華電電力科學(xué)研究院有限公司 王照福 盧成志 柳振東 崔 光

隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組倒塔事故時(shí)有發(fā)生，給風(fēng)電制造商，運(yùn)營(yíng)商及相關(guān)各方帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至嚴(yán)重的人身傷亡事故，嚴(yán)重影響行業(yè)發(fā)展。其中倒塔的大部分原因是由于風(fēng)電機(jī)組因超速而導(dǎo)致飛車(chē)倒塔事故，若風(fēng)機(jī)具備超速手/自動(dòng)偏航功能，則有很大機(jī)會(huì)可以避免事故的發(fā)生[1]。

為使風(fēng)電機(jī)組葉輪正常工作時(shí)保持正對(duì)來(lái)風(fēng)的方向，以充分利用風(fēng)能，風(fēng)電機(jī)組都具有偏航系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)葉輪朝向及時(shí)跟蹤風(fēng)向的變化，最大限度地捕獲風(fēng)能[2]。偏航系統(tǒng)可調(diào)整風(fēng)電機(jī)組葉輪與風(fēng)向的夾角，夾角增大時(shí)風(fēng)電機(jī)組葉輪吸收的風(fēng)能減小，當(dāng)夾角達(dá)到90度時(shí)風(fēng)電機(jī)組葉輪吸收的風(fēng)能無(wú)法驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。目前大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組在“安全鏈”斷開(kāi)情況下不能啟動(dòng)偏航系統(tǒng)，出現(xiàn)緊急情況時(shí)無(wú)法依靠偏航系統(tǒng)動(dòng)作使風(fēng)電機(jī)組“側(cè)風(fēng)”保護(hù)，避免風(fēng)電機(jī)組飛車(chē)[3-5]。改造應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：超速信號(hào)采用主機(jī)超速開(kāi)關(guān)外擴(kuò)繼電器方案接入獨(dú)立偏航PLC；建議在風(fēng)電場(chǎng)中控室做一個(gè)單獨(dú)畫(huà)面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程應(yīng)急偏航的監(jiān)控。

1 偏航系統(tǒng)現(xiàn)狀

緊急偏航模式啟動(dòng)和停止條件：滿(mǎn)足觸發(fā)條件的風(fēng)電機(jī)組可自動(dòng)進(jìn)入緊急偏航模式，自動(dòng)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：?jiǎn)?dòng)條件。持續(xù)超速時(shí)間超過(guò)t：?jiǎn)?dòng)參考時(shí)間（根據(jù)不同機(jī)型調(diào)整時(shí)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(kāi)但葉輪轉(zhuǎn)速不下降（120s 后葉輪轉(zhuǎn)速大于2r/min）。停止條件：機(jī)艙方向與主風(fēng)向夾角達(dá)到90°；偏航運(yùn)行時(shí)間t 秒（90/偏航速率），根據(jù)不同機(jī)型確定時(shí)間；葉輪轉(zhuǎn)速下降到預(yù)設(shè)值。

偏航電機(jī)啟動(dòng)方式：直接啟動(dòng)方案。接觸器直接與偏航電機(jī)相連，控制器通過(guò)控制接觸器線圈的吸合實(shí)現(xiàn)偏航啟停的控制；通過(guò)軟啟器啟動(dòng)偏航電機(jī)。為限制偏航電機(jī)啟動(dòng)電流和沖擊負(fù)載，設(shè)置偏航電機(jī)軟啟動(dòng)器，通過(guò)逐步增加電壓實(shí)現(xiàn)緩慢啟動(dòng)偏航電機(jī)的效果；通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)偏航。變頻器實(shí)現(xiàn)一拖多的方式啟動(dòng)機(jī)組偏航。

2 應(yīng)急偏航方案

2.1 增加獨(dú)立PLC 方案

本方案增加一套完全獨(dú)立于機(jī)組主控和機(jī)組安全鏈的帶遠(yuǎn)程控制功能的安全保護(hù)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)組過(guò)速情況下，機(jī)組的手/自動(dòng)應(yīng)急偏航功能。方案原理如下：

圖1 獨(dú)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(dòng)偏航葉輪轉(zhuǎn)速信號(hào)。優(yōu)先采用在葉輪法蘭盤(pán)處安裝葉輪轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)裝置，也可考慮將原有轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)并聯(lián)接入獨(dú)立偏航PLC 高速計(jì)數(shù)器端子或原有轉(zhuǎn)速4～20mA 信號(hào)經(jīng)信號(hào)分配器分路后接入獨(dú)立偏航PLC 模擬量輸入端口；緊急自動(dòng)偏航啟動(dòng)條件。緊急自動(dòng)偏航PLC 接收來(lái)自于風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速1信號(hào)和來(lái)自可編程轉(zhuǎn)速監(jiān)控器的風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速2信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)速1和轉(zhuǎn)速2的絕對(duì)值和差值判斷機(jī)組狀態(tài)，根據(jù)預(yù)設(shè)的自動(dòng)偏航啟動(dòng)條件啟動(dòng)偏航系統(tǒng)；判斷緊急自動(dòng)偏航方向。將機(jī)組風(fēng)向信號(hào)發(fā)送給緊急自動(dòng)偏航PLC，根據(jù)錯(cuò)風(fēng)方向選擇偏航方向。

緊急偏航。通過(guò)緊急自動(dòng)偏航PLC，打開(kāi)偏航電機(jī)剎車(chē)和半釋放液壓偏航剎車(chē)壓力后，根據(jù)偏航電機(jī)不同啟動(dòng)方式將緊急偏航信號(hào)并接到主控啟動(dòng)偏航啟動(dòng)接點(diǎn)處；新增機(jī)艙到塔底控制電纜，塔底增加緊急手動(dòng)偏航動(dòng)作按鈕，可直接通過(guò)按鈕控制機(jī)艙手動(dòng)偏航；緊急自動(dòng)偏航停止條件。當(dāng)機(jī)艙與風(fēng)向成90度角或葉輪轉(zhuǎn)速下降至安全轉(zhuǎn)速時(shí)停止偏航；在風(fēng)電場(chǎng)升壓站上位機(jī)增加遠(yuǎn)程控制緊急偏航指令，增加關(guān)于緊急自動(dòng)偏航相關(guān)輔助功能，如緊急自動(dòng)偏航啟動(dòng)提示、遠(yuǎn)程偏航角度、緊急自動(dòng)偏航系統(tǒng)自檢等。

2.2 利用風(fēng)電機(jī)組主控PLC 控制方案

風(fēng)機(jī)PLC 監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速和槳葉角度等信號(hào)，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定值后或槳葉未正?；貥獣r(shí)，PLC 應(yīng)控制啟動(dòng)自動(dòng)側(cè)風(fēng)偏航保護(hù)；在PLC 正常運(yùn)行情況下，當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生超速或葉片不能正?；貥ò踩湐嚅_(kāi)情況下），應(yīng)具備在塔基和中控室遠(yuǎn)程手動(dòng)控制風(fēng)電機(jī)組偏航功能。

2.3 純硬件手動(dòng)方案

該方案增加一套完全獨(dú)立于機(jī)組主控和機(jī)組安全鏈的純硬件安全保護(hù)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)組過(guò)速情況下機(jī)組的手動(dòng)應(yīng)急偏航90度功能。方案原理如下：

新增塔基柜時(shí)間繼電器，通過(guò)電纜控制機(jī)艙柜液壓站半釋放、電磁松閘、定向偏航。當(dāng)PLC 死機(jī)或通訊中斷情況下，在塔底手動(dòng)拍下S1緊急偏航按鈕使偏航控制系統(tǒng)得電，實(shí)現(xiàn)輸出偏航指令；航啟停的邏輯流程：?jiǎn)?dòng)。釋放偏航液壓剎車(chē)，等待1秒釋放偏航電機(jī)剎車(chē)，等待1秒啟動(dòng)電機(jī)。停止。停止電機(jī)，等待1秒，偏航電機(jī)剎車(chē)抱閘，等待1秒，偏航液壓剎車(chē)抱閘；整改方案實(shí)現(xiàn)偏航的操作步驟：偏航啟動(dòng)為手動(dòng)拍下S1緊急偏航按鈕，側(cè)風(fēng)90度偏航停止。為避免緊急情況下誤操作，線路設(shè)計(jì)考慮了偏航啟動(dòng)過(guò)程邏輯順序，只有釋放偏航液壓剎車(chē)（閉合KT1）才能釋放偏航電機(jī)剎車(chē)（閉合KT2），當(dāng)完成以上兩步后才能啟動(dòng)偏航電機(jī)，進(jìn)而避免誤操作。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本次測(cè)試的樣機(jī)機(jī)型配置為SL1500/77機(jī)型、ABB PLC+VACON 偏航變頻器+KEB 變槳系統(tǒng)。測(cè)試版程序?qū)⑷~輪超速觸發(fā)轉(zhuǎn)速降低至正常值的1/3（約為700rpm/min），機(jī)組機(jī)艙對(duì)風(fēng)后啟動(dòng)變槳系統(tǒng)，使輪轂轉(zhuǎn)速穩(wěn)步上升，達(dá)到觸發(fā)條件后機(jī)組開(kāi)始強(qiáng)制偏航動(dòng)作，機(jī)艙偏航至與風(fēng)夾角超過(guò)90°后自動(dòng)停止，全過(guò)程約9min。

圖3中紅線位置為強(qiáng)制偏航觸發(fā)點(diǎn)，該時(shí)刻輪轂轉(zhuǎn)速為729.5rpm/min，機(jī)艙與風(fēng)夾角為-0.3°；紫線位置輪轂轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，該時(shí)刻輪轂轉(zhuǎn)速為773.5rpm/min、機(jī)艙與風(fēng)夾角為-10.4°，該位置距強(qiáng)制偏航觸發(fā)時(shí)間10.5s；藍(lán)線位置強(qiáng)制偏航系統(tǒng)停止，該時(shí)刻輪轂轉(zhuǎn)速為78rpm/min、機(jī)艙與風(fēng)夾角為-97.6°；綠線位置輪轂轉(zhuǎn)速降低至0rpm/min、機(jī)艙與風(fēng)夾角為-101.1°，該位置距強(qiáng)制偏航停止時(shí)間為46s。由圖3測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在強(qiáng)制偏航觸發(fā)10s后輪轂轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，初始下降速度較緩慢，機(jī)艙與風(fēng)夾角達(dá)到一定值后轉(zhuǎn)速下降明顯，強(qiáng)制偏航系統(tǒng)停止后輪轂可降低至停機(jī)的正常轉(zhuǎn)速。

圖3 樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

綜上，偏航系統(tǒng)在輪轂超速后觸發(fā)，短時(shí)間內(nèi)將機(jī)組轉(zhuǎn)速降低至安全范圍，來(lái)保障風(fēng)電機(jī)組安全；系統(tǒng)可采用獨(dú)立自動(dòng)偏航PLC 方案，可獨(dú)立于風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)，可靠性高；系統(tǒng)可采用一套完全獨(dú)立于機(jī)組主控和機(jī)組安全鏈的純硬件安全保護(hù)系統(tǒng)，在風(fēng)機(jī)超速時(shí)實(shí)現(xiàn)偏航保護(hù)。但由于應(yīng)急偏航不能判別偏航方向，系統(tǒng)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。