風力發電機組安全鏈故障模擬實驗平臺設計

顏 寧，劉 健，馬少華，趙海川

（沈陽工業大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870）

隨著風力發電機組控制技術的提高，風力發電機組不但要具有較優的電能輸出質量，還要具有高度的運行穩定性和安全性，而風力發電機組控制系統的精確控制及穩定安全運行可有效保證風力發電機組的運行性能[1]。安全保護系統作為主控系統的冗余備份系統，在主控系統出現故障時，可替代主控系統完成在風力發電機組出現失速、失電及嚴重故障等情況下的停車或剎車，從而保證系統安全，因此安全鏈對于風力發電機組運行的安全性及穩定性至關重要[2]。

安全保護系統與主控系統之間應該盡可能保持相互的獨立，一般采用各子模塊硬件開關系統的串聯設計。當風力發電機組內部或外部發生故障或系統參數超限時，或者控制系統失效時，啟動安全保護系統，從而維持風力發電機組安全[3-4]。當風力發電機組安全保護系統內部任何部件發生失效或者故障時，則開關由正常閉合狀態執行跳變為安全失效的保護動作，從而完成風力發電機組的保護[5]。安全系統即安全鏈，是保證風力發電系統安全穩定運行的關鍵，而目前國內對安全鏈多限于理論認知的學習，實驗平臺相對比較少，無法滿足高校及科研單位對風力發電系統的教學和學生對風力發電系統的實踐學習。

從認知到創新是事物發展的必然過程，而在教育、教學的發展中此過程更是必不可少。掌握安全鏈可能出現的故障及故障后所表現出的現象對學生在實踐中上認知安全鏈具有重要意義。因此，本文設計了一種風力發電機組安全鏈故障模擬實驗平臺，主要由一級安全鏈和二級安全鏈構成，分別為主控和風輪、變槳等部件提供安全保護。另外設計了安全系統邏輯流程，并對故障類型及故障顯示方式進行了設定，為用戶提供了認知安全鏈故障的環境。

1 安全鏈系統結構及安全系統邏輯流程

1.1 安全鏈系統結構

安全鏈是風力發電機組中極其重要的一環，也是整個系統保護的最后一道屏障，其邏輯等級優先于控制系統，可以在風電設備發生故障時確保系統的安全運行。它的設計與安裝獨立于主控系統的軟、硬件，將對風力發電機組可能產生運行故障的節點組成串聯回路[6-7]。安全鏈可分為一級安全鏈和二級安全鏈，一級安全鏈主要是主控系統安全保護裝置，二級安全鏈主要是風輪、變槳系統安全保護裝置[8]。在兩級安全鏈回路中包括主控急停開關、風輪及發電機超速開關、偏航扭纜開關、振動開關、24 V 電源、變槳系統開關、機艙急停開關等部件，其系統結構如圖1 所示。

圖1 安全鏈系統結構圖

將所有的按鈕、開關及監測模塊串聯到安全繼電器的觸點上，當系統正常工作時，由24 V 電源供能。當此回路中任意一個開關由于機組某環節故障而動作時，整條回路將斷電，而由安全鏈繼電器控制的工頻交流回路會失電，執行機構中的交流接觸器和電磁閥也會失電，機組將立即停機、脫網，同時閉鎖主控系統、變槳系統及偏航系統，從而最大限度地保護風力發電機組的安全運行，若故障得不到消除或解決，風力發電機組將無法實現任何操作[9-10]。

1.2 安全系統邏輯流程

在安全鏈中多個開關串聯，而安全鏈作為單信號觸發即可產生動作的控制鏈條，當風力發電機組故障觸發安全鏈環節內的任何一個開關信號后，安全鏈將會立即采取動作，風力發電機將進行緊急制動停機。需要對引起安全鏈動作的多個動作信號進行監測判斷，不能同時處理兩個故障信號，因此監測和處理的信號間需要有邏輯順序，其邏輯監測流程如圖2所示。

圖2 安全鏈邏輯監測流程

風力發電機組啟動后，進行系統及程序的初始化操作，并對安全鏈上的信號進行檢測，首先要對急停開關動作情況進行檢測，若有問題將進行風機停機操作，反之對風輪及發電機是否超速進行檢測；如果由于風速太大，引起了葉輪或者發電機超速運行，則使用控制系統或液壓系統進行風輪的剎車操作，若兩個百分點系統都失效，則啟動氣動剎車進行風輪的減速及停轉操作；接下來檢測是否由于偏航解纜造成線纜扭纜；然后檢測發電機、偏航及變槳系統是否存在大幅度振動現象，若無振動現象則對電網電壓是否跌落進行檢測；若電網電壓低于20%額定電壓時，則系統控制器將在后備電源（UPS）的電能供應下完成風力發電機組的離網、制動及停機；最后對發電機短路狀態進行檢測。在上述的各個流程環節中，如中間任意回合發生故障，都會造成系統的緊急停機程序啟動，在排查解決系統的故障并重新啟動系統后，安全鏈將重新進行上述檢測步驟。

2 安全鏈故障模擬實驗平臺構成及故障設定

本文所設計的安全鏈故障模擬實驗平臺主要由供電電源模塊、變槳安全鏈、主控安全鏈1、主控安全鏈2、電網監測模塊等組成，安全鏈故障模擬平臺系統線路如圖3 所示。

在供電電源電路中，風力發電機組安全鏈電源和變槳電源分別獨立設置，其中安全鏈電源采用UPS 電 源。另外，采用開關電源為實驗平臺中的直流元件提供24 V 直流電。

圖3 安全鏈故障模擬平臺系統線路圖

變槳安全鏈主要由變槳安全鏈繼電器、安全繼電器、旁路輸入按鈕等模塊組成，K15 為旁路故障模擬考試點，正常情況下變槳控制系統通過SSB 變槳柜采集槳葉空間、時間信息并對變槳系統進行控制。

主控安全鏈 1 則主要由主控安全鏈繼電器123K3、機艙柜PLC 急停開關K1、主控柜急停開關K2、機艙柜急停開關K3、機艙位置傳感器及機艙柜PLC 復位開關K4 等部件組成，當安全鏈正常時，變槳安全鏈、主控安全鏈1 和2 將都處于正常運行狀態。

主控安全鏈2 主要由主控安全繼電器122K4、機艙柜過速1 模塊K12、機艙柜過速2 模塊K14、機艙安全鏈急停按鈕K1、機艙振動開關K7、機艙復位按鈕K8、機艙柜PLC 復位按鈕K9 以及主控柜復位按鈕K10 等部件組成，其中還設有考試點故障開關，用來進行教學操作。

電網監測系統和轉速監測系統主要由電壓監測模塊及轉速傳感器等模塊和相應繼電器組成，用來在機組超速及電壓大幅跌落情況下斷開安全鏈，從而維護機組的安全運行。

由上述器件搭建構成的風力發電機組安全鏈故障模擬實驗平臺如圖4 所示，該平臺可以模擬多種安全鏈故障，當故障設定后會觸發相應的器件進行動作，從而斷開安全鏈。而學生或者培訓人員可以通過平臺上的指示燈顯示狀態及開關器件的動作狀態判斷引起安全鏈動作的故障類型。將該平臺用于高校及科研院所的風力發電機組安全鏈培訓上，可以大幅提高學員對風力發電機組安全鏈故障的解決、排查能力。

圖4 風力發電機組安全鏈故障模擬實驗平臺

安全鏈故障實驗模擬平臺的各類按鈕在不同狀態下會產生不同的安全鏈故障，安全鏈故障產生方式如表1 所示。

表1 安全鏈故障模擬表

3 安全鏈故障模擬實驗平臺實驗流程

理論與實踐相結合才能有效提高學生對風力發電機組中安全鏈重要性的直觀認識，并了解由風力發電機組故障所引起的安全鏈動作情況，因此利用安全鏈故障模擬實驗平臺進行實驗是提高學生綜合素質的重要手段。風力發電機組安全鏈故障模擬實驗平臺使用步驟分為從下幾步：

（1）接通電源。連接器插頭采用3 根1.0 mm2的線纜，將插頭接入控制柜下方的空氣開關，與380 V交流電源相連接。

（2）合閘。依次將各點處的合閘斷路器閉合，保證各處電源正常，各開關的電源指示燈點亮。

（3）考前檢查。將控制柜前側的所有急停按鈕進行復位操作，并對復位按鈕進行復位操作，調整手動按鈕確保其全部位于中間狀態，并將控制柜背板上的所有轉換開關都置于中間位置。此時要確保安全鏈處于安全狀態，安全繼電器123K3、122K4 為吸合狀態，并且控制柜背板上的開關指示燈均處于熄滅狀態。同時將故障按鈕向右撥動，檢查故障指示燈是否點亮。在檢查實驗平臺可以正常無誤工作后，即可進行考試。

（4）進行考試。通過撥動控制柜背面相應開關設置相應故障模擬考試點，部分故障名稱及故障顯示如表2 所示。

（5）考試結束。將控制柜前面所有急停按鈕依次進行復位，手動按鈕全部撥動到中間位置；控制柜背板轉換開關中的S18 和S19 撥動到中間位置，其余轉換開關撥動到左側位置。按照與斷路器閉合相反順序斷開斷路器從而切斷電源，將電源線插頭拔出并收好。

在本文所設計的安全鏈故障模擬實驗平臺中每個轉換開關都可以設定一種故障，當轉換開關旋至右側時就可以觸發設定故障。

表2 部分故障模擬考試信息表

當設置好風力發電機組安全鏈的故障后，在平臺的多個安全繼電器上出現故障的示意，包括指示燈亮、開關失靈等，學生或者培訓人員可以根據這些示意來對故障進行判別，并找出故障所在位置，從而完成故障的運維。部分故障下安全鏈的故障示意如圖5 所示。

圖5 安全鏈故障模擬實驗平臺部分故障示意

4 結語

本文設計了一種風力發電機組安全鏈故障模擬實驗平臺，可用于學生了解安全鏈結構及風力發電機組故障下安全鏈動作狀況。該平臺可模擬多種風力發電機組故障時的安全鏈動作情況，能提高學生對安全鏈動作后風力發電機組故障的排查能力。該平臺也用于風電場工作人員的預先培訓，可提高工作人員故障解決能力，有利于保障風電場的穩定運行。