早期風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)優(yōu)化

黃世耿

（廣東粵電石碑山風(fēng)能開發(fā)有限公司，廣東 揭陽 515223）

筆者所在的風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目于2004年啟動(dòng)，2006年底完成全場(chǎng)167臺(tái)風(fēng)機(jī)吊裝，于2007年初全部投入商業(yè)運(yùn)行。風(fēng)機(jī)選用國產(chǎn)金風(fēng)科技S43/600型風(fēng)機(jī)，采用水平軸、三葉片、上風(fēng)向主動(dòng)對(duì)風(fēng)、定槳失速功率調(diào)節(jié)、雙速異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。文章首先分析了S43/600風(fēng)機(jī)技術(shù)優(yōu)化背景，針對(duì)S43/600風(fēng)機(jī)技術(shù)所存在的問題進(jìn)行分析，提出一套合理的優(yōu)化方案，并對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行分析及數(shù)據(jù)對(duì)比，解決了實(shí)際應(yīng)用中所存在的問題。

1 S43/600風(fēng)機(jī)技術(shù)優(yōu)化背景

風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目于2004年啟動(dòng)，項(xiàng)目建成比較早，600kW風(fēng)機(jī)是廠家公司發(fā)展史上的一個(gè)過渡機(jī)型，全國保有量小，后維護(hù)技術(shù)力量投放較少，運(yùn)行已超10年，積累了如下問題：（1）葉尖液壓缸損壞更換頻繁，除與運(yùn)行環(huán)境有關(guān)外，亦與在小風(fēng)期頻繁收放葉尖有很大關(guān)系。（2）600kW風(fēng)機(jī)為早期機(jī)型，在防過速飛車的控制設(shè)計(jì)上存在缺陷，如在機(jī)組發(fā)生故障致使安全鏈故障動(dòng)作后，機(jī)組將不能執(zhí)行偏航側(cè)風(fēng)降速，有可能出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。（3）針對(duì)國內(nèi)發(fā)生若干起因高速剎車摩擦、剮碰起火而引起整個(gè)機(jī)艙燒毀事件，目前600kW機(jī)組高速剎車未有溫度監(jiān)測(cè)，高溫未能及時(shí)預(yù)警，存在火災(zāi)安全隱患。（4）風(fēng)場(chǎng)位于沿海區(qū)域，葉片受雷擊現(xiàn)象較多，造成葉尖接閃部位鼓包、開裂發(fā)黑、接閃金屬塊遭腐蝕等情況，除環(huán)境因素外，與葉尖接閃器的設(shè)計(jì)有一定關(guān)系。

上述4個(gè)問題影響著600kW機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，但目前金風(fēng)600kW機(jī)組的優(yōu)化工作從風(fēng)機(jī)廠家到運(yùn)營的各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)都尚未在現(xiàn)場(chǎng)開展和測(cè)試過。石碑山風(fēng)電場(chǎng)針對(duì)相關(guān)問題做專項(xiàng)分析，研究解決方案，認(rèn)為上述問題可以通過相關(guān)的技術(shù)優(yōu)化工作加以改善甚至解決，以優(yōu)化風(fēng)機(jī)技術(shù)，提高風(fēng)機(jī)的可靠性與可利用率。

風(fēng)電場(chǎng)挑選7臺(tái)機(jī)組實(shí)施了優(yōu)化技改，優(yōu)化項(xiàng)目共有4項(xiàng)，分別是自由停機(jī)控制流程策略優(yōu)化（小風(fēng)停機(jī)不甩葉尖）、防過速飛車控制優(yōu)化、高速閘溫度監(jiān)控改造、葉尖接閃器防雷優(yōu)化。機(jī)組號(hào)為J06、D40、D10、K14、B30、B32、C19。

2 優(yōu)化方案

2.1 自由停機(jī)控制流程優(yōu)化（小風(fēng)停機(jī)不甩葉尖）

優(yōu)化目的：（1）減少葉尖動(dòng)作次數(shù)，減緩液壓缸密封損壞；（2）延長葉尖油管及葉尖鋼絲繩的使用壽命；（3）減少停機(jī)的電量損失；（4）減少生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用（更換部件的人工費(fèi)）。

600kW機(jī)組在優(yōu)化前的自由停機(jī)過程需要釋放及回收葉尖，為減少葉尖動(dòng)作次數(shù)，提出自由停機(jī)不甩葉尖優(yōu)化方案。通過優(yōu)化控制流程，結(jié)合風(fēng)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速降、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及偏航控制，使機(jī)組自由停機(jī)時(shí)，在轉(zhuǎn)速設(shè)置允許范圍內(nèi)不甩葉尖，并在適當(dāng)風(fēng)速下并入電網(wǎng)。

2.2 防過速飛車控制優(yōu)化

優(yōu)化目的：觸發(fā)相應(yīng)故障后及時(shí)側(cè)風(fēng)偏離主風(fēng)向90°，防止過速飛車。

優(yōu)化前，存在的最大安全隱患問題為機(jī)組側(cè)風(fēng)90°僅在安全鏈正常時(shí)執(zhí)行，若安全鏈斷開，機(jī)組便無法進(jìn)行側(cè)風(fēng)。當(dāng)機(jī)組需要側(cè)風(fēng)以防止發(fā)生過速的情況時(shí)，需要有一路不經(jīng)過安全鏈回路的驅(qū)動(dòng)電源，這樣即使安全鏈斷開仍然能夠執(zhí)行偏航動(dòng)作進(jìn)行側(cè)風(fēng)，且此路驅(qū)動(dòng)電源僅在安全鏈斷開后又發(fā)生需要側(cè)風(fēng)的故障時(shí)工作，因此需要新增數(shù)字量輸出模塊以獨(dú)立于現(xiàn)有的安全鏈控制輸出電源，用于系統(tǒng)檢測(cè)到14#故障后提供執(zhí)行偏航需要的接觸器及繼電器工作電源。14#故障定義：當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到高速閘副閘處于閉合狀態(tài)時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速＞2r/min或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速＞10r/min，系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警，進(jìn)行側(cè)風(fēng)動(dòng)作。

2.3 高速閘溫度監(jiān)控改造

優(yōu)化目的：及時(shí)檢測(cè)高速閘異常高溫，提前干預(yù)高速閘異常狀態(tài)，避免機(jī)艙著火事故。

600kW機(jī)組高速閘在優(yōu)化前未監(jiān)測(cè)溫度，高溫未能及時(shí)預(yù)警，當(dāng)高速閘間隙調(diào)整過小或閘磨損傳感器失靈時(shí)，高速制動(dòng)時(shí)閘體與高速運(yùn)轉(zhuǎn)的剎車盤磨擦而產(chǎn)生火花、高溫發(fā)熱，引燃閘片碎屑與油脂的混合物，持續(xù)高溫或超高溫可能引起機(jī)艙著火事故。為此，高速閘防火技改中新增了4個(gè)PT00溫度傳感器分別安裝在上下兩副高速閘的每個(gè)閘片上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳導(dǎo)高速閘閘片的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給中央監(jiān)控系統(tǒng)。機(jī)組使用原有接口模塊，但新增3個(gè)溫度采集模塊，每塊可以采集2路溫度數(shù)據(jù)，目前沒有備用的溫度采集通道，需要新增模塊才能實(shí)現(xiàn)高速閘溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)閘片溫度超出75℃限值時(shí)，機(jī)組會(huì)報(bào)出故障“高速閘溫度PT100故障”；當(dāng)閘片溫度超過允許的運(yùn)行溫度150℃時(shí)，機(jī)組會(huì)報(bào)出故障“高速閘溫度高報(bào)警”并停機(jī)。維護(hù)人員可及時(shí)登機(jī)檢查處理高速閘異常高溫，以防止火災(zāi)事故的發(fā)生。

2.4 葉尖接閃器防雷優(yōu)化

優(yōu)化目的：（1）降低雷擊葉片概率，從而減少葉尖開裂、鼓包等現(xiàn)象；（2）減少停機(jī)的電量損失；（3）減少生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用（葉片維修的人工費(fèi)）。

風(fēng)電場(chǎng)位于沿海地帶，空氣濕度大，全年雷電發(fā)生的頻率高。葉片在遭受雷擊強(qiáng)度較大時(shí)，雷電在葉片內(nèi)部形成電弧，空氣中的電弧會(huì)存在于葉片內(nèi)部的空洞和葉片表面，造成葉片表面或者電氣損壞；且雷擊電流傳遞到復(fù)合材料層間，因?yàn)閷娱g及葉尖內(nèi)部存在少量水分，而瞬間放電效應(yīng)較為短暫且電壓及電流都較高，使得瞬間能量釋放極高，而葉尖擾流器除排水孔透氣及排水外為一個(gè)密閉的空間，內(nèi)部電弧加熱層間及葉尖內(nèi)部水分引起壓力沖擊，會(huì)使葉片接閃器周圍復(fù)合層鼓包以及開裂。針對(duì)接閃器部位鼓包、開裂故障，借鑒采用兆瓦級(jí)別機(jī)組葉片葉尖接閃器，將原有接閃器更換為帶鋁尖的接閃器，增大葉尖的接閃面積，降低雷擊到葉片殼體部位的概率，避免接閃器內(nèi)預(yù)埋件腐蝕和膨脹而損壞復(fù)合層。

3 優(yōu)化效果分析

3.1 自由停機(jī)控制流程優(yōu)化效果

經(jīng)中央監(jiān)控導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，可定量統(tǒng)計(jì)出小風(fēng)停機(jī)不甩葉尖次數(shù)的占比（即合格率），如表1所示。

表1 技改機(jī)組小風(fēng)不甩葉尖效果比較

通過數(shù)據(jù)比較可以看出，小風(fēng)停機(jī)不甩葉尖次數(shù)占比在90%以上，達(dá)到了預(yù)期效果。從7臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制策略優(yōu)化技改試驗(yàn)開始，運(yùn)行近一年時(shí)間，技改后尚未更換過液壓缸、葉尖油管及葉尖鋼絲繩，說明這項(xiàng)優(yōu)化技改對(duì)液壓缸、葉尖油管及葉尖鋼絲繩使用壽命的顯著影響。

3.2 防過速飛車控制優(yōu)化效果

防過速飛車，主要是防范于未然。7臺(tái)機(jī)組經(jīng)過優(yōu)化后，通過現(xiàn)場(chǎng)模擬測(cè)試已驗(yàn)證當(dāng)機(jī)組制動(dòng)后仍然檢測(cè)到轉(zhuǎn)速，且偏航至側(cè)風(fēng)90°位置，技改新增的24V電源輸出模塊使機(jī)組能夠在安全鏈斷開且制動(dòng)失效的情況下，輸出偏航繼電器以及偏航接觸器控制電源進(jìn)行偏航。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以在觸發(fā)相應(yīng)故障后，根據(jù)優(yōu)化的側(cè)風(fēng)邏輯進(jìn)行偏航以達(dá)到側(cè)風(fēng)位置，實(shí)現(xiàn)在失速情況下的側(cè)風(fēng)功能，有效防止出現(xiàn)過速飛車的情況。

3.3 高速閘溫度監(jiān)控改造效果

作為消除機(jī)艙著火安全隱患、增強(qiáng)機(jī)組安全保護(hù)措施的一種溫度檢測(cè)方式，在600kW機(jī)組上進(jìn)行了高速閘溫度監(jiān)控改造，避免高速剎車閘片在高速制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生火花或高溫碎屑，從而引燃附件油脂混合物或其他可燃物釀成火災(zāi)?，F(xiàn)場(chǎng)中控平臺(tái)顯示，高速閘閘片溫度以及新增故障信息均能上傳至中控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高速閘溫度高預(yù)警功能，一年來7臺(tái)機(jī)組剎車片異常高溫報(bào)警共12次，預(yù)警快速準(zhǔn)確。經(jīng)檢查，多為剎車片或剎車盤粘有油污，在高速剎車動(dòng)作時(shí)造成剎車片過熱，經(jīng)清理后均恢復(fù)正常。此項(xiàng)改造有效避免了發(fā)生因高速閘異常高溫引起的機(jī)艙著火惡性安全事件，減免對(duì)企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

3.4 葉尖接閃器防雷優(yōu)化效果

優(yōu)化前，基本每支葉尖防雷接閃器均有不同程度的開裂、鼓包發(fā)黑等現(xiàn)象，目前經(jīng)過葉尖優(yōu)化的7臺(tái)機(jī)組已運(yùn)行將近一年時(shí)間，接閃器區(qū)域沒有發(fā)生過葉尖開裂、鼓包等故障，說明葉片葉尖接閃器優(yōu)化后，增加了葉片葉尖接閃器與葉片殼體的粘接面積，有效提高了接閃器的導(dǎo)電性及電流的抵抗性，防雷擊能力明顯提高，充分表明了葉尖優(yōu)化的效果及可行性。

4 結(jié)論

隨著600kW風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增長，需要分階段對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)估，查找問題、分析原因，并采取必要措施，就存在的問題進(jìn)行處理，改善機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組全生命周期內(nèi)用電成本的持續(xù)優(yōu)化。文章提出的優(yōu)化方案不僅改善了機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，而且提高了機(jī)組的可利用性和安全性能，如防超速車的控制優(yōu)化和高速制動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)的改造。這兩種優(yōu)化方案可以防止機(jī)組超速和高速剎車異常高溫引起機(jī)艙火災(zāi)；優(yōu)化了自由停機(jī)的控制過程（無葉尖擺動(dòng)的小風(fēng)停堆），減少了液壓缸、葉尖油管和葉尖鋼絲的損壞故障次數(shù)繩，減少故障停機(jī)時(shí)的功率損失和備件消耗；同時(shí)，對(duì)葉尖避雷器進(jìn)行防雷優(yōu)化，可以增加葉尖的受雷面積，提高防雷能力，有效減少葉尖雷擊和鼓包現(xiàn)象。