早期風電場風力發電機組技術優化

黃世耿

（廣東粵電石碑山風能開發有限公司，廣東 揭陽 515223）

筆者所在的風電場項目于2004年啟動，2006年底完成全場167臺風機吊裝，于2007年初全部投入商業運行。風機選用國產金風科技S43/600型風機，采用水平軸、三葉片、上風向主動對風、定槳失速功率調節、雙速異步發電機并網運行。文章首先分析了S43/600風機技術優化背景，針對S43/600風機技術所存在的問題進行分析，提出一套合理的優化方案，并對優化效果進行分析及數據對比，解決了實際應用中所存在的問題。

1 S43/600風機技術優化背景

風電場項目于2004年啟動，項目建成比較早，600kW風機是廠家公司發展史上的一個過渡機型，全國保有量小，后維護技術力量投放較少，運行已超10年，積累了如下問題：（1）葉尖液壓缸損壞更換頻繁，除與運行環境有關外，亦與在小風期頻繁收放葉尖有很大關系。（2）600kW風機為早期機型，在防過速飛車的控制設計上存在缺陷，如在機組發生故障致使安全鏈故障動作后，機組將不能執行偏航側風降速，有可能出現飛車現象。（3）針對國內發生若干起因高速剎車摩擦、剮碰起火而引起整個機艙燒毀事件，目前600kW機組高速剎車未有溫度監測，高溫未能及時預警，存在火災安全隱患。（4）風場位于沿海區域，葉片受雷擊現象較多，造成葉尖接閃部位鼓包、開裂發黑、接閃金屬塊遭腐蝕等情況，除環境因素外，與葉尖接閃器的設計有一定關系。

上述4個問題影響著600kW機組的安全可靠運行，但目前金風600kW機組的優化工作從風機廠家到運營的各個風電場都尚未在現場開展和測試過。石碑山風電場針對相關問題做專項分析，研究解決方案，認為上述問題可以通過相關的技術優化工作加以改善甚至解決，以優化風機技術，提高風機的可靠性與可利用率。

風電場挑選7臺機組實施了優化技改，優化項目共有4項，分別是自由停機控制流程策略優化（小風停機不甩葉尖）、防過速飛車控制優化、高速閘溫度監控改造、葉尖接閃器防雷優化。機組號為J06、D40、D10、K14、B30、B32、C19。

2 優化方案

2.1 自由停機控制流程優化（小風停機不甩葉尖）

優化目的：（1）減少葉尖動作次數，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）減少停機的電量損失；（4）減少生產維護費用（更換部件的人工費）。

600kW機組在優化前的自由停機過程需要釋放及回收葉尖，為減少葉尖動作次數，提出自由停機不甩葉尖優化方案。通過優化控制流程，結合風速、電機轉速降、發電機轉速及偏航控制，使機組自由停機時，在轉速設置允許范圍內不甩葉尖，并在適當風速下并入電網。

2.2 防過速飛車控制優化

優化目的：觸發相應故障后及時側風偏離主風向90°，防止過速飛車。

優化前，存在的最大安全隱患問題為機組側風90°僅在安全鏈正常時執行，若安全鏈斷開，機組便無法進行側風。當機組需要側風以防止發生過速的情況時，需要有一路不經過安全鏈回路的驅動電源，這樣即使安全鏈斷開仍然能夠執行偏航動作進行側風，且此路驅動電源僅在安全鏈斷開后又發生需要側風的故障時工作，因此需要新增數字量輸出模塊以獨立于現有的安全鏈控制輸出電源，用于系統檢測到14#故障后提供執行偏航需要的接觸器及繼電器工作電源。14#故障定義：當控制系統檢測到高速閘副閘處于閉合狀態時，葉輪轉速＞2r/min或發電機轉速＞10r/min，系統發出故障報警，進行側風動作。

2.3 高速閘溫度監控改造

優化目的：及時檢測高速閘異常高溫，提前干預高速閘異常狀態，避免機艙著火事故。

600kW機組高速閘在優化前未監測溫度，高溫未能及時預警，當高速閘間隙調整過小或閘磨損傳感器失靈時，高速制動時閘體與高速運轉的剎車盤磨擦而產生火花、高溫發熱，引燃閘片碎屑與油脂的混合物，持續高溫或超高溫可能引起機艙著火事故。為此，高速閘防火技改中新增了4個PT00溫度傳感器分別安裝在上下兩副高速閘的每個閘片上，用于實時監測傳導高速閘閘片的溫度，并將溫度數據實時上傳給中央監控系統。機組使用原有接口模塊，但新增3個溫度采集模塊，每塊可以采集2路溫度數據，目前沒有備用的溫度采集通道，需要新增模塊才能實現高速閘溫度的實時監控。當機組運行時閘片溫度超出75℃限值時，機組會報出故障“高速閘溫度PT100故障”；當閘片溫度超過允許的運行溫度150℃時，機組會報出故障“高速閘溫度高報警”并停機。維護人員可及時登機檢查處理高速閘異常高溫，以防止火災事故的發生。

2.4 葉尖接閃器防雷優化

優化目的：（1）降低雷擊葉片概率，從而減少葉尖開裂、鼓包等現象；（2）減少停機的電量損失；（3）減少生產維護費用（葉片維修的人工費）。

風電場位于沿海地帶，空氣濕度大，全年雷電發生的頻率高。葉片在遭受雷擊強度較大時，雷電在葉片內部形成電弧，空氣中的電弧會存在于葉片內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合材料層間，因為層間及葉尖內部存在少量水分，而瞬間放電效應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密閉的空間，內部電弧加熱層間及葉尖內部水分引起壓力沖擊，會使葉片接閃器周圍復合層鼓包以及開裂。針對接閃器部位鼓包、開裂故障，借鑒采用兆瓦級別機組葉片葉尖接閃器，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，避免接閃器內預埋件腐蝕和膨脹而損壞復合層。

3 優化效果分析

3.1 自由停機控制流程優化效果

經中央監控導出的數據，可定量統計出小風停機不甩葉尖次數的占比（即合格率），如表1所示。

表1 技改機組小風不甩葉尖效果比較

通過數據比較可以看出，小風停機不甩葉尖次數占比在90%以上，達到了預期效果。從7臺風機進行控制策略優化技改試驗開始，運行近一年時間，技改后尚未更換過液壓缸、葉尖油管及葉尖鋼絲繩，說明這項優化技改對液壓缸、葉尖油管及葉尖鋼絲繩使用壽命的顯著影響。

3.2 防過速飛車控制優化效果

防過速飛車，主要是防范于未然。7臺機組經過優化后，通過現場模擬測試已驗證當機組制動后仍然檢測到轉速，且偏航至側風90°位置，技改新增的24V電源輸出模塊使機組能夠在安全鏈斷開且制動失效的情況下，輸出偏航繼電器以及偏航接觸器控制電源進行偏航。通過現場測試，可以在觸發相應故障后，根據優化的側風邏輯進行偏航以達到側風位置，實現在失速情況下的側風功能，有效防止出現過速飛車的情況。

3.3 高速閘溫度監控改造效果

作為消除機艙著火安全隱患、增強機組安全保護措施的一種溫度檢測方式，在600kW機組上進行了高速閘溫度監控改造，避免高速剎車閘片在高速制動時產生火花或高溫碎屑，從而引燃附件油脂混合物或其他可燃物釀成火災。現場中控平臺顯示，高速閘閘片溫度以及新增故障信息均能上傳至中控平臺，實現高速閘溫度高預警功能，一年來7臺機組剎車片異常高溫報警共12次，預警快速準確。經檢查，多為剎車片或剎車盤粘有油污，在高速剎車動作時造成剎車片過熱，經清理后均恢復正常。此項改造有效避免了發生因高速閘異常高溫引起的機艙著火惡性安全事件，減免對企業造成重大的經濟損失。

3.4 葉尖接閃器防雷優化效果

優化前，基本每支葉尖防雷接閃器均有不同程度的開裂、鼓包發黑等現象，目前經過葉尖優化的7臺機組已運行將近一年時間，接閃器區域沒有發生過葉尖開裂、鼓包等故障，說明葉片葉尖接閃器優化后，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，充分表明了葉尖優化的效果及可行性。

4 結論

隨著600kW風機運行時間的增長，需要分階段對機組運行情況進行評估，查找問題、分析原因，并采取必要措施，就存在的問題進行處理，改善機組的運行狀態，以實現機組全生命周期內用電成本的持續優化。文章提出的優化方案不僅改善了機組的運行狀態，而且提高了機組的可利用性和安全性能，如防超速車的控制優化和高速制動溫度監測的改造。這兩種優化方案可以防止機組超速和高速剎車異常高溫引起機艙火災；優化了自由停機的控制過程（無葉尖擺動的小風停堆），減少了液壓缸、葉尖油管和葉尖鋼絲的損壞故障次數繩，減少故障停機時的功率損失和備件消耗；同時，對葉尖避雷器進行防雷優化，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象。