風電機組超速手/自動偏航安全保護策略研究

華電電力科學研究院有限公司 王照福 盧成志 柳振東 崔 光

隨著風電行業的快速發展，風電機組倒塔事故時有發生，給風電制造商，運營商及相關各方帶來重大經濟損失，甚至嚴重的人身傷亡事故，嚴重影響行業發展。其中倒塔的大部分原因是由于風電機組因超速而導致飛車倒塔事故，若風機具備超速手/自動偏航功能，則有很大機會可以避免事故的發生[1]。

為使風電機組葉輪正常工作時保持正對來風的方向，以充分利用風能，風電機組都具有偏航系統。該系統通過調整風機葉輪朝向及時跟蹤風向的變化，最大限度地捕獲風能[2]。偏航系統可調整風電機組葉輪與風向的夾角，夾角增大時風電機組葉輪吸收的風能減小，當夾角達到90度時風電機組葉輪吸收的風能無法驅動傳動鏈轉動。目前大多數風電機組在“安全鏈”斷開情況下不能啟動偏航系統，出現緊急情況時無法依靠偏航系統動作使風電機組“側風”保護，避免風電機組飛車[3-5]。改造應實現以下功能：超速信號采用主機超速開關外擴繼電器方案接入獨立偏航PLC；建議在風電場中控室做一個單獨畫面實現遠程應急偏航的監控。

1 偏航系統現狀

緊急偏航模式啟動和停止條件：滿足觸發條件的風電機組可自動進入緊急偏航模式，自動偏航90度后退出緊急偏航模式，主要涉及的條件和邏輯如下：啟動條件。持續超速時間超過t：啟動參考時間（根據不同機型調整時間t）為軟件超速1r/min7s、軟件超速2r/min5s、軟件超速3r/min2s，安全鏈斷開但葉輪轉速不下降（120s 后葉輪轉速大于2r/min）。停止條件：機艙方向與主風向夾角達到90°；偏航運行時間t 秒（90/偏航速率），根據不同機型確定時間；葉輪轉速下降到預設值。

偏航電機啟動方式：直接啟動方案。接觸器直接與偏航電機相連，控制器通過控制接觸器線圈的吸合實現偏航啟停的控制；通過軟啟器啟動偏航電機。為限制偏航電機啟動電流和沖擊負載，設置偏航電機軟啟動器，通過逐步增加電壓實現緩慢啟動偏航電機的效果；通過變頻器實現偏航。變頻器實現一拖多的方式啟動機組偏航。

2 應急偏航方案

2.1 增加獨立PLC 方案

本方案增加一套完全獨立于機組主控和機組安全鏈的帶遠程控制功能的安全保護系統，用于實現機組過速情況下，機組的手/自動應急偏航功能。方案原理如下：

圖1 獨立PLC 方案控制流程圖

圖2 純硬件方案控制流程圖

緊急自動偏航葉輪轉速信號。優先采用在葉輪法蘭盤處安裝葉輪轉速監測裝置，也可考慮將原有轉速脈沖信號并聯接入獨立偏航PLC 高速計數器端子或原有轉速4～20mA 信號經信號分配器分路后接入獨立偏航PLC 模擬量輸入端口；緊急自動偏航啟動條件。緊急自動偏航PLC 接收來自于風電機組轉速1信號和來自可編程轉速監控器的風電機組轉速2信號，通過轉速1和轉速2的絕對值和差值判斷機組狀態，根據預設的自動偏航啟動條件啟動偏航系統；判斷緊急自動偏航方向。將機組風向信號發送給緊急自動偏航PLC，根據錯風方向選擇偏航方向。

緊急偏航。通過緊急自動偏航PLC，打開偏航電機剎車和半釋放液壓偏航剎車壓力后，根據偏航電機不同啟動方式將緊急偏航信號并接到主控啟動偏航啟動接點處；新增機艙到塔底控制電纜，塔底增加緊急手動偏航動作按鈕，可直接通過按鈕控制機艙手動偏航；緊急自動偏航停止條件。當機艙與風向成90度角或葉輪轉速下降至安全轉速時停止偏航；在風電場升壓站上位機增加遠程控制緊急偏航指令，增加關于緊急自動偏航相關輔助功能，如緊急自動偏航啟動提示、遠程偏航角度、緊急自動偏航系統自檢等。

2.2 利用風電機組主控PLC 控制方案

風機PLC 監測風機葉輪轉速和槳葉角度等信號，當葉輪轉速超過設定值后或槳葉未正常回槳時，PLC 應控制啟動自動側風偏航保護；在PLC 正常運行情況下，當風機發生超速或葉片不能正常回槳（安全鏈斷開情況下），應具備在塔基和中控室遠程手動控制風電機組偏航功能。

2.3 純硬件手動方案

該方案增加一套完全獨立于機組主控和機組安全鏈的純硬件安全保護系統，用于實現機組過速情況下機組的手動應急偏航90度功能。方案原理如下：

新增塔基柜時間繼電器，通過電纜控制機艙柜液壓站半釋放、電磁松閘、定向偏航。當PLC 死機或通訊中斷情況下，在塔底手動拍下S1緊急偏航按鈕使偏航控制系統得電，實現輸出偏航指令；航啟停的邏輯流程：啟動。釋放偏航液壓剎車，等待1秒釋放偏航電機剎車，等待1秒啟動電機。停止。停止電機，等待1秒，偏航電機剎車抱閘，等待1秒，偏航液壓剎車抱閘；整改方案實現偏航的操作步驟：偏航啟動為手動拍下S1緊急偏航按鈕，側風90度偏航停止。為避免緊急情況下誤操作，線路設計考慮了偏航啟動過程邏輯順序，只有釋放偏航液壓剎車（閉合KT1）才能釋放偏航電機剎車（閉合KT2），當完成以上兩步后才能啟動偏航電機，進而避免誤操作。

3 系統測試

本次測試的樣機機型配置為SL1500/77機型、ABB PLC+VACON 偏航變頻器+KEB 變槳系統。測試版程序將葉輪超速觸發轉速降低至正常值的1/3（約為700rpm/min），機組機艙對風后啟動變槳系統，使輪轂轉速穩步上升，達到觸發條件后機組開始強制偏航動作，機艙偏航至與風夾角超過90°后自動停止，全過程約9min。

圖3中紅線位置為強制偏航觸發點，該時刻輪轂轉速為729.5rpm/min，機艙與風夾角為-0.3°；紫線位置輪轂轉速達到最大值，該時刻輪轂轉速為773.5rpm/min、機艙與風夾角為-10.4°，該位置距強制偏航觸發時間10.5s；藍線位置強制偏航系統停止，該時刻輪轂轉速為78rpm/min、機艙與風夾角為-97.6°；綠線位置輪轂轉速降低至0rpm/min、機艙與風夾角為-101.1°，該位置距強制偏航停止時間為46s。由圖3測試數據可知，在強制偏航觸發10s后輪轂轉速開始下降，初始下降速度較緩慢，機艙與風夾角達到一定值后轉速下降明顯，強制偏航系統停止后輪轂可降低至停機的正常轉速。

圖3 樣機測試數據

綜上，偏航系統在輪轂超速后觸發，短時間內將機組轉速降低至安全范圍，來保障風電機組安全；系統可采用獨立自動偏航PLC 方案，可獨立于風電機組主控系統，可靠性高；系統可采用一套完全獨立于機組主控和機組安全鏈的純硬件安全保護系統，在風機超速時實現偏航保護。但由于應急偏航不能判別偏航方向，系統存在一定風險。