張所成 張潤宏 陸元英

（內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)新能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的1種重要形式，也是可再生能源中技術(shù)最成熟和發(fā)展規(guī)模最大以及商業(yè)發(fā)展前景最廣闊的項(xiàng)目之一。風(fēng)力發(fā)電因其具有無污染、可再生以及技術(shù)成熟等特點(diǎn)而受到社會(huì)的青睞。當(dāng)前，風(fēng)電場運(yùn)行管理和建造技術(shù)雖然有了長足的進(jìn)步，但是在實(shí)際運(yùn)行中仍然存在一定的安全隱患，這會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)場的安全運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。風(fēng)力發(fā)電的安全保護(hù)技術(shù)當(dāng)前主要包括直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全系統(tǒng)運(yùn)行和控制技術(shù)，該文針對(duì)安全系統(tǒng)的控制技術(shù)進(jìn)行相關(guān)分析和總結(jié)。

由于我國大部分的風(fēng)能資源都非常豐富，這些地區(qū)主要是處于北部以及沿海近海島嶼的2個(gè)帶狀范圍中，分布區(qū)域當(dāng)前的自然環(huán)境十分惡劣，并且離主要的人口聚集區(qū)相對(duì)要遠(yuǎn)一些，因此使用人工的方式檢測(cè)有很大難度。如果在運(yùn)行中出現(xiàn)了故障，就無法快速檢修。當(dāng)前的風(fēng)力設(shè)備在運(yùn)行過程中不僅要保持運(yùn)行的持續(xù)性，同時(shí)還需要保證運(yùn)行的安全性，除此之外還需要注意，不要讓外部環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生負(fù)面影響。在風(fēng)力設(shè)備的控制系統(tǒng)中，安全保護(hù)系統(tǒng)是當(dāng)前經(jīng)常會(huì)使用的1種防護(hù)措施，盡管其在控制系統(tǒng)里進(jìn)行工作的時(shí)間并不多，頻率不高，但是優(yōu)先級(jí)較高，如果安全保護(hù)系統(tǒng)快速進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，整體控制系統(tǒng)中的其余子系統(tǒng)自身的控制功能就會(huì)自動(dòng)服從安全保護(hù)系統(tǒng)。

1 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備常見故障及措施

1.1 氣候以及地理環(huán)境影響

當(dāng)前風(fēng)電場所處位置往往是高海拔和沿海地區(qū)等一些比較偏遠(yuǎn)的區(qū)域。夏季沿海地區(qū)因?yàn)槭艿綇?qiáng)風(fēng)以及暴雨還有冬季高原地區(qū)的暴雪，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的威脅相對(duì)要大一些。情況較為嚴(yán)重的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備自身的使用壽命會(huì)受到影響。另外，這樣1種環(huán)境還會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備使用的金屬結(jié)構(gòu)件造成損壞，對(duì)其造成較為嚴(yán)重的腐蝕，使風(fēng)力發(fā)電設(shè)備整體的穩(wěn)定性受到影響[1]。安全管理以及運(yùn)維措施需要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備自身葉片和齒輪以及軸承等一些機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢查，判斷其本身是否出現(xiàn)了腐蝕或者變形等各種各樣的情況。除此之外，還需要按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身的功率輸出曲線完成對(duì)環(huán)境的判斷。由于適當(dāng)?shù)貙?duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于定期運(yùn)行檢查周期以及維護(hù)力度都會(huì)產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)風(fēng)電設(shè)備其所處在的安裝位置以及安裝環(huán)境的情況進(jìn)行檢查，挑選合適的設(shè)備以及材料，減少這些材料因?yàn)榄h(huán)境對(duì)風(fēng)電基站實(shí)際的運(yùn)行的影響。在風(fēng)力發(fā)電中選擇設(shè)備的時(shí)候，需要挑選一些具有抵御低溫和抵御壓強(qiáng)以及低壓運(yùn)行的控制設(shè)備，除此之外，還需要對(duì)葉片進(jìn)行定期的檢查和調(diào)整，還需要確認(rèn)安裝角以及漿體整定值，只有這樣才能夠得到風(fēng)力發(fā)電設(shè)備自身最為理想的運(yùn)行性能[2]。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是多個(gè)風(fēng)力發(fā)電基站中的主要機(jī)電設(shè)備，其自身的性能以及運(yùn)行維護(hù)會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電自身的電能質(zhì)量以及運(yùn)行過程中的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生影響。通常需要使用定期檢查的方式對(duì)其進(jìn)行日常維護(hù)，只有這樣才能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并且快速消除安全隱患，盡可能地降低故障發(fā)生率，使機(jī)組在線運(yùn)行的過程中除了能保障安全，還能夠提升機(jī)組運(yùn)行效率與運(yùn)行的質(zhì)量[3]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)常產(chǎn)生的故障主要包括傳動(dòng)部件出現(xiàn)較為嚴(yán)重的堵塞或者產(chǎn)生摩擦；因?yàn)殚L期使用，所以螺栓松動(dòng)或者是螺栓剪切得并不均勻；液壓系統(tǒng)存在泄漏；多種傳感器出現(xiàn)損壞或者是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不敏感等。風(fēng)電機(jī)組安全管理以及運(yùn)行維護(hù)核心是需要定期維護(hù)以及排除應(yīng)急故障。其中傳動(dòng)部件之間的潤滑卡殼和擰緊螺桿擰緊檢查等都是日常需要進(jìn)行檢查和維護(hù)的主要內(nèi)容。

定期大修的時(shí)候需要仔細(xì)地檢查風(fēng)力渦輪機(jī)中的每個(gè)部件，通過這樣的方式確認(rèn)是否出現(xiàn)了問題，同時(shí)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行更換以及修理。故障應(yīng)急維修指的是風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障的過程中，需要快速進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)問題需要及時(shí)處理[4]。首先對(duì)故障的表現(xiàn)形式進(jìn)行觀察，如電機(jī)抖動(dòng)和液壓損失等，快速地對(duì)故障原因進(jìn)行判讀，暫停維修，對(duì)于損壞部件需要及時(shí)更換，并且檢查和糾正電子控制系統(tǒng)產(chǎn)生的短路連接以及端子松脫或者是環(huán)境受到環(huán)境影響等相關(guān)情況。為了能夠快速地更換部件，易損件以及消耗品需要被保存在風(fēng)力發(fā)電基站或者是委派專業(yè)的維修人員進(jìn)行攜帶。維修保養(yǎng)工作完成后，需要及時(shí)對(duì)故障點(diǎn)以及解決方案進(jìn)行記錄，對(duì)維修現(xiàn)場進(jìn)行清理，保證設(shè)備完好，使其能夠?yàn)槿蘸箢愃乒收系奶幹锰峁?個(gè)精準(zhǔn)并可靠的處置方案。

1.3 變頻器運(yùn)行維護(hù)

風(fēng)力發(fā)電電氣控制設(shè)備屬于變頻器。其應(yīng)用的具體原理是在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與設(shè)定值不足的時(shí)候，變頻器在電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)變成直流電在基站電容中被保存，再使用交流電將其發(fā)送到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子。逆變器經(jīng)常出現(xiàn)的故障包括了過流故障和過載故障以及過電壓故障與溫度故障。因?yàn)槟孀兤鞯姆N類以及形式較多，所以故障的編碼和具體的處理方案也會(huì)出現(xiàn)較大的差異。以溫度故障診斷為例，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)冷卻風(fēng)扇停止工作后，冷卻循環(huán)泵不能得到有效控制，同時(shí)其相應(yīng)的故障代碼引起設(shè)備關(guān)閉的主要原因是逆變器自身的溫度較高。解決方案：檢查冷卻風(fēng)機(jī)葉片是否出現(xiàn)損壞，電機(jī)電源是否欠壓；檢查冷卻循環(huán)泵電機(jī)和其自身的密封性。檢查故障原因之后，及時(shí)更換新散熱器以及電機(jī)，并且可以完成對(duì)電源的冗余處理。

2 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運(yùn)維管理工作中的相關(guān)注意事項(xiàng)

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)變壓器因?yàn)樘幱诟邼穸群透邷匾约案啕}霧腐蝕等一系列的惡劣環(huán)境中，這些環(huán)境會(huì)對(duì)變壓器自身的運(yùn)行會(huì)造成非常致命的影響，容易導(dǎo)致鋼構(gòu)件產(chǎn)生腐蝕以及銹蝕的情況。變壓器在使用中可能會(huì)產(chǎn)生沉積與放電的情況，這種情況如果持續(xù)下去，就會(huì)對(duì)其外觀與質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2.1 頻發(fā)過電壓

海上風(fēng)電變壓器在實(shí)際運(yùn)行的過程中經(jīng)常會(huì)被過電壓影響，主要是運(yùn)行過電壓和短時(shí)過電壓以及雷電過電壓與超快瞬態(tài)過電壓，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的故障是超快的瞬態(tài)過電壓，這一電壓出現(xiàn)的頻率一般為100 kHz～50 MHz。該情況可能會(huì)快速出現(xiàn)電壓從而導(dǎo)致絕緣被擊穿，因此在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電變壓器設(shè)置和安裝的過程中需要考慮到極快的瞬態(tài)過電壓。

2.2 負(fù)載諧波電流

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)里添加的非線性負(fù)載主要有變頻器和發(fā)電機(jī)以及斷路器等，在其實(shí)際運(yùn)行中還可能會(huì)出現(xiàn)諧波。這部分不斷積累的諧波被持續(xù)疊加，在這種諧波本身不屬于基頻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)自身的峰值電壓以及電流出現(xiàn)增加的情況。除了發(fā)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)諧波之外，其還經(jīng)常通過PWM電壓源逆變器產(chǎn)生一些具有破壞性的諧波。風(fēng)電變壓器還會(huì)經(jīng)常受到非正弦負(fù)載電流以及諧波對(duì)其產(chǎn)生的負(fù)面影響。諧波產(chǎn)生的危害是導(dǎo)致變壓器自身的渦流損耗以及雜散損耗增加。由于繞組導(dǎo)線當(dāng)前的渦流以及循環(huán)電流會(huì)出現(xiàn)額外的電流，最終出現(xiàn)發(fā)熱的情況。因此，這部分熱量一定要使用額外設(shè)置冷卻裝置的方式去對(duì)其進(jìn)行處置，這樣可以防止絕緣過早老化以及變壓器局部過熱的問題出現(xiàn)。

2.3 負(fù)載波動(dòng)

風(fēng)速的變化說明了風(fēng)機(jī)一定要在持續(xù)轉(zhuǎn)變的負(fù)荷下運(yùn)行，變壓器還需要不斷使用冷卻以及加熱的方式去進(jìn)行循環(huán)。變壓器會(huì)受到風(fēng)力的影響，在低負(fù)荷模式下提升到高負(fù)荷的狀態(tài)。這樣的1種循環(huán)在結(jié)構(gòu)部件上會(huì)不斷地出現(xiàn)熱應(yīng)力以及機(jī)械應(yīng)力，如繞組和閥體以及夾具。不斷地進(jìn)行熱循環(huán)也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部以及外部電氣連接元件出現(xiàn)老化的問題。如果在高負(fù)荷的情況下提升，風(fēng)電變壓器的絕緣就會(huì)產(chǎn)生疲勞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失效的情況。

2.4 頻繁機(jī)械振動(dòng)

除了需要注重風(fēng)力發(fā)電變壓器自身的結(jié)構(gòu)還需要對(duì)機(jī)械共振給與關(guān)注。當(dāng)前有很多需要注意的例子，在風(fēng)荷載對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行沖擊的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)快速并且劇烈的振動(dòng)。在運(yùn)輸中產(chǎn)生的振動(dòng)和短路以及操作，假如繞組在進(jìn)行連接或者是引線接頭進(jìn)行操作出現(xiàn)不適宜的問題，可能會(huì)出現(xiàn)疲勞失效的問題。

2.5 三防處理

在對(duì)風(fēng)力發(fā)電變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇中，需要采取較為切實(shí)可行的措施，盡可能地將部件的邊角給予圓角化處置，采取這種形式使部件邊角能夠保持表面光滑，避免不平整的出現(xiàn)；盡可能地減少接縫，除此之外，還需要在縫隙中可能出現(xiàn)腐蝕的位置進(jìn)行密封并涂層；并采用科學(xué)的技術(shù)去降低產(chǎn)生的壓力，預(yù)防壓力；因?yàn)椴考菀讚p壞，所以要求對(duì)其進(jìn)行維修。如果產(chǎn)生問題，就需要立即更換挑選適合的材料，如耐蝕性強(qiáng)和避免發(fā)霉等材料；保證金屬彼此之間的絕緣性，或者同樣的金屬材料鍍?cè)诓煌牟牧仙希蛊潆娢幌嗤?；涂敷件需要選擇耐腐蝕性較為理想的合金以及不銹鋼。表面處理是當(dāng)前三防技術(shù)中的核心?？梢詫?duì)變壓器容易出現(xiàn)腐蝕的位置完成電鍍和熱噴涂以及三防漆等一系列的處理。

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)。因此一定要將安全生產(chǎn)作為發(fā)展的基礎(chǔ)，將設(shè)備安全管理以及運(yùn)行維護(hù)作為發(fā)展的重點(diǎn)，將安全隱患快速診斷以及排除作為重要的維修手段。并且，在運(yùn)行說明書中提出需要及時(shí)進(jìn)行預(yù)防控制，同時(shí)快速有效地完成相關(guān)處置，只有這樣才能夠使風(fēng)電設(shè)備保持安全在線運(yùn)行，也只有這樣才能使風(fēng)電發(fā)電以及企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)效益得到提升，最終為社會(huì)發(fā)展提供更為安全可靠的電力。

3 安全保護(hù)系統(tǒng)安全功能應(yīng)用分析

下面是風(fēng)力設(shè)備安全保護(hù)系統(tǒng)的具體實(shí)例。在風(fēng)力設(shè)備在實(shí)際進(jìn)行使用的過程中，還需要盡量將發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪在使用時(shí)的轉(zhuǎn)速控制在規(guī)定的限制值中，針對(duì)目前風(fēng)電場整體進(jìn)行設(shè)置都會(huì)給電網(wǎng)帶來不同程度的負(fù)面影響。SIL 的定性描述見表1。

4 安全保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)分析和改進(jìn)建議

穩(wěn)定的安全保護(hù)系統(tǒng)主要由3個(gè)部分共同構(gòu)成，這3個(gè)部分分別為傳感器、邏輯控制器、執(zhí)行元件。由于設(shè)計(jì)的安全保護(hù)系統(tǒng)中安裝的元件相互之間都是1種串聯(lián)關(guān)系，因此，無論是其中的哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，都會(huì)使這種安全功能失去了最初的作用。風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)1的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

表1 SIL的定性描述

圖1 風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)1 的實(shí)現(xiàn)框圖

考慮到風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)安裝的安全功能，該文針對(duì)風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)實(shí)際的需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觯赋隽诉@一安全保護(hù)系統(tǒng)自身擁有并聯(lián)的邏輯回路，并且這2個(gè)回路之間是單獨(dú)存在的。 風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)2的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)2的實(shí)現(xiàn)框圖

因此，我們可以得出結(jié)論，在改變?cè)镜谋Ｗo(hù)系統(tǒng)后，風(fēng)力渦輪機(jī)本身的超速保護(hù)安全系統(tǒng)的安全級(jí)別也得到了改善，可以升級(jí)到SIL2。

傳感器部分采用冗余配置，對(duì)于致動(dòng)器部分來說，由于工業(yè)機(jī)械和設(shè)備的價(jià)格高、體積大以及安裝復(fù)雜等，其在運(yùn)行時(shí)存在一定的缺陷，因此需要有更高可靠性的設(shè)備。邏輯控制器是整個(gè)安全保護(hù)系統(tǒng)的核心，因此更需要使用高度可靠的組件。

5 結(jié)語

該文首先對(duì)風(fēng)力設(shè)備的安全保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，其次分析了IEC61511 標(biāo)準(zhǔn)在當(dāng)前風(fēng)力設(shè)備安全保護(hù)系統(tǒng)中的有效應(yīng)用，以風(fēng)輪的超速保護(hù)功能為例，解釋了如何對(duì)安全保護(hù)系統(tǒng)里的SIF（安全功能）進(jìn)行確認(rèn)，說明了安全保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成和改進(jìn)方法，最后針對(duì)這一系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行闡述。

風(fēng)力設(shè)備控制系統(tǒng)是1個(gè)綜合性的控制系統(tǒng)。特別是針對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力設(shè)備，控制系統(tǒng)不僅需要對(duì)電網(wǎng)和風(fēng)況以及機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)還需要對(duì)于機(jī)組給予并網(wǎng)以及脫網(wǎng)的控制，通過這樣的方式使實(shí)際運(yùn)行中的安全性以及可靠性得到保障。除此之外，還要求按照風(fēng)速以及風(fēng)向上的轉(zhuǎn)變情況針對(duì)機(jī)組給予適當(dāng)?shù)膬?yōu)化控制，通過這樣的方式使機(jī)組自身的運(yùn)行效率以及發(fā)電質(zhì)量得到保障。

IEC61511標(biāo)準(zhǔn)為風(fēng)機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及轉(zhuǎn)換提供了切實(shí)可行的指導(dǎo)。按照IEC61511當(dāng)前提出的設(shè)計(jì)指南，能夠起到風(fēng)力設(shè)備的安全保護(hù)作用。持續(xù)改進(jìn)的這一過程成為了確保風(fēng)力渦輪機(jī)安全運(yùn)行的重要技術(shù)手段。在風(fēng)機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造過程中，如果只是關(guān)注傳感器、邏輯控制器、執(zhí)行器等部分是否完整是不能夠滿足安全要求的，因此，還需要針對(duì)執(zhí)行器自身的冗余去完成優(yōu)化配置，除此以外，單獨(dú)的邏輯電路仍然需要保持自身單獨(dú)的運(yùn)行，并且要對(duì)風(fēng)扇的保護(hù)功能是否合適等多個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)地考慮，使其能夠達(dá)到較為理想的保護(hù)效果，盡可能地避免安全事故的出現(xiàn)。