头进行拆解检查，DP头氧化以及DP头制作过程中因制作工艺不达标，造成屏蔽不良等引发的子站总线故障占比为40%，为要因。

3.2整治方案实施

3.2.1通信状况统计

数据收集需要10分钟以上的时间，建立单元通信检查日志，如果副站的数据不是0 ，说明该子站存在异常（只有当误差值大于某个值时，机组才会报告该子站发生故障），需要对机组子站进行通信专项检查。

3.2.2 DP头通讯检查

对DP都进行专项排查，发现屏蔽层失效的，重新制作屏蔽层。发现DOP头内部接线松动的重新紧线。对内部有氧化的DP头进行更换。

图1  DP头检查

3.2.3滑环检验

对风机丢包严重滑环进行专项检查，对滑环滑道磨损严重的进行更换，对滑环沾污的进行清洗，对接线松动的进行紧线处理。

图2  滑环检查

3.2.4优化数据统计和分析机制

利用 Twincat软件，按月定期统计各机组、变浆子站之间的通信丢失，并建立其通信数据库，定期分析数据，针对通信异常的机组制订维修方案，不断进行预防维修。

3.2.5标准化巩固措施

金每月定期用Twincat 软件逐台对机组子站通讯丢包情况进行统计，建立机组子站通讯数据库，定期对数据进行分析，对子站通讯异常的机组制定整治计划，持续开展预防性检修。

制定了《金风1.5 MW风机变桨子站总线故障处理标准化作业指导书》，使风电场员工的技术能力得到进一步的提升，并使这类故障的处置过程得到规范化。

4 Vensys变桨控制系统故障分析及整治方案

4.1变桨系统工作原理

Vensys变桨系统主要由PLC﹑充电电源、交流变频调速装置﹑交流电机﹑绝 对式旋转（位置）编码器等组成，并由超级电容作为后备电源。Vensys变桨控制柜主电路采用交流--直流--交流回路，由逆变器（AC-2）为变桨 电机供电。变桨电机采用交流异步电机。 PLC 组成变桨的控制系统，它通过现场总 线(profibus-DP总线)和主控制系统交互通信，接受主控制系统的指令(主要是桨叶转动的速度指令)，并控制交流调速装置驱动交流电动机，带动桨叶朝要求的方向和角度 转动，同时监测变桨系统的内部信号，把它直接传递给主控制系统。

4.2倍福BC3150

变桨控制柜中都有一个总线控制器BC3150，它是每个Vensys变桨控制柜中 PLC的控制核心，其内部载有变桨控制程序。此程序一方面负责变桨控制系统与主控制系统之间的通信，另一方面负责变桨控制系统外围传感器信号的采集处理和对变桨执行部件的控制。紧急状况下（例如变桨控制系统突然失去供电或通信中断），三个变桨控制柜中的控制系统，可以分别利用各自柜内超级电容存储的电能，分别对三个叶片实施90度顺桨停机动作，使机组安全可靠的停下来。

4.3金风MW风力发电机组DP通讯现象

在维护状态下，如果机组发生DP通讯故障，就地面板会显 示“XX子站总线故障”或“XX子站电源故障”，在就地面板上，这个子站的所有数据都为0。例如如当机组报“41 号子站总结故障时”时，41#变桨柜里的电机温度，叶片位置等所有数据都显示为0。当机组在并网时，如果机组发生DP通讯故障，除在面板上“XX子站总线故障”外，主控还会在CF卡中生成故障F文件和故障B文件。故障文件中会显示通讯站点状态不正常，通讯数据有丢失。

4.3具体故障及解决措施

4.3.1：如果风机在停机或维护状态下，还有此故障，检查接线，相应的子站,还有主控的组态配置；如果是在运行的过程中报此故障，就应该是线路有虚接，子站出问题，子站模块出问题，或者是屏蔽层没有接好。

4.3.2检查子站之间的DP线，确认线缆没有损坏，且子站之间的DP线连接正确，不存在虚接、错接。检查DP头的终端电阻是否拨错，单线拨成ON，双线时拨成OFF；保证DP线的屏蔽层接地良好。

4.3.3把终端的DP头的打到on后，DP的终端电阻是220欧姆。例如，把进滑环的DP线插头取下，用万用表量滑环进口处DP线红线和绿线之间的电阻。 如果阻值是220欧姆，代表轮毂内部DP线接线正常。如果阻值不是220欧姆，代表轮毂内部DP线接线不正常。同样的方法也适用用检查其它通讯子站。

4.3.4DP断点检查。通常情况下，滑环两端的延长线由于安装不牢固，机组长时间晃动，出现DP线断的概率较大。检查的方法，把滑环延长线从滑环上取下来，一个人用万表表量DP线阻值，DP线正常情况下，DP两端的红色线之间的阻值约为0.1欧姆。另一个人用手逐段晃动DP线，如果哪个地方在断点，晃动时万用表测得的DP线的阻值就不正确。

5结论

5.1效果检查

通过对其进行专项整治，并对其进行3个多月的运行观测，对相关资料和故障处置记录进行整合和分析，发现在2022年11月15日-2023年02月15日期间，牟定风电场机组仅报告了1次变桨子站总线故障，月平均故障次数从每月3.75起降低到0起，说明治理成效显著，实现既定目标。

5.2经济效益

通过对2022年1-12月份的故障资料进行整理和统计，得出机组总线类故障造成的停电时间累计为187个小时，总电力损失25.6万千瓦。经过这次质量检验，连续三个月没有报告一次故障。根据上述故障损耗的计算，可以将风机的发电时间延长到65个小时左右，可以多生产9.65万度电，以0.5元/度的价格来计算，可以产生4.825万元额外收入。如果变桨子站总线全年不发生故障，那么到了2023年，预期将产生19.3万元的经济效益。

5.3环境效益

风力发电机的运转可靠度提高，使发电量增加，经计算，预期共减少0.316吨二氧化硫和76.8吨的二氧化碳排放。

5.4团队效益

这次课题攻坚活动，不但提升了风电机组的生产效率，同时通过此次活动也提高了团队的凝聚力。大家通过参与课题的研究，增强了大家的动手解决问题的能力，在整个活动的准备与执行阶段，全体员工齐心协力，克服重重困难，朝着既定的目标前进。这样的团队精神，让队员们彼此间结下了深厚的情谊，加强了集体的凝聚力。

参考文献

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