電動變槳距風電機組飛車原因及預控措施

全宏偉 趙凱

摘要：變槳距風電機組制動系統由一級制動和二級制動組成，一級制動是依靠順槳實現葉輪轉速的下降，經驗表明空氣動力學的制動系統是相當安全的制動系統。它們能夠在數轉之內將轉子停下。而且，制動平和，沒有向塔和發電設備引入高的負載或磨損;二級制動是依靠液壓剎車實現的制動停機，一般手動停機、安全鏈短路等機組會執行級制動。風電機組先進行一級制動，當轉速下降到設定范圍后二次制動在動作。

當風電機組制動系統失效，葉輪轉速超過允許的額定轉速，且機組處于失控狀態時，風機可能發生飛車事故。風電機組飛車可造成倒塔、火災等后果，因此預防機組飛車十分必要。

關鍵詞：變槳距風電機組;風電機組制動;風機飛車;預控措施

引言

風能是現今主要清潔能源之一，有著廣泛的應用價值。截止2019年10月底，我國風電累計并網裝機容量已突破2億千瓦。但隨著機組運行時間增長、設備老化、環境惡劣等因素的累積，機組出現故障、事故的情況也明顯增多。其中風電機組飛車會造成風機倒塔、火災等事故后果。因此分析風電機組飛車原因，清楚風電機組飛車后果，找到行之有效的預控措施十分必要。

一、風電機組飛車的原因

1.1風電機組控制系統失效

機組控制系統失效包括CPU控制失效和變槳控制系統斷線等。CPU控制失效是指主控系統因故障無法發出停機命令，導致機組無順槳命令在高風速下持續轉動，葉輪持續增速最終導致飛車;變槳控制系統斷線是指主控系統發出順槳停機命令，但變槳控制系統由于斷線等原因無法執行順槳命令。

1.2風電機組超速模塊設定值過高或超速模塊損壞

超速模塊主要用于監測發電機及葉輪轉速，當轉速超過設定值時，主控系統會命令風機順槳停機。機組超速模塊設定值過高會導致風機超設計轉速運行，可能導致飛車倒塔;超速模塊損壞、模塊軟件失效或信號感知出現問題，會導致在機組超速時主控系統不能判斷故障，而引發飛車。

1.3風電機組緊急順槳失敗

機組緊急順槳失敗包括緊急變槳系統失效和變槳執行機構卡澀無法順槳或無法順槳到位。緊急變槳系統失效多是由于變槳蓄電池欠壓、帶載能力不足，無法提供順槳動力導致;變槳執行機構卡澀多是由于變槳電機減速器、變槳大齒圈斷齒、卡澀，致使槳葉無法轉動，導致順槳失敗。

二、風電機組飛車對風機的損害

2.1風電機組葉片損壞

風電機組葉輪高速旋轉會產生強大的離心力，當離心力超過葉片的承載能力時，會導致葉片折斷，造成葉片損壞。當單支葉片折斷后，會導致風電機組葉輪失去平衡，機組失去穩定，最終因葉片折斷又會造成機組倒塔。

2.2?風電機組倒塔

風機機組飛車后，葉輪轉速會持續上升，如果葉輪轉速過高，風機塔筒應力超過其設計極限值后就會造成風電機組倒塔。

2.3風電機組火災

風電機組超速后，超速模塊會報超速信號，主控系統命令風機順槳停機，如果風機未完成順槳一級制動的過程，風機轉速任然很高的情況下，二級制動液壓剎車系統就動作，會造成剎車片與剎車盤高速摩擦，摩擦產生大量的高溫熔融物，當高溫熔融物遇到電纜等可燃物后會引發機組火災。

三、防止風電機組飛車的措施

3.1提高風電機組安全設計級別

提高風電機組安全設計級別，保證主控系統控制邏輯正確、控制策略得當;監測風機各種狀態信號，當監測信號或反饋信號出現異常時，立即命令風電機組順槳停機;提高安全鏈安全等級，安全鏈是一個安全方面的傳感器串連硬件電路，與控制系統相互獨立（“硬件實現的”）。如果發生串連信號中的某些事故，安全鏈就斷開，安全鏈的中斷就會觸發兩個制動系統（葉片節距制動和盤式制動器）。因此安全鏈的設置能夠確保WTGS進入安全狀態。

3.2加強傳感器監控和響應

將重要傳感器信號接入安全鏈中，如將轉子超速和發電機超速信號接入安全鏈。同時，定期對機組進行超速測試，確保軟件超速保護動作正常，控制系統能將機組安全停止。確保硬件超速保護模塊動作正常，可以斷開安全鏈信號，即使在軟超速完全失效情況下，變槳系統可以有效的執行緊急順槳動作。

3.3?提高緊急變槳系統設計水平，保證緊急變槳系統安全可靠

目前部分風機廠商緊急變槳系統設計理念還比較落后，僅提供變槳蓄電池電壓整體檢測功能，且需要手動變槳測試，觀察變槳蓄電池帶載能力僅通過響應時間來判斷，因此無法正確評估電池容量、和系統帶載能力，提高設計理念和電池檢測水平是保證緊急變槳系統隨時備用的必要條件。風電機組有一個葉片順槳就可以有效的降低風機轉速，有兩個葉片順槳就能安全停機，因此有必要將機組變槳系統設置為獨立變槳系統，變槳蓄電池及充電檢測系統設置為獨立電池檢測系統，在線實時監測每一塊變槳蓄電池的電壓及帶載能力，保證緊急變槳系統安全可靠。同時要加強變槳電機、變槳減速器、變槳大齒圈等變槳執行機構的維護，保證變槳順暢、無卡頓現象。

以GE1.5MW風電機組為例，該機型設計為獨立變槳系統，三支葉片根部設置電池柜及變槳軸柜，每個電池柜內設置4枚變槳蓄電池，每個蓄電池配置一塊蓄電池充電板卡，用于蓄電池充電及電池電流、電壓、帶載能力等重要參數的在線監測。置于軸柜的AEPA控制板卡每30分鐘對電池進行一次自檢，通過將負載電阻器短暫接到蓄電池上，測量蓄電池放電響應。風機PLC每400小時進行一次電池測試，每個槳葉單獨執行，將槳距由0°調整為90°，PLC測量位置角隨時間的變化。同時，GE機組將重要信號串入安全鏈中，當信號或反饋中斷，安全鏈中斷導致風機緊急順槳停機，保證機組安全。

四、風電機組飛車后應采取的有效措施

4.1手動變槳使風電機組順槳停機

通過塔底或遠程手動變槳模式對風電機組槳葉進行手動回槳，如手動變槳成功，風機葉輪轉速隨之降低。

4.2斷開UPS及輪轂400V電源，讓風機緊急順槳

有些機型可以通過斷開UPS電壓和輪轂400V電源讓風機失去主控電源，將葉片順槳的工作完全交給蓄電池，激發風機緊急順槳功能。但此時要注意，一定要保證風機緊急順槳功能能夠正常執行，變槳蓄電池帶載能力滿足要求，否則風機不僅不能緊急順槳還會失去控制電源，造成嚴重后果。

4.3保證機組在網運行，防止脫網

禁止人為使風電機組脫網，風電機組脫網失電后，發電機失去反向電磁扭矩，無反向電磁扭矩的限制風機葉輪轉速將持續上升。

4.4手動偏航使風機偏離主風向

當手動變槳無效時可以嘗試手動偏航使風機葉輪偏離主風向，降低葉片升力，從而降低葉輪轉速。但因風機手動偏航也由PLC發控制信號且偏航設置保護等功能，當機組飛車后機組偏航系統多數無法手動控制，因此可以通過偏航技改，設置備用偏航系統，使用最直接的方法，在特殊情況下將控制電源和動力電源直接供給偏航電機，不經過控制和保護等元件，使偏航電機剎車松開，使偏航電機帶電動作，保證風機能夠順利偏航。

五、結 語

正確預控和處理風電機組飛車可以避免風機葉片損壞、風機倒塔、風機火災等事故的發生，在機組發生飛車后通過手動變槳和手動偏航是最有效的降低葉輪轉速的手段，但手動變槳多數情況無法正常控制，所以手動偏航是控制風機飛車最行之有效的方式，因此對風電機組偏航進行備用系統技改對防范機組飛車十分必要。

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作者簡介：

全宏偉（1986），男，內蒙古呼倫貝爾人，大學本科，安全專責，主要從事安全管理及風電機組檢修維護工作。

趙凱（1988），男，遼寧朝陽人，大學本科，安全專責，主要從事安全管理及風電機組檢修維護工作。