风力发电机组运行安全分析与控制措施

梁 宏

（新疆金风科技股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026）

由于风电机组所处的工作环境恶劣，风电技术还在发展完善，一些机组运行质量不稳定，在运行过程中因停电、故障、技术缺陷、安装质量等造成风电事故不断增加，尤其近几年陆续出现风机倒塌、机舱着火、人员触电、机组大面积脱网等事故，成为风电发展的隐患。

我国风力发电经过这些年的快速增长，正逐步向稳定发展转变。在这样的发展阶段，全方位分析风电机组运行安全，有效防范可能发生的各种风险，采取必要的控制措施，不断提高风力发电机组运行安全是十分必要的。

1 风力发电机组运行相关介绍

风力发电机组运行原理是风机通过主动对风方式，使叶轮始终处于迎风状态，吸收风能并转化为机械能，驱动发电机旋转从而将机械能转换成电能，最终经变压器并入电网，完成向电网输送电能的任务。

并网运行已成为风力发电机组的主要运行方式。为了保证输出电能频率恒定，并网型风电机组主要采用恒速恒频和变速恒频这两种控制方式。过去，风力发电多采用恒速恒频技术。随着风电技术的发展，为了提高风能转换效率，应用变桨距技术使叶轮的转速能够跟随风速变化，通过变流技术实现对发电机的转矩控制，从而保证输出电能频率恒定。变速恒频成为目前风力发电机组并网运行的主要控制方式。

2 风力发电机组运行安全分析

由于风力发电机组长期在野外运行，工作条件恶劣，自然界的风能不受人为控制，有些风区极端风速可达50m/s以上，风机运行过程承受着各种复杂载荷，外界条件的变化随时威胁着风机运行安全。为了增强风机承载能力，风机制造所选用的材料一般都经过大量的性能实验和疲劳实验然后进行筛选确定，金属结构件选用耐高温、抗低温、耐腐蚀、耐冲击等机械性能优良的材料，材料的使用寿命超过20年。在结构设计方面，也采用加强结构。

风力发电机组是全天候自动运行的设备，整个运行过程都处于自动控制中，电控系统要能够满足风力发电机组无人值守、自动运行、状态监测的要求。当前风力发电机组的控制系统以可编程控制器为核心，控制系统由PLC、传感器、控制器以及各种执行机构组成。传感信号表明了机组运行状态，当各项指标发生变化时，经过PLC处理，由控制器发出指令完成各项控制功能。因此，控制系统的功能及其可靠性直接影响着风力发电机组的运行安全。

除了利用风机电控系统来实现各项控制功能从而保证风机安全运行以外，目前多数机组采用了一套独立于常规运行控制系统的安全链保护系统。安全链保护系统采用单回路结构，所有重要监测点组成一个单回路。当机组发生超常振动、过速、扭缆、变桨超限、电网异常、出现极限风速等任何一个故障时，该回路断开，即安全链断开，风机立即紧急停机，从而保证机组的安全。

在风机运行控制策略方面，变桨距控制技术通过变桨功能可以有效降低机组运行承受的载荷，在机组停机时自动调整桨叶角至最大桨叶角位置，使风机处于安全位置。在制动系统中，采用三套独立的叶片变桨机构，当风机运行遇到极端情况，通过紧急顺桨使叶片回到最大桨叶角，实现气动刹车功能。由于风机在静态时所受到的载荷要远远小于动态载荷，因此，通过变桨和气动刹车使风机停止运行，实现机组安全保护。

风机在运行过程中受到风力和传动系统引起的振动对运行安全是有影响的。目前的风机叶片都增加了结构阻尼，这样能够有效消除叶片在高风速下运行时的有害摆振。在风机设计上通过模态分析，使机组的转速、叶片、塔架、传动链固有频率分开，通过控制加阻的方法，降低机组的振动。在风机的机舱里安装有振动传感器，当检测到机组振幅超过限定值时，风机立刻报警停机。在自动偏航系统中，偏航制动器加有部分刹车载荷，使得偏航过程始终有阻尼存在，这样能够保证机舱偏航时平稳转动。

在风电场利用远程监测监视系统，可以记录风电场所有机组的详细情况，及时掌握风机运行状态。当机组出现故障报警时，可以提醒运维护人员及时处理，并实现远程停机，从而能够及时对机组做出安全保护。

3 针对机组运行安全采取的控制措施

虽然风力发电机组在设计、材料选用、电气控制等方面对运行安全有了较为全面的考虑，但是机组事故却依然发生，因此采取相应的安全控制措施是十分必要的。

3.1 设备巡视检查和定期检修。风电机组运行过程中控制系统能否可靠实现各项控制功能，依赖于组成控制系统的软、硬件是否状态良好。因此，经常性地对个体软件、硬件保护措施进行检查，正确设定各项技术参数，及时消除设备隐患，是安全风险预防的重要措施。另外，做好定期检修工作，如定期润滑、连接件定期紧固，实施主动预防检修措施，在巡查和检修作业时遵守安全操作规程，才能保证人员安全和风机运行安全。

3.2 风机安装质量控制。在风电场建设期间，对风机安装紧固件力矩值进行控制，特别是对组成风机的各部件连接、电气线缆接头紧固力矩严格检查，这对于风机投产后确保不发生倒塌事故、杜绝线路虚接而引发火灾事故将是十分必要的措施。

3.3 做好风机运行数据监测分析工作。数据监测包括温度监测、转速监测、功率监测、电网数据监测等等。通过对异常数据如发电机绕组温度、控制柜温度、机舱温度、叶轮转速、三相电压、电流、频率、功率等信息分析，可以提早判断机组运行状况。同时，机组运行参数和报警信息可以即时传输给主控制器，主控制器可以远程操控实现安全控制。

3.4 对特殊危险情况采取措施。气候变化，雷雨闪电会对机组安全造成威胁，做好雷电接受和传导系统、过电压保护和等电位连接等防护措施，经常检查接地系统是否良好是防范雷击事件的重要措施。尽管机组有雷电防护装置，但是仍然会有雷击的危险，在雷暴天气时人员不可接近或触摸风机。其次，风机运行时会遇到风速超过其安全工作范围的情况，如果风机过速，功率过发，会对机组的安全运行会产生威胁。在这种情况下要通过远程控制使机组停机，而且人员不得靠近风机。第三，在寒冷和潮湿环境中如果风机停机时间过长，叶片上会有结冰。因此再次启动风机前，必须对绝缘设施进行检查，合格后才允许启机。为了防止叶片上的冰块掉下来伤人，人员不要停留在叶片旋转面下方。

3.5 加强风电场运维管理。有些风电场发生风机安全事故，从表面上看是由于风机疏于维护造成的，但从深层次分析，是风电场对于维护计划、制度执行不力，管理缺失。风电机组是动态运行的设备，加强运维管理及时消除隐患，才能保证机组运行正常。

3.6 采取积极地消防措施。由于电气故障、机械故障和雷击等原因，可能引发风电火灾事故。目前许多风电场在风机机舱和塔筒平台上配置了灭火气，这只是相对简单的消防措施。在机组无人值守的条件下，对容易引起火灾的关键点采取探测预警和实施主动灭火，才能有效控制火灾发生。目前国内已经开始对风电火灾防护方面进行研究，应用自动消防系统，改变被动消防的做法。通过温感、烟感以及早期烟雾探测器和空气采样探测器等设备对保护区域进行信号采集，将检测信号送到消防控制器，实现报警功能和启动相应介质实施灭火，这种措施应当积极推广。

4 结束语

我国风力发电在发展过程也暴露了运行安全问题，其中一个问题是当电网故障、闪变或风机发生故障时，机组往往会自动切除进行自我保护，这样同时也加大了电网故障并影响电网安全运行。随着风机生产制造技术的进步和智能电网的开发应用，认真做好风机运行安全与控制措施课题研究，积极开发适用于中国特点的先进风电机组，向经济优化控制方向发展，必将会使风电运行控制能力得到显著提高。

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