风电机变桨控制策略设置不当造成的叶片折断事件分析

一、引言

黑龙江某风电场装机容量49.5MW，安装了33台1.5MW风力发电机组。该风电场于2012年12月19日首台风电机并网发电，2013年01月22日实现33台风电机全部并网发电，风电机全部使用艾朗44米叶片。该风电场发生的叶片折断事故很具有典型性，非常值得大家借鉴与反思。

二、事件经过

(一)2016年10月17日，风电场遭遇大风并伴有雨夹雪的恶劣天气，当天风电场的平均风速为10.25米/秒，最高风速为20.38米/秒(数据来源于风电场SCADA系统)。从测风塔数据来看，2016年10月17日09时开始风速由10米/秒迅速增大到18米/秒，12时20分风速再次陡增到24米/秒，直到17时才降至10米/秒以下。风电场在此期间风速波动也是比较明显的(如图1)。

(二)2016年10月17日10时至15时#19风电机故障总次数为40次，其中偏航变频器过流故障20次，变桨角度类故障17次，超速故障1次，其他故障2次。故障时发电机转速超过额定转速的为10次，发电机最高转速为1980转/分。风电场值班人员未及时到现场查看故障情况而反复复位重启风电机。

(三)2016年10月18日，风电场运维人员在巡视风电机时发现#19风电机叶片发生折断的情况下仍处于运行状态，折断部位为距叶尖10米左右位置，如图2所示。

(四)10月18日下午，厂家人员和风电场一起将#19风电机叶轮锁上锁并按下紧急停机按钮，做好安全措施。

(五)10月20日，叶片厂家技术人员到达现场检查叶片折断情况，对损坏的部分进行拍照、取样、测量，将数据带回厂家。项目公司安排技术人员通过现场考察、数据调取分析、相关人员现场谈话等方式对事件进行了调查。

三、原因分析

(一)风电场在10月17日遭受大风恶劣天气，#19风电机的机位地形地貌复杂，当天来风的湍流强度大是叶片折断的直接原因。

(二)经过现场核查发现该台风电机变桨控制策略与实际需求不符。#19风电机变桨控制选型错误，风电机使用的是A型叶片，但主控系统使用的是控制B型叶片的控制策略。由于A型叶片设计变桨角度为90度至0度，B型叶片设计变桨角度为90度至-2度，因此该台风电机叶片在风电机正常运行时变桨角度超出极限角度2度，导致A型叶片变桨至0度到-2度的工况时其多处截面为过载运行状态，叶片存在长期过载运行的问题。A型叶片和B型叶片结构简图如图3.

由图3可知，A型叶片和B型叶片总长度和最大弦长以及最大弦长处距叶根的距离均不同，因此两种叶片各横截面的疲劳强度不同。

叶片构件疲劳循环数理论上可以用系列载荷谱来反映，载荷谱技术参数如表1.

　　表1

因此叶片设计完成后，其使用寿命也就基本成形，即耐受的载荷循坏数量。然而，基于Miner损伤累计理论，疲劳强度在设计时允许构件上危险点应力循环中最大应力值超过疲劳极限，但内部会产生累积性的损伤，当损伤累积达到临界值时，便会发生疲劳破坏。因此，#19风电机叶片控制策略与实际不符是本次事件的主要原因。

(三)在后台服务器上发现该风电机存在故障屏蔽情况，主要有机组振动、轮毂转速差、偏航功率。使风电机叶片在异常舞动时不能及时故障停机，造成了事故的扩大，是本次事故的次要原因。

(四)2016年10月17日10时至15时#19风电机多次故障，风电场值班人员未及时到现场查看故障情况而反复复位重启风电机，叶片损坏前未及时发现，导致损坏加剧，是本次事故的间接原因。

四、措施及效果

(一)对风电场各类软件和系统采取分级管控，制定管控制度。在服务器登录界面和系统登录界面根据登录级别分配操作权限，参数修改、机组选型、系统配置等重大操作必须2人以上操作。根据风场实际情况增设指纹登录系统。

(二)优化设备控制程序和软件，风电机调试运行后的定版程序应进行加密封装，将需要的参数修订操作设定到人机界面，杜绝在程序内部修订，取消一切故障屏蔽的接口。在系统内增设报警功能，当发生既定参数变化时发出报警并需场长进行确认消除。

(三)风电机程序变更、参数修改、软件升级、故障屏蔽等操作必须履行设备异动流程，经审核批准后方可实施。

(四)重新审核设备参数表，风电场按照设备参数表开展一次排查，务必保证设备运行参数正确。

(五)强化员工学习意识，加强技术培训，提高员工技术能力。使员工熟悉掌握风电机系统构造、参数设定、设备原理、设备运行性能，提高运维人员故障分析、处理的能力。

(六)加强对风电场巡回检查的管理，运维人员在巡视、检查中，即使发现风电机有较小的异声，也要引起足够的重视，必要时进行停机检查。

(七)加强运行人员的监盘质量，发现缺陷及时汇报、处理,1小时内同一故障连续出现三次时，应组织人员进行现场检查，确认无问题后方可继续运行。

五、总结

本次叶片折断事件给我们敲响了警钟，该风电场存在的问题很多风电场都存在，暴露的问题很具有代表性。风电场对风电机控制系统疏于管理，未能定期对照设备参数清单核对系统参数设置，风电机厂家技术管理混乱，随意修订设备参数和设置等等的问题大家一定要杜绝再次发生。风电场对风电机各个软件、系统要加强管理，任何时间不可处于脱管状态。风电机更换程序、改变参数、屏蔽故障等均应按照要求履行设备异动程序，避免风电机控制程序版本混乱、参数不一、并且没有可追溯性。希望大家能够在今后的工作中举一反三，避免类似事件再次发生。
 

参考文献：

[1]《SL1500电控系统说明说》

[2]《SL1500风电机组安装手册》

[3]《SL1500风电机组用户手册》

[4]《SL1500风电机组运行维护手册》

[5]《艾郎叶片技术规格书》

[6]《中复叶片用户手册》

[7]《风力发电机叶片》（中国水利水电出版社，2014.1）

作者： 黑龙江省华富电力投资有限公司 杨桐轩