風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全分析與控制措施

梁 宏

（新疆金風(fēng)科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026）

由于風(fēng)電機(jī)組所處的工作環(huán)境惡劣，風(fēng)電技術(shù)還在發(fā)展完善，一些機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量不穩(wěn)定，在運(yùn)行過(guò)程中因停電、故障、技術(shù)缺陷、安裝質(zhì)量等造成風(fēng)電事故不斷增加，尤其近幾年陸續(xù)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)倒塌、機(jī)艙著火、人員觸電、機(jī)組大面積脫網(wǎng)等事故，成為風(fēng)電發(fā)展的隱患。

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電經(jīng)過(guò)這些年的快速增長(zhǎng)，正逐步向穩(wěn)定發(fā)展轉(zhuǎn)變。在這樣的發(fā)展階段，全方位分析風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行安全，有效防范可能發(fā)生的各種風(fēng)險(xiǎn)，采取必要的控制措施，不斷提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全是十分必要的。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行相關(guān)介紹

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理是風(fēng)機(jī)通過(guò)主動(dòng)對(duì)風(fēng)方式，使葉輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，吸收風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，最終經(jīng)變壓器并入電網(wǎng)，完成向電網(wǎng)輸送電能的任務(wù)。

并網(wǎng)運(yùn)行已成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要運(yùn)行方式。為了保證輸出電能頻率恒定，并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組主要采用恒速恒頻和變速恒頻這兩種控制方式。過(guò)去，風(fēng)力發(fā)電多采用恒速恒頻技術(shù)。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，為了提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)用變槳距技術(shù)使葉輪的轉(zhuǎn)速能夠跟隨風(fēng)速變化，通過(guò)變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，從而保證輸出電能頻率恒定。變速恒頻成為目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的主要控制方式。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全分析

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期在野外運(yùn)行，工作條件惡劣，自然界的風(fēng)能不受人為控制，有些風(fēng)區(qū)極端風(fēng)速可達(dá)50m/s以上，風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程承受著各種復(fù)雜載荷，外界條件的變化隨時(shí)威脅著風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全。為了增強(qiáng)風(fēng)機(jī)承載能力，風(fēng)機(jī)制造所選用的材料一般都經(jīng)過(guò)大量的性能實(shí)驗(yàn)和疲勞實(shí)驗(yàn)然后進(jìn)行篩選確定，金屬結(jié)構(gòu)件選用耐高溫、抗低溫、耐腐蝕、耐沖擊等機(jī)械性能優(yōu)良的材料，材料的使用壽命超過(guò)20年。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，也采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是全天候自動(dòng)運(yùn)行的設(shè)備，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程都處于自動(dòng)控制中，電控系統(tǒng)要能夠滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無(wú)人值守、自動(dòng)運(yùn)行、狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)以可編程控制器為核心，控制系統(tǒng)由PLC、傳感器、控制器以及各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。傳感信號(hào)表明了機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)過(guò)PLC處理，由控制器發(fā)出指令完成各項(xiàng)控制功能。因此，控制系統(tǒng)的功能及其可靠性直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。

除了利用風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制功能從而保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行以外，目前多數(shù)機(jī)組采用了一套獨(dú)立于常規(guī)運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全鏈保護(hù)系統(tǒng)。安全鏈保護(hù)系統(tǒng)采用單回路結(jié)構(gòu)，所有重要監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成一個(gè)單回路。當(dāng)機(jī)組發(fā)生超常振動(dòng)、過(guò)速、扭纜、變槳超限、電網(wǎng)異常、出現(xiàn)極限風(fēng)速等任何一個(gè)故障時(shí)，該回路斷開(kāi)，即安全鏈斷開(kāi)，風(fēng)機(jī)立即緊急停機(jī)，從而保證機(jī)組的安全。

在風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制策略方面，變槳距控制技術(shù)通過(guò)變槳功能可以有效降低機(jī)組運(yùn)行承受的載荷，在機(jī)組停機(jī)時(shí)自動(dòng)調(diào)整槳葉角至最大槳葉角位置，使風(fēng)機(jī)處于安全位置。在制動(dòng)系統(tǒng)中，采用三套獨(dú)立的葉片變槳機(jī)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行遇到極端情況，通過(guò)緊急順槳使葉片回到最大槳葉角，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)剎車(chē)功能。由于風(fēng)機(jī)在靜態(tài)時(shí)所受到的載荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于動(dòng)態(tài)載荷，因此，通過(guò)變槳和氣動(dòng)剎車(chē)使風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全保護(hù)。

風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中受到風(fēng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)引起的振動(dòng)對(duì)運(yùn)行安全是有影響的。目前的風(fēng)機(jī)葉片都增加了結(jié)構(gòu)阻尼，這樣能夠有效消除葉片在高風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)的有害擺振。在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上通過(guò)模態(tài)分析，使機(jī)組的轉(zhuǎn)速、葉片、塔架、傳動(dòng)鏈固有頻率分開(kāi)，通過(guò)控制加阻的方法，降低機(jī)組的振動(dòng)。在風(fēng)機(jī)的機(jī)艙里安裝有振動(dòng)傳感器，當(dāng)檢測(cè)到機(jī)組振幅超過(guò)限定值時(shí)，風(fēng)機(jī)立刻報(bào)警停機(jī)。在自動(dòng)偏航系統(tǒng)中，偏航制動(dòng)器加有部分剎車(chē)載荷，使得偏航過(guò)程始終有阻尼存在，這樣能夠保證機(jī)艙偏航時(shí)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在風(fēng)電場(chǎng)利用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)視系統(tǒng)，可以記錄風(fēng)電場(chǎng)所有機(jī)組的詳細(xì)情況，及時(shí)掌握風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，可以提醒運(yùn)維護(hù)人員及時(shí)處理，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程停機(jī)，從而能夠及時(shí)對(duì)機(jī)組做出安全保護(hù)。

3 針對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全采取的控制措施

雖然風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)、材料選用、電氣控制等方面對(duì)運(yùn)行安全有了較為全面的考慮，但是機(jī)組事故卻依然發(fā)生，因此采取相應(yīng)的安全控制措施是十分必要的。

3.1 設(shè)備巡視檢查和定期檢修。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中控制系統(tǒng)能否可靠實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制功能，依賴(lài)于組成控制系統(tǒng)的軟、硬件是否狀態(tài)良好。因此，經(jīng)常性地對(duì)個(gè)體軟件、硬件保護(hù)措施進(jìn)行檢查，正確設(shè)定各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，及時(shí)消除設(shè)備隱患，是安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防的重要措施。另外，做好定期檢修工作，如定期潤(rùn)滑、連接件定期緊固，實(shí)施主動(dòng)預(yù)防檢修措施，在巡查和檢修作業(yè)時(shí)遵守安全操作規(guī)程，才能保證人員安全和風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全。

3.2 風(fēng)機(jī)安裝質(zhì)量控制。在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期間，對(duì)風(fēng)機(jī)安裝緊固件力矩值進(jìn)行控制，特別是對(duì)組成風(fēng)機(jī)的各部件連接、電氣線纜接頭緊固力矩嚴(yán)格檢查，這對(duì)于風(fēng)機(jī)投產(chǎn)后確保不發(fā)生倒塌事故、杜絕線路虛接而引發(fā)火災(zāi)事故將是十分必要的措施。

3.3 做好風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析工作。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括溫度監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、功率監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等等。通過(guò)對(duì)異常數(shù)據(jù)如發(fā)電機(jī)繞組溫度、控制柜溫度、機(jī)艙溫度、葉輪轉(zhuǎn)速、三相電壓、電流、頻率、功率等信息分析，可以提早判斷機(jī)組運(yùn)行狀況。同時(shí)，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息可以即時(shí)傳輸給主控制器，主控制器可以遠(yuǎn)程操控實(shí)現(xiàn)安全控制。

3.4 對(duì)特殊危險(xiǎn)情況采取措施。氣候變化，雷雨閃電會(huì)對(duì)機(jī)組安全造成威脅，做好雷電接受和傳導(dǎo)系統(tǒng)、過(guò)電壓保護(hù)和等電位連接等防護(hù)措施，經(jīng)常檢查接地系統(tǒng)是否良好是防范雷擊事件的重要措施。盡管機(jī)組有雷電防護(hù)裝置，但是仍然會(huì)有雷擊的危險(xiǎn)，在雷暴天氣時(shí)人員不可接近或觸摸風(fēng)機(jī)。其次，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)遇到風(fēng)速超過(guò)其安全工作范圍的情況，如果風(fēng)機(jī)過(guò)速，功率過(guò)發(fā)，會(huì)對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生威脅。在這種情況下要通過(guò)遠(yuǎn)程控制使機(jī)組停機(jī)，而且人員不得靠近風(fēng)機(jī)。第三，在寒冷和潮濕環(huán)境中如果風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，葉片上會(huì)有結(jié)冰。因此再次啟動(dòng)風(fēng)機(jī)前，必須對(duì)絕緣設(shè)施進(jìn)行檢查，合格后才允許啟機(jī)。為了防止葉片上的冰塊掉下來(lái)傷人，人員不要停留在葉片旋轉(zhuǎn)面下方。

3.5 加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維管理。有些風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生風(fēng)機(jī)安全事故，從表面上看是由于風(fēng)機(jī)疏于維護(hù)造成的，但從深層次分析，是風(fēng)電場(chǎng)對(duì)于維護(hù)計(jì)劃、制度執(zhí)行不力，管理缺失。風(fēng)電機(jī)組是動(dòng)態(tài)運(yùn)行的設(shè)備，加強(qiáng)運(yùn)維管理及時(shí)消除隱患，才能保證機(jī)組運(yùn)行正常。

3.6 采取積極地消防措施。由于電氣故障、機(jī)械故障和雷擊等原因，可能引發(fā)風(fēng)電火災(zāi)事故。目前許多風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)機(jī)機(jī)艙和塔筒平臺(tái)上配置了滅火氣，這只是相對(duì)簡(jiǎn)單的消防措施。在機(jī)組無(wú)人值守的條件下，對(duì)容易引起火災(zāi)的關(guān)鍵點(diǎn)采取探測(cè)預(yù)警和實(shí)施主動(dòng)滅火，才能有效控制火災(zāi)發(fā)生。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始對(duì)風(fēng)電火災(zāi)防護(hù)方面進(jìn)行研究，應(yīng)用自動(dòng)消防系統(tǒng)，改變被動(dòng)消防的做法。通過(guò)溫感、煙感以及早期煙霧探測(cè)器和空氣采樣探測(cè)器等設(shè)備對(duì)保護(hù)區(qū)域進(jìn)行信號(hào)采集，將檢測(cè)信號(hào)送到消防控制器，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能和啟動(dòng)相應(yīng)介質(zhì)實(shí)施滅火，這種措施應(yīng)當(dāng)積極推廣。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電在發(fā)展過(guò)程也暴露了運(yùn)行安全問(wèn)題，其中一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)電網(wǎng)故障、閃變或風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，機(jī)組往往會(huì)自動(dòng)切除進(jìn)行自我保護(hù)，這樣同時(shí)也加大了電網(wǎng)故障并影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。隨著風(fēng)機(jī)生產(chǎn)制造技術(shù)的進(jìn)步和智能電網(wǎng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，認(rèn)真做好風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全與控制措施課題研究，積極開(kāi)發(fā)適用于中國(guó)特點(diǎn)的先進(jìn)風(fēng)電機(jī)組，向經(jīng)濟(jì)優(yōu)化控制方向發(fā)展，必將會(huì)使風(fēng)電運(yùn)行控制能力得到顯著提高。

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