王福祿 奚玲玲 孫佳林 上海電氣輸配電集團技術(shù)中心 (200042)

王福祿（1986年～），男，碩士，工程師。主要從事MW級風(fēng)力發(fā)電主控系統(tǒng)的研發(fā)工作。

0 引言

2011年中國（不包括臺灣地區(qū)）新增安裝風(fēng)電機組11 409臺，裝機容量17 630.9 MW，年同比增長37.1%；累計安裝風(fēng)電機組45 894臺，裝機容量62 364.2 MW，年同比增長39.4%[1]。伴隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，保障風(fēng)機快速、穩(wěn)定、可靠運行發(fā)電，風(fēng)電機組的現(xiàn)場調(diào)試與維護成為重要的環(huán)節(jié)之一。

內(nèi)蒙古蘇尼特風(fēng)場采用上海電氣低溫型2MW風(fēng)力發(fā)電機組，該機組為雙饋型變速恒頻發(fā)電機組，主控系統(tǒng)選用自動化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的X20系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件成本較低，支持幾乎所有主流現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，采用高級語言開發(fā)，人機界面良好、維護方便、能適應(yīng)惡劣的環(huán)境溫度。

1 主控系統(tǒng)介紹

2MW主控系統(tǒng)是自主研發(fā)的風(fēng)機主控系統(tǒng)，采用模塊化、高可靠性、高效控制的系統(tǒng)軟硬件平臺設(shè)計?，F(xiàn)已大批量生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用到各個風(fēng)場項目之中。

1.1 主控系統(tǒng)構(gòu)成與功能

風(fēng)機主控系統(tǒng)是大功率風(fēng)力發(fā)電機組的核心和關(guān)鍵部件。對風(fēng)機運行狀態(tài)及各個部件進行實時監(jiān)控，根據(jù)風(fēng)能的變化調(diào)節(jié)功率輸出，實現(xiàn)在無故障情況下，自動啟動、自動對風(fēng)、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)發(fā)電等正常運行控制，在故障狀態(tài)下根據(jù)故障的嚴(yán)重等級執(zhí)行不同等級的停機操作，保證風(fēng)機的安全性。通過與變流器系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)通信，控制風(fēng)機所有設(shè)備的啟停[2]。風(fēng)機主控系統(tǒng)與整機的關(guān)系如圖1所示。

圖1 主控系統(tǒng)與整機的關(guān)系

該系統(tǒng)具有技術(shù)先進、安全可靠性高的特點，通過自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉以及保證有良好的電網(wǎng)兼容性。主要部件分為塔基控制柜和機艙控制柜，如圖2所示。1號塔基控制柜位于風(fēng)機底層，2號機艙控制柜位于風(fēng)機機艙內(nèi)。

圖2 控制柜

塔底控制柜的主要功能：

（1）運行所有的控制程序，包括數(shù)據(jù)運算和數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，發(fā)送風(fēng)機各個設(shè)備的啟停指令；

（2）實現(xiàn)電網(wǎng)的監(jiān)控，包括電網(wǎng)電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、三相均衡等監(jiān)控，對過壓與欠壓、過流與欠流、過頻與欠頻、功率因數(shù)偏離正常值、電壓缺相等故障發(fā)出報警及停機指令；

（3）通過柜門上的人機界面來實現(xiàn)對風(fēng)機的各種控制；

（4）實現(xiàn)與機艙柜、變流器、中控室直接的通訊，并支持多種通訊方式。

機艙控制柜的主要功能：

（1）實現(xiàn)對風(fēng)速、風(fēng)向、塔筒振動頻率、主軸轉(zhuǎn)速、發(fā)電機溫度、齒輪箱溫度、潤滑油溫度、機艙內(nèi)溫度等各種參數(shù)的監(jiān)控；

（2）控制機艙內(nèi)加熱設(shè)備和冷卻設(shè)備的啟停，實現(xiàn)與變槳系統(tǒng)、塔底柜的通訊。

1.2 風(fēng)電安全系統(tǒng)原理

圖3 安全鏈系統(tǒng)

安全鏈?zhǔn)腔惊毩⒂谥骺氐挠布Ｗo措施，它總是優(yōu)先于控制系統(tǒng)，即使控制系統(tǒng)發(fā)生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。安全鏈采用反邏輯設(shè)計，將可能對風(fēng)機造成致命傷害的重要機構(gòu)部件的控制端串聯(lián)成一個回路。當(dāng)回路中任意一個觸點發(fā)生故障，安全鏈斷開，引起緊急停機，執(zhí)行機構(gòu)失電，風(fēng)機瞬間脫網(wǎng)，從而最大限度地保證風(fēng)機的安全。

根據(jù)GL標(biāo)準(zhǔn), 風(fēng)機的安全系統(tǒng)應(yīng)至少能啟用兩套相互完全獨立的制動系統(tǒng)，而且安全系統(tǒng)應(yīng)與控制系統(tǒng)完全分開。本風(fēng)機控制系統(tǒng)選用主CPU安全保護與安全CPU安全保護相結(jié)合的方式。主CPU的安全保護為軟件級別的安全控制，安全CPU的安全保護為硬件級別的安全控制[2]。

風(fēng)力發(fā)電牽涉到嚴(yán)格的機組安全應(yīng)用，風(fēng)機采用安全鏈設(shè)計。風(fēng)機的安全鏈設(shè)計中可通過安全繼電器回路或者集成式的安全模塊兩種方式來實現(xiàn)，兩種模式均各有特點，但集成式的安全系統(tǒng)無疑是未來的趨勢[3]。

本主控系統(tǒng)選用的控制器集成安全系統(tǒng)，通過使用專用的集成安全技術(shù)，選用安全邏輯掃描周期為ms級的安全控制器。安全鏈系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。安全控制器獨立于標(biāo)準(zhǔn)控制單元，通過將系統(tǒng)中關(guān)鍵的邏輯如強風(fēng)、惡劣天氣、機組的狀態(tài)變化如葉輪過速、扭纜、電源失效、制動和操作人員的緊急按鈕動作等用黃色的安全I/O輸入到系統(tǒng)中，安全控制器作為一個控制節(jié)點，只有在安全邏輯對應(yīng)的I/O動作時，才引發(fā)一個安全邏輯的執(zhí)行過程。

1.3 故障代碼分析機制介紹

主控系統(tǒng)采用故障代碼分析機制，將風(fēng)機的故障細分70類故障，1 400多個狀態(tài)碼。風(fēng)機在運行過程中出現(xiàn)各種各樣的故障，不同的故障對風(fēng)機的影響有輕重之分，故障低的只是給出報警信號，故障高的則給停機信號。當(dāng)風(fēng)機運行過程中，在同一時間發(fā)生多個故障，那么應(yīng)根據(jù)故障統(tǒng)計結(jié)果啟動最高的停機程序。

通過位于塔底柜門上的友好的人機界面，可以對風(fēng)機的各項運行參數(shù)進行監(jiān)控、修改，完成各項調(diào)試工作；在界面中還可以查詢歷史統(tǒng)計、故障記錄、故障時刻錄波等大量風(fēng)機運行的詳細數(shù)據(jù)，以便了解、排除故障。

2 主控系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試步驟

本部分的調(diào)試主要是指主控系統(tǒng)的調(diào)試，以下的調(diào)試過程認為變頻、變槳、偏航等系統(tǒng)已調(diào)試完畢，風(fēng)機主控系統(tǒng)調(diào)試主要為以下幾個步驟：

2.1 上電前檢查

主要檢查控制柜內(nèi)各個部件是否固定，各設(shè)備有無明顯損壞，接地線是否可靠連接，內(nèi)部電源回路是否正確連接，柜內(nèi)接線是否有松動，檢查400V進線的電壓及三相是否平衡[4]。如圖4所示，控制柜內(nèi)部件較多，檢查時要注意認真、細致，如果發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)參照圖樣，借助測量工具，對比分析。上電前，還應(yīng)檢查并設(shè)置CPU的IP撥碼，檢查各個節(jié)點的撥碼，檢查通信電纜和光纖的連接。

圖4 機艙控制柜內(nèi)部接線（局部）

2.2 上電后檢查

上電后，根據(jù)圖紙邏輯，逐級、逐個開關(guān)合閘，并測量、檢查出口端電壓。

（1）CPU上電后，需要一段時間啟動，通過查看CPU上的狀態(tài)燈即可判斷是否啟動完成。

（2）在塔底HMI上，設(shè)置風(fēng)機正確的IP，確定HMI與主控CPU通信正常，并設(shè)置CPU時鐘。

（3）查看主控系統(tǒng)各個模塊是否正常，目測模塊上的指示燈是否有紅色。

（4）檢查HMI主畫面，查看主流程、風(fēng)速風(fēng)向、溫度、主壓力是否正常。

（5）檢查HMI狀態(tài)碼畫面，查看“分類狀態(tài)碼”，根據(jù)報出的故障狀態(tài)碼進行排故。

（6）檢查HMI狀態(tài)碼畫面，查看“模塊監(jiān)控”，檢查各模塊及通信是否正常。

（7）檢查HMI狀態(tài)碼畫面，查看“I/O監(jiān)控”，檢查各I/O系統(tǒng)信號是否正確。

（8）檢查HMI狀態(tài)碼畫面，查看“安全鏈監(jiān)控”，檢查并測試安全鏈系統(tǒng)。

（9）經(jīng)過以上調(diào)試，主控系統(tǒng)調(diào)試基本完成，可以進行風(fēng)機的并網(wǎng)、超速等試驗。

3 調(diào)試故障處理與分析

3.1 主控CPU與HMI通信故障

故障的判定可通過查看在HMI上的用于顯示通信狀態(tài)的“網(wǎng)絡(luò)”燈。常見的故障原因及解決辦法主要有：

（1）未輸入正確的風(fēng)機號

應(yīng)檢查HMI用戶登錄畫面，輸入正確的風(fēng)機號。

（2）主控CPU的IP撥碼錯誤

應(yīng)檢查主控CPU上的IP地址撥碼是否正確。

（3）路由器供電異常

路由器供電端子松動，導(dǎo)致路由器未上電，應(yīng)該查看網(wǎng)絡(luò)通信頭的指示燈，檢查用于通信的路由器是否正常供電。

（4）PowerLink通信線損壞或接頭基礎(chǔ)不牢

插頭未插緊而導(dǎo)致連接不上的情況也比較常見，檢查用于通信的powerlink線是否完好，插頭是否插緊。

（5）IP地址沖突

由于風(fēng)場風(fēng)機很多，IP地址撥碼時由于誤操作會使不同的風(fēng)機撥了相同的IP，這也會導(dǎo)致通信故障。應(yīng)斷開與中控站的外網(wǎng)通信，如果主控CPU與HMI能連接上，則故障是由于IP沖突引起的。

3.2 塔底主控CPU與機艙控制柜通信故障

判定故障時，通過查看在HMI狀態(tài)碼畫面上的“模塊監(jiān)控”欄，可看到機艙所有模塊狀態(tài)為0，即塔底與機艙通信故障，這種情況大多是由于光纖模塊通信故障。常見的故障原因及解決辦法主要有：

（1）檢查用于光纖通信模塊HB2881的指示燈是否正常。

通常會發(fā)現(xiàn)指示燈顯示無通信，這時就要進行接下來的檢查。

（2）檢查PowerLink站點的撥碼是否正確。

（3）檢查光纖線是否損壞，光纖頭是否接反。

如圖5所示，光纖頭在連接處由于操作不當(dāng)易發(fā)生損壞，判斷光纖線是否正?？墒褂脽艄庹丈涞姆椒?。

（4）檢查機艙CPU是否正常工作。

圖5 連接塔底與機艙通信的光纖接頭

多數(shù)情況下，光纖通信故障的原因為通信站點撥碼錯誤和光纖線、光纖頭損壞，也有一定的可能是由于機艙用于通信的CPU故障所導(dǎo)致的，需要查看機艙CPU指示燈的狀態(tài)即可判斷。

3.3 主控CPU與變流器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)通信故障

判定故障時，檢查主控柜內(nèi)，查看用于Profibus通信的1061指示燈的error為紅色。也可在HMI畫面上查看主控與變流器系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的通信狀態(tài)，以及數(shù)據(jù)交互的狀態(tài)。常見的故障原因和解決辦法主要有：

（1）Profibus-DP頭接觸不良。

查看Profibus-DP頭是否插緊。

（2）Profibus-DP頭撥碼開關(guān)配置錯誤。

查看Profibus-DP頭的撥碼開關(guān)是否撥到ON的位置。

（3）Profibus-DP頭內(nèi)部接線錯誤。

測量Profibus-DP頭得終端電阻是否為110歐姆，打開Profibus-DP頭查看有無虛接或反接的情況。

（4）從站地址撥碼錯誤

變流器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)的從站，要進行正確的硬件撥碼。應(yīng)檢查變流器、變槳系統(tǒng)的從站撥碼是否正確。

（5）通信模塊故障

大多數(shù)情況，通過以上分析即可找到原因，但也有可能是因為模塊故障引起的。應(yīng)檢查1061模塊是否插緊，更換備件檢查模塊是否故障。

3.4 安全CPU無法正常啟動

判定故障時，安全邏輯控制器無法啟動，指示燈顯示FAIL。常見的故障原因及故障排除如下：

（1）啟動溫度過低

檢查是否環(huán)境溫度過低，導(dǎo)致安全CPU無法啟動，應(yīng)關(guān)好柜門等待加熱到足夠的溫度。

（2）通信站點撥碼錯誤

檢查安全CPU的撥碼是否有偏差，應(yīng)保證撥碼正確。

3.5 安全模塊丟失

當(dāng)安全CPU指示燈顯示MX燈以固定頻率快速閃爍時，表示模塊有丟失。模塊丟失的原因及解決辦法主要有：

（1）檢查安全I/O模塊的指示燈，尤其檢查模塊是否插緊，可以將模塊拔下來重新插入插槽內(nèi)。

（2）撥碼錯誤。檢查機艙通信節(jié)點的撥碼是否正確。

（3）模塊丟失的原因多為撥碼錯誤和模塊未插緊，但也不排除有模塊損壞的情況，可以通過更換相鄰?fù)吞柲K或備件檢查模塊是否故障。

3.6 安全I/O信號輸入輸出故障

通過在HMI狀態(tài)碼畫面上的“安全鏈監(jiān)控”欄，可以查看到所有的安全I/O通道的信號，通過這個畫面的顯示，檢查對應(yīng)通道的安全鏈設(shè)備是否正常。遇到的故障主要為各個緊停開關(guān)信號接反或者未連接。解決故障的方法為查看安全鏈I/O設(shè)備對應(yīng)的圖樣，按照圖樣的邏輯檢查接線，排除故障。

3.7 主控CPU指示燈顯示異常

當(dāng)主控CPU狀態(tài)指示燈R/E燈綠色閃爍時，此狀態(tài)并非故障狀態(tài)，這種狀態(tài)是CPU正常處于讀取所有模塊的配置文件的更新配置階段，第一次的更新時間比較長，大約為10min，因此常被誤認為CPU故障，等到R/E燈綠色常亮即是更新完畢的正常工作狀態(tài)。只有更新所有配置后，才能正常對風(fēng)機進行監(jiān)控。

3.8 I/O模塊故障

I/O模塊故障的現(xiàn)象主要有兩種：

（1）首先查看模塊的指示燈，通常模塊故障時指示燈R燈為紅色；

（2）有時模塊指示燈顯示正常，但是傳到主控的數(shù)據(jù)不正確，可以在HMI畫面“I/O監(jiān)控”欄查看相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)檢查，進而在控制柜內(nèi)找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)接線，如圖6所示為機艙柜數(shù)據(jù)交互接線端子狀況。

圖6 機艙柜數(shù)據(jù)交互端子的接線

當(dāng)遇到模塊故障時，主要的處理方法如下：

（1）檢查模塊是否松動、未插緊；

（2）檢查相鄰模塊的背板插槽是否緊密連接；

（3）檢查端子排的接線是否錯誤；

更換相鄰?fù)吞柲K或者備件，檢查模塊是否損壞。

4 結(jié) 語

風(fēng)機的調(diào)試過程中，要做到認真、細致，對各部分的調(diào)試不要有漏項，在風(fēng)機并網(wǎng)前，排除故障，尤其要對安全鏈系統(tǒng)進行測試。調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，大多數(shù)是由于通信站點撥碼錯誤、接線錯誤或接觸不良導(dǎo)致的，很少是因為模塊損壞的原因，因此排故時首先要考慮撥碼和接線的檢查。

風(fēng)機調(diào)試過程中，要熟練掌握指示燈的狀態(tài)，根據(jù)模塊指示燈的狀態(tài)分析故障原因，配合使用圖樣和測量儀表進行排故。進行故障的分析和處理時，要思路清晰，分析故障的原因，從最大的可能原因，按順序逐步進行排故，做到細致入微，以免因為疏漏造成風(fēng)機故障。

[1] 中國風(fēng)能協(xié)會.2011年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計[M].2012.

[2] 奚玲玲,朱立剛,等.2MW風(fēng)力發(fā)電機組主控制器設(shè)計[J].上海電氣技術(shù),2010(3).

[3] 宋華振.貝加萊WTC風(fēng)電主控系統(tǒng)[J].自動化博覽,2011(10).

[4] 劉英杰.明陽風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)調(diào)試過程中故障分析與處理[J].電氣技術(shù), 2011(3).