电动变桨距风电机组飞车原因及预控措施

全宏伟 赵凯

摘要：变桨距风电机组制动系统由一级制动和二级制动组成，一级制动是依靠顺桨实现叶轮转速的下降，经验表明空气动力学的制动系统是相当安全的制动系统。它们能够在数转之内将转子停下。而且，制动平和，没有向塔和发电设备引入高的负载或磨损;二级制动是依靠液压刹车实现的制动停机，一般手动停机、安全链短路等机组会执行级制动。风电机组先进行一级制动，当转速下降到设定范围后二次制动在动作。

当风电机组制动系统失效，叶轮转速超过允许的额定转速，且机组处于失控状态时，风机可能发生飞车事故。风电机组飞车可造成倒塔、火灾等后果，因此预防机组飞车十分必要。

关键词：变桨距风电机组;风电机组制动;风机飞车;预控措施

引言

风能是现今主要清洁能源之一，有着广泛的应用价值。截止2019年10月底，我国风电累计并网装机容量已突破2亿千瓦。但随着机组运行时间增长、设备老化、环境恶劣等因素的累积，机组出现故障、事故的情况也明显增多。其中风电机组飞车会造成风机倒塔、火灾等事故后果。因此分析风电机组飞车原因，清楚风电机组飞车后果，找到行之有效的预控措施十分必要。

一、风电机组飞车的原因

1.1风电机组控制系统失效

机组控制系统失效包括CPU控制失效和变桨控制系统断线等。CPU控制失效是指主控系统因故障无法发出停机命令，导致机组无顺桨命令在高风速下持续转动，叶轮持续增速最终导致飞车;变桨控制系统断线是指主控系统发出顺桨停机命令，但变桨控制系统由于断线等原因无法执行顺桨命令。

1.2风电机组超速模块设定值过高或超速模块损坏

超速模块主要用于监测发电机及叶轮转速，当转速超过设定值时，主控系统会命令风机顺桨停机。机组超速模块设定值过高会导致风机超设计转速运行，可能导致飞车倒塔;超速模块损坏、模块软件失效或信号感知出现问题，会导致在机组超速时主控系统不能判断故障，而引发飞车。

1.3风电机组紧急顺桨失败

机组紧急顺桨失败包括紧急变桨系统失效和变桨执行机构卡涩无法顺桨或无法顺桨到位。紧急变桨系统失效多是由于变桨蓄电池欠压、带载能力不足，无法提供顺桨动力导致;变桨执行机构卡涩多是由于变桨电机减速器、变桨大齿圈断齿、卡涩，致使桨叶无法转动，导致顺桨失败。

二、风电机组飞车对风机的损害

2.1风电机组叶片损坏

风电机组叶轮高速旋转会产生强大的离心力，当离心力超过叶片的承载能力时，会导致叶片折断，造成叶片损坏。当单支叶片折断后，会导致风电机组叶轮失去平衡，机组失去稳定，最终因叶片折断又会造成机组倒塔。

2.2 风电机组倒塔

风机机组飞车后，叶轮转速会持续上升，如果叶轮转速过高，风机塔筒应力超过其设计极限值后就会造成风电机组倒塔。

2.3风电机组火灾

风电机组超速后，超速模块会报超速信号，主控系统命令风机顺桨停机，如果风机未完成顺桨一级制动的过程，风机转速任然很高的情况下，二级制动液压刹车系统就动作，会造成刹车片与刹车盘高速摩擦，摩擦产生大量的高温熔融物，当高温熔融物遇到电缆等可燃物后会引发机组火灾。

三、防止风电机组飞车的措施

3.1提高风电机组安全设计级别

提高风电机组安全设计级别，保证主控系统控制逻辑正确、控制策略得当;监测风机各种状态信号，当监测信号或反馈信号出现异常时，立即命令风电机组顺桨停机;提高安全链安全等级，安全链是一个安全方面的传感器串连硬件电路，与控制系统相互独立（“硬件实现的”）。如果发生串连信号中的某些事故，安全链就断开，安全链的中断就会触发两个制动系统（叶片节距制动和盘式制动器）。因此安全链的设置能够确保WTGS进入安全状态。

3.2加强传感器监控和响应

将重要传感器信号接入安全链中，如将转子超速和发电机超速信号接入安全链。同时，定期对机组进行超速测试，确保软件超速保护动作正常，控制系统能将机组安全停止。确保硬件超速保护模块动作正常，可以断开安全链信号，即使在软超速完全失效情况下，变桨系统可以有效的执行紧急顺桨动作。

3.3 提高緊急变桨系统设计水平，保证紧急变桨系统安全可靠

目前部分风机厂商紧急变桨系统设计理念还比较落后，仅提供变桨蓄电池电压整体检测功能，且需要手动变桨测试，观察变桨蓄电池带载能力仅通过响应时间来判断，因此无法正确评估电池容量、和系统带载能力，提高设计理念和电池检测水平是保证紧急变桨系统随时备用的必要条件。风电机组有一个叶片顺桨就可以有效的降低风机转速，有两个叶片顺桨就能安全停机，因此有必要将机组变桨系统设置为独立变桨系统，变桨蓄电池及充电检测系统设置为独立电池检测系统，在线实时监测每一块变桨蓄电池的电压及带载能力，保证紧急变桨系统安全可靠。同时要加强变桨电机、变桨减速器、变桨大齿圈等变桨执行机构的维护，保证变桨顺畅、无卡顿现象。

以GE1.5MW风电机组为例，该机型设计为独立变桨系统，三支叶片根部设置电池柜及变桨轴柜，每个电池柜内设置4枚变桨蓄电池，每个蓄电池配置一块蓄电池充电板卡，用于蓄电池充电及电池电流、电压、带载能力等重要参数的在线监测。置于轴柜的AEPA控制板卡每30分钟对电池进行一次自检，通过将负载电阻器短暂接到蓄电池上，测量蓄电池放电响应。风机PLC每400小时进行一次电池测试，每个桨叶单独执行，将桨距由0°调整为90°，PLC测量位置角随时间的变化。同时，GE机组将重要信号串入安全链中，当信号或反馈中断，安全链中断导致风机紧急顺桨停机，保证机组安全。

四、风电机组飞车后应采取的有效措施

4.1手动变桨使风电机组顺桨停机

通过塔底或远程手动变桨模式对风电机组桨叶进行手动回桨，如手动变桨成功，风机叶轮转速随之降低。

4.2断开UPS及轮毂400V电源，让风机紧急顺桨

有些机型可以通过断开UPS电压和轮毂400V电源让风机失去主控电源，将叶片顺桨的工作完全交给蓄电池，激发风机紧急顺桨功能。但此时要注意，一定要保证风机紧急顺桨功能能够正常执行，变桨蓄电池带载能力满足要求，否则风机不仅不能紧急顺桨还会失去控制电源，造成严重后果。

4.3保证机组在网运行，防止脱网

禁止人为使风电机组脱网，风电机组脱网失电后，发电机失去反向电磁扭矩，无反向电磁扭矩的限制风机叶轮转速将持续上升。

4.4手动偏航使风机偏离主风向

当手动变桨无效时可以尝试手动偏航使风机叶轮偏离主风向，降低叶片升力，从而降低叶轮转速。但因风机手动偏航也由PLC发控制信号且偏航设置保护等功能，当机组飞车后机组偏航系统多数无法手动控制，因此可以通过偏航技改，设置备用偏航系统，使用最直接的方法，在特殊情况下将控制电源和动力电源直接供给偏航电机，不经过控制和保护等元件，使偏航电机刹车松开，使偏航电机带电动作，保证风机能够顺利偏航。

五、结 语

正确预控和处理风电机组飞车可以避免风机叶片损坏、风机倒塔、风机火灾等事故的发生，在机组发生飞车后通过手动变桨和手动偏航是最有效的降低叶轮转速的手段，但手动变桨多数情况无法正常控制，所以手动偏航是控制风机飞车最行之有效的方式，因此对风电机组偏航进行备用系统技改对防范机组飞车十分必要。

参考文献：

[1]GE Energy ESS 1.5 MW Wind Turbine Pitch Control System GEI-100735 .

[2]GE Pitch：Introduction to GE Controls 1.5 MW wind turbine pitch control system.

[3]徐宏，胡廣顺.电动变桨距风机飞车的原因分析及预防[J].自动化应用，2012（01）：65-66.

[4]唐中伟，王明军.双馈风电机组转速控制与失控分析[J].风能，2019（07）：70-73.

[5]高原生，王明军.系列风电机组事故分析及防范措施（二）——因顺桨控制故障引发的飞车事故[J].风能，2016（08）：40-43.

作者简介：

全宏伟（1986），男，内蒙古呼伦贝尔人，大学本科，安全专责，主要从事安全管理及风电机组检修维护工作。

赵凯（1988），男，辽宁朝阳人，大学本科，安全专责，主要从事安全管理及风电机组检修维护工作。