摘要：针风电机组变桨控制系统是兆瓦级以上风力发电机组控制和保护的重要装置，是风电机组停机的主刹车系统。风电机组启动、运行、停机或紧急停机这3种状态的实现，都是通过变桨PLC控制伺服驱动控制器、4K1继电器、变桨电机、变桨驱动等部件来完成。风电机组在实际运行中，4k1继电器经常出现周期性和批量性故障。4k1继电器作为过程执行原件，其使用寿命和可靠性，直接影响到风电机组的安全稳定经济运行。本文从设计原理出发，通过对比的方法，对华电天仁变桨系统目前已有的4种技术改造方案从可行性、经济性、安全性等方面进行探讨，筛选出最优方案。并对该方案的适用条件进行阐述，以便给业内各风电场提供运行维护借鉴经验，同时为新建风电场项目在机型选择方面提出有效建议。
关键词：风电机组变桨系统；4k1继电器；故障；解决方案
About the wind turbine pitch system 4k1Discussion on the solution of periodic fault of relay
Liu Yi Dong Zhicheng，
State Grid Gansu new energy Co.，Ltd，Gansu Lanzhou 730070，China
Abstract：Aiming at the problem that the state parameters of wind turbines are changing randomly and randomly，a method of parameter optimization of BP neural network prediction model and SVM prediction model based on GA and PSO optimization algorithm is proposed，which provides a favorable basis for ensuring the stable operation of unit.In this method，a prediction model is established for the temperature characteristic parameters of gearboxes and generators in a wind turbine generator.Furthermore，GA and PSO optimization algorithms are used to optimize the BP neural network prediction model and SVM prediction model parameters，and on this basis，Finally，the validity of the prediction method is verified through simulation experiments.The simulation results show that this method can select different prediction models according to different state parameters，improve the prediction accuracy and take into account the generalization ability of the model.
Key words：Wind Turbines；Prediction；Temperature；GA and PSO algorit
1 4K1继电器在风电机组变桨系统中的作用
近年来，风电机组变桨控制系统是兆瓦级以上风力发电机组控制和保护的重要装置，是风电机组停机的主刹车系统。在风电机组启动过程中，变桨系统控制桨叶的角度以实现风电机组依靠风力自行启动；在风电机组正常运行过程中，变桨系统控制桨叶的角度以实现达到额定风速后风电机组维持满负荷稳定运行，不过载；在风电机组正常或紧急停机时，变桨系统控制桨叶转到预定安全位置，实现空气动力刹车，确保风电机组安全停运。风电机组实现叶片开桨和顺桨的动力源由风电机组每个叶片的变桨电机来提供。变桨控制回路主要由伺服驱动控制器、4K1继电器、变桨电机、变桨驱动等部件组成（图1）。
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图1变桨控制回路及4K1继电器在变桨系统中的作用
其中控制元件4K1继电器在风电机组叶片开桨和顺桨过程中频繁动作，4K1继电器的质量和性能直接影响着变桨系统和变桨安全链的可靠性。
在实际运行中，风电机组主要有限电运行和不限电运行两种工况。
工况一：不限电情况下，为使风机高效利用风能，按照既定控制策略，要求叶片始终保持在最佳桨距角位置，变桨电机启停次数相对较少，4K1继电器关断次数相对较少。
工况二：限电情况下，风电机组出力随着电网计划值频繁变化，电网计划值每2-5分钟变化1次，在该工况下4K1继电器的关断频率倍增，这明显缩短了4K1继电器的使用周期。
无论上述哪种工况，对4K1继电器的要求远远苛刻于相同条件下的其他继电器。实践证明，该类4K1继电器的运行条件超出了原始设计理论工况。
2 4K1继电器在变桨系统中的使用现状
首先华电天仁变桨系统中4K1继电器使用finder 55系列和finder 60系列干簧触点式继电器即传统的机械继电器，以现场实际使用的finder 55.32系列极继电器为例，该继电器在直流24V电压下机械寿命在80万次，正常情况下可使用2到3年，在限电区域风电机组变桨系统4K1继电器动作更加频繁，当动作次数接近其寿命次数时，会引发变桨故障，导致风电机组变桨类故障批量出现，风电机组故障率短时间内突增，因此在直驱和双馈异步发电机组中普遍存在周期性批量更换4K1继电器的现象。据统计，此类故障导致的故障损失电量远远高于其他类故障，同时对华电天仁变桨系统的可靠性造成一定的影响，甚至会间接影响该类变桨系统的市场销售。经调研，目前大多数风电场已将4K1继电器从常规备件划归为消耗品类，同时在更换过程中需要登塔，消耗大量人力和资金，风机停运造成电量损失。
3 4K1继电器的解决方案
根据现场调研发现，95%以上风电场每运行两年左右，会批量出现变桨安全链引起的故障，其中4K1继电器寿命到期引起的故障占多数，这对风机安全性造成严重影响，导致风场故障损失电量的急剧上升，为有效解决现场4K1频发故障，切实提高设备可靠性，目前针对4K1继电器设计缺陷的解决方案主要有4种，现分别就这4种方案进行阐述如下：
方案一：根据finder55系列干簧式继电器电气参数，将原来三触点finder55.32系列干簧式4K1继电器更换为四触点finder55.34系列干簧式4K1继电器，在原设计的基础上只需要更换继电器和保险，底座通用，将4个常闭触点中的2个触点并联，每组常开并联触点充当原设计图中的一个常开触点。根据55.32系列继电器与55.34系列继电器性能参数（表1）对比可知，55.34系列继电器最大优点是触点多、4个常开触点两两并联后可以互相备用。但55.34系列继电器额定电流、最大峰值电流、额定负载 AC1、额定负载AC1下的电气寿命均小于55.32系列继电器，从继电器的选择性、快速性、灵敏性、可靠性原则考虑，选择55.34系列继电器降低了电磁刹车的灵敏度、可靠性，缩小了电磁刹车的负载范围，从而对变桨系统的响应速度产生间接影响，对风电机组的安全性、低电压穿越能力产生不利因素。
方案二：根据4K1继电器最大DC1断流容量与电压的关系（图2）可知，变换其电压值和电流值处于曲线下方的电阻负载（DC1）时，电气寿命可预期≥ 100•103，因此可以通过在电磁刹车控制回路中减少输入电压、电流值的方法延长继电器触点的寿命，从而使4K1继电器的寿命相对延长，此方案确实在原设计基础上相对延长了继电器寿命，但是减少输入电压和电流降低了电磁刹车的灵敏度和制动力，破坏了原始设计思路，对变桨系统的响应速度和制动效果产生影响，同样对风电机组的安全性、低电压穿越能力产生不利因素。
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图2技改55继电器最大DCI断流容量与寿命关系 图3改造后系统布局
方案三：根据风场运行实际情况，风电机组每运行2-3年，4K1继电器会批量报各类故障，为提高设备可靠性，提前预防故障发生，在风电机组每运行2年周期时，择机对风电机组4K1继电器进行批量更换一次，从而预防性的降低了因4K1引起的风电机组变桨系统故障次数和电量损失。
方案四：对4K1继电器进行技术改造。将原finder 55系列和finder 60系列干簧触点继电器（编号4K1）改成固态继电器（图3），由于固态继电器是利用可控硅等电子器件来实现其功能的，所以其使用寿命远高于干簧式继电器，固态继电器的理论动作次数上限为 1012 次，寿命远高于干簧式继电器的 106 次。但为避免电机制动器不能正常松开，或者电机制动器不能刹车，不能直接将其做替换处理，还需要加装一个干簧式继电器4K5作为冗余以防止其失效后无法打开电机制动器，同时再加装两个继电器4K6、4K7触点在制动器供电回路上以防止其失效后无法关闭制动器的情况。在4K1和4K5 继电器触点侧引出信号线接到数字量输入模块KL1408卡件（编号7A1-2）用于检测该继电器触点状态，当检测到4K1触点未能正常动作导致制动器无法正常打开，则 PLC会启动4K5冗余继电器使制动器打开（技改前后图纸对比如图4、图5）。
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图4技改前设计图 图5技改后设计图
经过技术改造后，可有效延长4K1继电器使用寿命，降低4K1继电器故障率。
4 结论
通过以上4种方案的对比，我们优先剔除方案一、方案二，方案三未能真正从本质上解决问题，在风机20年的设计寿命年限内，至少需要批量更换10次4K1继电器，单台风机每次更换4K1至少需要花费1.5小时，单台风机更换10次累计停机时间≥15小时，每次更换工作中存在人员和设备安全、工艺方法导致的诸多不可控因素，同时部分4K1继电器损坏周期性并不确定，无法有效避免4K1继电器在接近使用寿命时所报的隐形故障，对风电机组故障的准确判断带来一定的困扰。该方案无法避免地对资源和人力造成浪费。方案四具有一定的可行性、可操作性、安全性，技改后在实现原有功能的基础上增加了冗余继电器4K5、防制动失效继电器4K6和4K7，使原变桨系统升级优化、更加安全可靠。该方案可以运用于华电天仁变桨系统类似的风电机组的技术改造中，为新建风场机型选择决策提供依据，为风电机组制造商变桨系统技改提供了合理化建议。
表1 55.32系列与55.34系列继电器性能参数对比
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论文作者:刘毅,董志诚
论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30