目前我国1.5MW及以上容量的大型风力发电机组普遍采用变桨距调节控制方式对风机桨叶进行角度调节^[1]。相对于定桨距调节控制方式,变桨距调节控制方式具有风能转换效率高^[2],叶片相对简单、质量小,适用于大型风力发电机组等优势^[3]。而变桨电动机作为变桨动作的执行元件,其特性的优劣影响着风机变桨系统的性能^[4]。 1 设备概况

内蒙古某风电场规划建设容量300MW,其中一、二期已投产容量为99MW。一期风机采用国内某厂设计制造的33台型号为FD70B的1.5MW变桨距双馈异步风力发电机组,于2009年投入运行,其变桨系统采用直流串励变桨电动机作为执行元件,电动机具体参数见表 1,电动变桨距系统原理图如图 1所示。

表 1(Table 1)

表 1直流串励变桨电动机参数

表 1 直流串励变桨电动机参数

图 1(Figure 1)

图 1 电动变桨距系统原理图

该风电场采用的直流串励变桨电动机控制系统简单、控制性能良好。在紧急收桨过程中,直流串励变桨电动机省去了中间逆变环节,直接由电池收桨,从而简化了收桨过程,安全性优于其他类型电机^[5]。但直流串励变桨电动机的电刷和换向器会使电机的可靠性降低,电机体积增大,不利于电机的安装和维修^[6]。 2 故障统计

该风电场自投运4a来,一期风机因变桨电动机抱死、电枢过流保护、温度超限以及桨距角偏差大等问题,共计更换变桨电动机32台次,具体统计见表 2。变桨电动机发生故障时常伴有电机超温、过流、桨叶抱死和动作滞后等现象(如图 2),对机组运行造成了很大的安全隐患。

表 2(Table 2)

表 2 直流变桨电动机更换情况统计

表 2直流变桨电动机更换情况统计

图 2(Figure 2)

图 2 直流变桨电动机故障显示画面截图

3.1 声音判断及拆解检查

当风机直流变桨电动机抱闸机构无法打开时,检修人员需登塔对单面叶片进行手动变桨测试,根据抱闸声音初步判断是否发生故障。正常变桨电动机抱闸机构释放、吸合声音响亮、清脆,但检修人员发现故障变桨电动机抱闸机构释放、吸合的声音拖沓、沉闷,据此判断变桨电动机故障。

检修人员对故障直流变桨电动机抱闸机构进行拆解,发现刹车挡板与导柱接触面存在磨损痕迹,且二者之间存在大量黑色粉末(见图 3-图 5),致使刹车挡板无法沿导柱上下顺畅移动,造成电机旋转过程中刹车片无法完全打开。

图 3(Figure 3)

图 3 刹车线圈内堆积粉末

图 4(Figure 4)

图 4 磨损后的刹车盘

图 5(Figure 5)

图 5 电动机内堆积刹车片粉末

拆解变桨电动机刹车器、挡板,清理黑色粉末,打磨刹车挡板磨损面。重新安装后再次进行变桨测试,变桨电动机电流、转速等各项运行指标均恢复正常,抱闸机构释放、吸合声音清脆,直流变桨电动机修复后正常运行显示画面截图如图 6所示。

图 6(Figure 6)

图 6 直流变桨电动机修复后正常运行显示画面截图

通过对损坏直流变桨电动机进一步拆解、检测后发现,直流变桨电动机内部测速发电机、电动机绕组、换向器,碳刷均正常,且绕组内部碳粉较少(如图 7)。但是摩擦片法兰磨损严重(如图 8),影响了刹车性能。

图 7(Figure 7)

图 7 直流变桨电动机绕组

图 8(Figure 8)

图 8 磨损后的电动机摩擦片法兰

通过现场试验并查看变桨系统图,发现目前直流变桨系统所采用的备用电源紧急收桨回路为单纯的电气收桨回路(见图 9),不经过驱动器进行转速调节,在紧急故障发生时,叶片高速收桨至91°顺桨叶位置,同时触碰限位开关,瞬间切断直流备用电源,抱死刹车^[5]。由于瞬时叶片及电机转动惯量仍很大,电机在大力矩、高转速的工况下被强制抱死,使得刹车片与摩擦片法兰之间发生强烈摩擦,随着风机运行周期的加长,风机紧急收桨次数的增多,导致摩擦片法兰磨损。通过对该型33台风机进行统计发现,频繁发生变桨电动机故障的风机,年平均紧急收桨次数为11.4次/台;而电机故障频次较少或未更换过电动机的风机,年平均紧急收桨次数仅为4.7次/台,由此可以看出紧急收桨停机会对直流串励变桨电动机使用寿命造成很大影响。

图 9(Figure 9)

图 9 直流变桨电动机紧急收桨原理图

该型直流串励变桨电动机频繁故障的根本原因为风机的紧急收桨控制回路设置不合理,在紧急收桨过程中强制抱死高速回桨叶片,使得变桨电动机摩擦片法兰摩擦面失效,导致刹车过程中刹车片与摩擦片法兰滑动摩擦,从而加速刹车片的磨损,产生大量刹车片粉末,卡涩刹车机构,造成刹车机构无法完全打开,最终导致变桨电动机因过流或超温而停机。而风机急停、启动次数过多则是导致该故障频发的重要诱因。针对该风电场直流串励变桨电动机故障率较高的情况,建议在提高设备可靠性、减少机组紧急停机次数的同时,对该型风机紧急收桨控制回路进行优化和改造,以降低变桨电动机故障发生率。