風力發電機組運行安全分析與控制措施

梁 宏

（新疆金風科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026）

由于風電機組所處的工作環境惡劣，風電技術還在發展完善，一些機組運行質量不穩定，在運行過程中因停電、故障、技術缺陷、安裝質量等造成風電事故不斷增加，尤其近幾年陸續出現風機倒塌、機艙著火、人員觸電、機組大面積脫網等事故，成為風電發展的隱患。

我國風力發電經過這些年的快速增長，正逐步向穩定發展轉變。在這樣的發展階段，全方位分析風電機組運行安全，有效防范可能發生的各種風險，采取必要的控制措施，不斷提高風力發電機組運行安全是十分必要的。

1 風力發電機組運行相關介紹

風力發電機組運行原理是風機通過主動對風方式，使葉輪始終處于迎風狀態，吸收風能并轉化為機械能，驅動發電機旋轉從而將機械能轉換成電能，最終經變壓器并入電網，完成向電網輸送電能的任務。

并網運行已成為風力發電機組的主要運行方式。為了保證輸出電能頻率恒定，并網型風電機組主要采用恒速恒頻和變速恒頻這兩種控制方式。過去，風力發電多采用恒速恒頻技術。隨著風電技術的發展，為了提高風能轉換效率，應用變槳距技術使葉輪的轉速能夠跟隨風速變化，通過變流技術實現對發電機的轉矩控制，從而保證輸出電能頻率恒定。變速恒頻成為目前風力發電機組并網運行的主要控制方式。

2 風力發電機組運行安全分析

由于風力發電機組長期在野外運行，工作條件惡劣，自然界的風能不受人為控制，有些風區極端風速可達50m/s以上，風機運行過程承受著各種復雜載荷，外界條件的變化隨時威脅著風機運行安全。為了增強風機承載能力，風機制造所選用的材料一般都經過大量的性能實驗和疲勞實驗然后進行篩選確定，金屬結構件選用耐高溫、抗低溫、耐腐蝕、耐沖擊等機械性能優良的材料，材料的使用壽命超過20年。在結構設計方面，也采用加強結構。

風力發電機組是全天候自動運行的設備，整個運行過程都處于自動控制中，電控系統要能夠滿足風力發電機組無人值守、自動運行、狀態監測的要求。當前風力發電機組的控制系統以可編程控制器為核心，控制系統由PLC、傳感器、控制器以及各種執行機構組成。傳感信號表明了機組運行狀態，當各項指標發生變化時，經過PLC處理，由控制器發出指令完成各項控制功能。因此，控制系統的功能及其可靠性直接影響著風力發電機組的運行安全。

除了利用風機電控系統來實現各項控制功能從而保證風機安全運行以外，目前多數機組采用了一套獨立于常規運行控制系統的安全鏈保護系統。安全鏈保護系統采用單回路結構，所有重要監測點組成一個單回路。當機組發生超常振動、過速、扭纜、變槳超限、電網異常、出現極限風速等任何一個故障時，該回路斷開，即安全鏈斷開，風機立即緊急停機，從而保證機組的安全。

在風機運行控制策略方面，變槳距控制技術通過變槳功能可以有效降低機組運行承受的載荷，在機組停機時自動調整槳葉角至最大槳葉角位置，使風機處于安全位置。在制動系統中，采用三套獨立的葉片變槳機構，當風機運行遇到極端情況，通過緊急順槳使葉片回到最大槳葉角，實現氣動剎車功能。由于風機在靜態時所受到的載荷要遠遠小于動態載荷，因此，通過變槳和氣動剎車使風機停止運行，實現機組安全保護。

風機在運行過程中受到風力和傳動系統引起的振動對運行安全是有影響的。目前的風機葉片都增加了結構阻尼，這樣能夠有效消除葉片在高風速下運行時的有害擺振。在風機設計上通過模態分析，使機組的轉速、葉片、塔架、傳動鏈固有頻率分開，通過控制加阻的方法，降低機組的振動。在風機的機艙里安裝有振動傳感器，當檢測到機組振幅超過限定值時，風機立刻報警停機。在自動偏航系統中，偏航制動器加有部分剎車載荷，使得偏航過程始終有阻尼存在，這樣能夠保證機艙偏航時平穩轉動。

在風電場利用遠程監測監視系統，可以記錄風電場所有機組的詳細情況，及時掌握風機運行狀態。當機組出現故障報警時，可以提醒運維護人員及時處理，并實現遠程停機，從而能夠及時對機組做出安全保護。

3 針對機組運行安全采取的控制措施

雖然風力發電機組在設計、材料選用、電氣控制等方面對運行安全有了較為全面的考慮，但是機組事故卻依然發生，因此采取相應的安全控制措施是十分必要的。

3.1 設備巡視檢查和定期檢修。風電機組運行過程中控制系統能否可靠實現各項控制功能，依賴于組成控制系統的軟、硬件是否狀態良好。因此，經常性地對個體軟件、硬件保護措施進行檢查，正確設定各項技術參數，及時消除設備隱患，是安全風險預防的重要措施。另外，做好定期檢修工作，如定期潤滑、連接件定期緊固，實施主動預防檢修措施，在巡查和檢修作業時遵守安全操作規程，才能保證人員安全和風機運行安全。

3.2 風機安裝質量控制。在風電場建設期間，對風機安裝緊固件力矩值進行控制，特別是對組成風機的各部件連接、電氣線纜接頭緊固力矩嚴格檢查，這對于風機投產后確保不發生倒塌事故、杜絕線路虛接而引發火災事故將是十分必要的措施。

3.3 做好風機運行數據監測分析工作。數據監測包括溫度監測、轉速監測、功率監測、電網數據監測等等。通過對異常數據如發電機繞組溫度、控制柜溫度、機艙溫度、葉輪轉速、三相電壓、電流、頻率、功率等信息分析，可以提早判斷機組運行狀況。同時，機組運行參數和報警信息可以即時傳輸給主控制器，主控制器可以遠程操控實現安全控制。

3.4 對特殊危險情況采取措施。氣候變化，雷雨閃電會對機組安全造成威脅，做好雷電接受和傳導系統、過電壓保護和等電位連接等防護措施，經常檢查接地系統是否良好是防范雷擊事件的重要措施。盡管機組有雷電防護裝置，但是仍然會有雷擊的危險，在雷暴天氣時人員不可接近或觸摸風機。其次，風機運行時會遇到風速超過其安全工作范圍的情況，如果風機過速，功率過發，會對機組的安全運行會產生威脅。在這種情況下要通過遠程控制使機組停機，而且人員不得靠近風機。第三，在寒冷和潮濕環境中如果風機停機時間過長，葉片上會有結冰。因此再次啟動風機前，必須對絕緣設施進行檢查，合格后才允許啟機。為了防止葉片上的冰塊掉下來傷人，人員不要停留在葉片旋轉面下方。

3.5 加強風電場運維管理。有些風電場發生風機安全事故，從表面上看是由于風機疏于維護造成的，但從深層次分析，是風電場對于維護計劃、制度執行不力，管理缺失。風電機組是動態運行的設備，加強運維管理及時消除隱患，才能保證機組運行正常。

3.6 采取積極地消防措施。由于電氣故障、機械故障和雷擊等原因，可能引發風電火災事故。目前許多風電場在風機機艙和塔筒平臺上配置了滅火氣，這只是相對簡單的消防措施。在機組無人值守的條件下，對容易引起火災的關鍵點采取探測預警和實施主動滅火，才能有效控制火災發生。目前國內已經開始對風電火災防護方面進行研究，應用自動消防系統，改變被動消防的做法。通過溫感、煙感以及早期煙霧探測器和空氣采樣探測器等設備對保護區域進行信號采集，將檢測信號送到消防控制器，實現報警功能和啟動相應介質實施滅火，這種措施應當積極推廣。

4 結束語

我國風力發電在發展過程也暴露了運行安全問題，其中一個問題是當電網故障、閃變或風機發生故障時，機組往往會自動切除進行自我保護，這樣同時也加大了電網故障并影響電網安全運行。隨著風機生產制造技術的進步和智能電網的開發應用，認真做好風機運行安全與控制措施課題研究，積極開發適用于中國特點的先進風電機組，向經濟優化控制方向發展，必將會使風電運行控制能力得到顯著提高。

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