摘要：對(duì)某海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)在風(fēng)速波動(dòng)情況下發(fā)生機(jī)組超速事故的原因進(jìn)行分析，根據(jù)底層數(shù)據(jù)，外部氣象條件，變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)等動(dòng)作情況，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)主控邏輯存在漏洞，提出了相應(yīng)的邏輯優(yōu)化措施及反事故措施等。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組超速;控制算法;變槳系統(tǒng);變流器;邏輯優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM614" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）24-0018-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.005

1" " 設(shè)備狀況概述

某海風(fēng)場(chǎng)對(duì)某風(fēng)機(jī)變槳電池進(jìn)行遠(yuǎn)程健康度測(cè)試，三個(gè)槳葉健康度已正常顯示，分別為100%、99%、94%，之后健康度無(wú)變化，判斷測(cè)試重新開(kāi)始且卡在第二次的20%，現(xiàn)場(chǎng)人員取消測(cè)試使能按鈕，測(cè)試完成后槳葉正?；氐?9°，機(jī)組取消維護(hù)狀態(tài)，多次嘗試啟機(jī)，均未能正常并網(wǎng)運(yùn)行，值班員誤以為槳葉卡滯，遠(yuǎn)程對(duì)變槳系統(tǒng)進(jìn)行旁通操作，變槳系統(tǒng)短時(shí)間處于Normal狀態(tài)，槳葉開(kāi)槳到0°，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行。

事件前風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，負(fù)荷風(fēng)速在4.67～16.84 m/s間大幅切變，某海上風(fēng)機(jī)變流器因變流器1機(jī)側(cè)A相瞬時(shí)過(guò)流故障切出，但是槳葉在0°位置沒(méi)有順槳，其間觸發(fā)變槳合理性檢測(cè)故障，主控?cái)嚅_(kāi)EFC信號(hào)，變槳系統(tǒng)緊急收槳，此時(shí)葉輪轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，達(dá)到13.93 r/min，觸發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速最大值1故障、葉輪超速（等級(jí)1）故障順槳停機(jī)。

2" " 事件經(jīng)過(guò)

2.1" " 變流器故障情況

風(fēng)機(jī)SCADA顯示變流器1機(jī)側(cè)1、2回路模塊電流A相瞬時(shí)過(guò)流故障停機(jī)，故障數(shù)據(jù)曲線如圖1所示，故障狀態(tài)代碼如圖2所示。根據(jù)故障數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)機(jī)報(bào)出的故障是變流器1機(jī)側(cè)1回路模塊電流A相瞬時(shí)過(guò)流、變流器1機(jī)側(cè)2回路模塊電流A相瞬時(shí)過(guò)流，同樣也是首觸故障。根據(jù)圖1，風(fēng)速的波動(dòng)很大，故障前1 min內(nèi)，風(fēng)速在4.67～16.84 m/s間大幅波動(dòng)，由于風(fēng)速變化大，變流器的功率也跟著大幅波動(dòng)，查看變流器1機(jī)側(cè)1、2回路A相電流波形有瞬時(shí)突變現(xiàn)象。

2.2" " 葉輪超速情況

根據(jù)相關(guān)風(fēng)機(jī)安全規(guī)程，風(fēng)機(jī)發(fā)電模式進(jìn)入升速模式條件為：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于99.70 r/min[1-4]。23：06：06.727，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為77.33 r/min，滿足發(fā)電模式進(jìn)入升速模式條件，風(fēng)機(jī)從模式14變?yōu)槟Ｊ?3（發(fā)電模式變?yōu)樯倌Ｊ剑L(fēng)機(jī)漿葉角度在0°未變化;隨后主控先后報(bào)出變流器1故障、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速故障（變流器故障）、變槳合理性檢查故障，運(yùn)行模式變?yōu)槟Ｊ?，其間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由80.34 r/min上升到313.54 r/min，風(fēng)機(jī)漿葉角度在0°未變化;42 s后，主控報(bào)出變流器轉(zhuǎn)矩與設(shè)定值偏差大故障，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速最大值1故障，葉輪超速（等級(jí)1）故障，此時(shí)運(yùn)行模式變?yōu)?，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速最高至320.47 r/min，風(fēng)機(jī)漿葉角度在0°未變化;葉輪超速故障觸發(fā)，風(fēng)機(jī)收槳，漿葉角度由0°變?yōu)?0°。

根據(jù)以上時(shí)間點(diǎn)主控的故障記錄可以看出，風(fēng)機(jī)從并網(wǎng)發(fā)電模式到故障模式（模式14→模式4）應(yīng)停機(jī)，而且要進(jìn)行順槳，轉(zhuǎn)速應(yīng)降至自由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速或0 r/min，但根據(jù)故障記錄數(shù)據(jù)可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式由14變?yōu)?時(shí)（查看當(dāng)時(shí)變流器已故障切停），風(fēng)機(jī)槳葉仍然處在0°位置，沒(méi)有收槳，風(fēng)機(jī)葉輪持續(xù)升速，經(jīng)過(guò)大概41 s后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?0.34 r/min升至313.54 r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)311.60 r/min（軟件超速定值），觸發(fā)轉(zhuǎn)速超限故障，此時(shí)風(fēng)機(jī)開(kāi)始順槳停機(jī)。所以，最終導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障停機(jī)順槳的不是首觸故障（變流器1機(jī)側(cè)1、2回路模塊電流A相瞬時(shí)過(guò)流故障），而是首觸故障發(fā)生后變流器切機(jī)了，但沒(méi)有順槳，導(dǎo)致葉輪、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升至超速定值后才觸發(fā)轉(zhuǎn)速超限故障停機(jī)并順槳。

3" " 原因分析

3.1" " 變流器故障原因分析

3.1.1" " SOE分析

由圖3可以看出，2022-03-16T01：20主控控制變流器啟機(jī)運(yùn)行，持續(xù)運(yùn)行約22 h后，主控給出變流器停機(jī)信號(hào)，停機(jī)過(guò)程中報(bào)出機(jī)側(cè)模塊過(guò)流故障。

3.1.2" " 故障錄波分析

由故障錄波（圖4）可以看出，主控給出停機(jī)指令之前，一直給定接近100%的轉(zhuǎn)矩，變流器機(jī)側(cè)電流接近滿功率電流，此時(shí)轉(zhuǎn)速一直下降。主控給出停機(jī)指令之后，轉(zhuǎn)速下降到約74 r/min，此時(shí)主控仍然給出接近100%的轉(zhuǎn)矩，不符合正常機(jī)組的停機(jī)流程。變流器持續(xù)運(yùn)行約30 ms后，突然電流異常，引起變流器過(guò)流停機(jī)。

3.1.3" " 檢查與分析

從以上SOE和故障錄波可以看出，在轉(zhuǎn)速持續(xù)降低的工況下，主控給定接近100%的轉(zhuǎn)矩指令，在主控給出停機(jī)指令后，由于電流發(fā)生異常突變，導(dǎo)致報(bào)出過(guò)流故障。

在機(jī)組變流器報(bào)過(guò)流故障前，由于全場(chǎng)AGC控制限功率導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速設(shè)定值為111.1 r/min，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于設(shè)定值時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制器增加轉(zhuǎn)矩以控制轉(zhuǎn)速，直至轉(zhuǎn)矩指令增加到最大轉(zhuǎn)矩，當(dāng)風(fēng)速降低導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)矩控制器飽和，致使當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于111.1 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩指令仍維持最大轉(zhuǎn)矩，直至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于脫網(wǎng)轉(zhuǎn)速，變流器脫網(wǎng)。

3.1.4" " 原因分析總結(jié)

1）機(jī)組在低轉(zhuǎn)速下維持額定轉(zhuǎn)矩運(yùn)行使得機(jī)組定子側(cè)電流維持在較高位置這種現(xiàn)象，應(yīng)該是控制邏輯不完善導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩計(jì)算錯(cuò)誤，這是變流器故障的最根本原因。

2）機(jī)組在大功率（機(jī)側(cè)功率大約1 400 kW，網(wǎng)側(cè)有功1 148 kW）時(shí)，變流器1機(jī)側(cè)斷路器動(dòng)作，導(dǎo)致變流器機(jī)側(cè)過(guò)流故障，這是變流器故障的次要原因。

3.2" " 葉輪超速原因分析

事件發(fā)生時(shí)變槳系統(tǒng)沒(méi)有響應(yīng)風(fēng)機(jī)主控下發(fā)的收槳指令，分析發(fā)現(xiàn)變槳電池測(cè)試正在執(zhí)行中（未完成測(cè)試），變槳系統(tǒng)無(wú)法正常響應(yīng)主控下發(fā)的控制指令，最終造成葉輪超速。

1）在未進(jìn)行變槳電池健康度測(cè)試時(shí)，風(fēng)機(jī)主控與變槳系統(tǒng)之間的控制正常，變槳系統(tǒng)接收風(fēng)機(jī)主控的命令調(diào)整槳葉角度。

2）變槳電池測(cè)試若成功則在變槳電池健康測(cè)試畫面更正上次測(cè)試成功時(shí)間，若不成功（即變槳電池測(cè)試進(jìn)度條卡?。?，值班人員在風(fēng)機(jī)VNC變槳電池測(cè)試界面取消電池測(cè)試使能和電池測(cè)試，復(fù)位后測(cè)試進(jìn)度仍然在進(jìn)行中。在取消變槳電池健康度測(cè)試后，未重新冷啟動(dòng)PLC情況下，變槳電池健康度測(cè)試仍在進(jìn)行，造成變槳系統(tǒng)無(wú)法正常響應(yīng)主控下發(fā)的控制指令（圖5），即只有主控控制變槳系統(tǒng)從待機(jī)模式（Standby）切換至正常模式（Normal）后才能響應(yīng)角度和速度指令。

3）當(dāng)按下主控界面的變槳旁通按鈕，主控會(huì)在30 s時(shí)間內(nèi)將發(fā)送給變槳系統(tǒng)的“正常模式指令”置1，當(dāng)變槳系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)，其在接收到“正常模式指令”后切換至正常模式，執(zhí)行主控的槳葉角度指令。當(dāng)變槳旁通有效時(shí)間結(jié)束，“正常模式指令”置0，變槳系統(tǒng)從正常模式切換到待機(jī)狀態(tài)，即恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)（圖6）。

4）2022-03-16T23：06，風(fēng)機(jī)觸發(fā)變流器1機(jī)側(cè)A相瞬時(shí)過(guò)流故障，變流器切出。故障前，槳葉角度依然處于0°，未能響應(yīng)主控的控制指令。此時(shí)觸發(fā)變槳合理性故障，EFC信號(hào)斷開(kāi)，變槳系統(tǒng)緊急收槳，此時(shí)葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到軟件超速故障門限，同時(shí)觸發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速最大值1故障、葉輪超速（等級(jí)1）故障。

3.3" " 主要結(jié)論

1）機(jī)組主控程序存在漏洞是導(dǎo)致此次事故發(fā)生的根本原因。程序漏洞主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）在進(jìn)行變槳系統(tǒng)測(cè)試后，變槳系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，主控未對(duì)變槳系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，就能滿足機(jī)組啟動(dòng)條件。

（2）風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程變槳電池健康度測(cè)試后，測(cè)試進(jìn)度條卡在20%測(cè)試進(jìn)度，導(dǎo)致變槳系統(tǒng)在待機(jī)模式下啟機(jī)，不能正常響應(yīng)主控動(dòng)作指令。

（3）變槳系統(tǒng)遠(yuǎn)程旁通操作并未設(shè)置最高級(jí)別權(quán)限，在機(jī)組處于自動(dòng)運(yùn)行模式且現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員缺乏控制理論與經(jīng)驗(yàn)的情況下，很容易造成嚴(yán)重的事故。

（4）在機(jī)組啟動(dòng)及并網(wǎng)運(yùn)行中，并未對(duì)目標(biāo)槳距角和實(shí)測(cè)槳距角差值進(jìn)行檢測(cè)，保護(hù)邏輯存在漏洞。

2）主控程序存在沖突，機(jī)組在低轉(zhuǎn)速下由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換到升速模式，其在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行，低轉(zhuǎn)速下持續(xù)施加額定轉(zhuǎn)矩，這是機(jī)組變流器故障的主要原因。

3）機(jī)組在帶大負(fù)載的工況下，斷開(kāi)變流器1機(jī)側(cè)斷路器，這是導(dǎo)致此次事故中變流器發(fā)生過(guò)流故障的次要原因。

4" " 邏輯優(yōu)化及反事故措施

4.1" " 優(yōu)化風(fēng)機(jī)主控程序

4.1.1" " 增加“變槳電池未完成”故障

優(yōu)化變槳電池測(cè)試功能，在啟用變槳電池健康度測(cè)試時(shí)，觸發(fā)“變槳電池未完成”故障，故障等級(jí)2，測(cè)試完成后（進(jìn)度條結(jié)束），取消測(cè)試使能，故障自復(fù)位。

4.1.2" " 增加變槳電池健康度測(cè)試限制

將原程序“變槳電池完成測(cè)試后，若測(cè)試使能取消不及時(shí)會(huì)再次進(jìn)行變槳電池測(cè)試”，優(yōu)化為“在完成一次變槳電池測(cè)試后不會(huì)自動(dòng)進(jìn)行下次測(cè)試，需將測(cè)試使能按鈕取消后再次激活方可再次進(jìn)行變槳電池測(cè)試”[4]，避免因變槳電池測(cè)試未成功，系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)開(kāi)展電池測(cè)試。

4.1.3" " 增加變槳系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)和旁通權(quán)限

優(yōu)化主控自檢功能，將變槳系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋至主控系統(tǒng)，避免待機(jī)情況下風(fēng)機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)[5-6]。增加變槳、變流器等關(guān)鍵部件的旁通操作權(quán)限，防止隨意復(fù)位啟機(jī)。

4.2" " 反事故措施

1）全面排查梳理風(fēng)機(jī)控制邏輯，結(jié)合風(fēng)機(jī)定檢，做好各項(xiàng)邏輯功能測(cè)試和驗(yàn)證。

2）加強(qiáng)風(fēng)機(jī)旁通及保護(hù)投退功能的管理，嚴(yán)禁隨意復(fù)位啟機(jī)。

3）加強(qiáng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)盤，密切監(jiān)視風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，提高運(yùn)維值班人員對(duì)風(fēng)機(jī)故障過(guò)程的分析、判斷及處理能力。

4）加強(qiáng)風(fēng)機(jī)缺陷管理，對(duì)于風(fēng)機(jī)出現(xiàn)的故障，應(yīng)及時(shí)分析查找原因[7]，及時(shí)采取有效措施，必要時(shí)要終止操作、測(cè)試，做好記錄。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

本次針對(duì)大兆瓦級(jí)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組超速事故的深入分析，揭示了機(jī)組主控程序中存在的多個(gè)關(guān)鍵漏洞，這些漏洞在特定條件下可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。通過(guò)詳細(xì)的故障原因分析，不僅識(shí)別了變流器故障和葉輪超速的具體原因，還發(fā)現(xiàn)了主控邏輯中的設(shè)計(jì)缺陷，特別是在變槳系統(tǒng)的管理和控制方面。

為從根本上解決這些問(wèn)題，本次研究提出了一系列邏輯優(yōu)化措施和預(yù)防措施。這些措施包括增強(qiáng)主控程序的故障檢測(cè)能力、設(shè)置更嚴(yán)格的控制權(quán)限以及加強(qiáng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)視和分析。通過(guò)實(shí)施這些措施，期望能夠顯著提高風(fēng)機(jī)的安全性和可靠性，減少未來(lái)發(fā)生類似事故的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，本次研究還強(qiáng)調(diào)了定期測(cè)試和驗(yàn)證的重要性，確保所有優(yōu)化措施能夠有效運(yùn)行，并在實(shí)際操作中得到驗(yàn)證。通過(guò)持續(xù)的監(jiān)控和改進(jìn)，可以確保海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在一個(gè)更加安全和穩(wěn)定的環(huán)境中運(yùn)行，為可持續(xù)能源的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

總之，本次分析和優(yōu)化工作是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)過(guò)程的開(kāi)始，未來(lái)將繼續(xù)關(guān)注風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)，以確保海上風(fēng)電場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

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