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兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全策略

文檔作者：楚崢楊宏坤劉吉輝文檔來源：上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月06日
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第30卷第1期
2009年1月
能源技術(shù)
ENERGY TECHNOLOGY
Vo1．3O No．1
Jar． 2009
兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全策略
楚崢。楊宏坤，劉吉輝
(上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海200241)
摘要：從GL標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全系統(tǒng)的要求入手，提出了一套兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全策略，包
括整體安全策略和安全相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)策略，并深入描述了安全鏈的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；安全策略；兆瓦級(jí)；安全系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1005—7439(2009)01—0019—02
Safety Scheme of M egawatt W ind Turbine
CHU Zheng，YANG Hong-kun。LIU Ji-hui
(Shanghai Electric Wind Co．。Ltd，Shanghai 200241，China)
隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組的
結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制策略越來越復(fù)雜，對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行
的安全提出的要求也越來越高的，所以在大型風(fēng)力
發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，安全策略尤為重要。
風(fēng)電機(jī)組的安全系統(tǒng)包括控制器、監(jiān)控裝置、執(zhí)
行機(jī)構(gòu)、保護(hù)裝置等子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)相互配合保
障風(fēng)電機(jī)組在各種條件下都能遵循安全策略，執(zhí)行
相應(yīng)的安全保護(hù)動(dòng)作。本文從安全策略的標(biāo)準(zhǔn)要求
人手，詳細(xì)闡述一套兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全策略
的設(shè)計(jì)方案，目的是與風(fēng)電控制領(lǐng)域的同行探討。
1 安全策略描述
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)的策略包含兩個(gè)部分：
控制策略和安全策略。控制策略主要負(fù)責(zé)風(fēng)機(jī)的運(yùn)
行控制；安全策略的主要作用是當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，
能夠保障風(fēng)機(jī)進(jìn)入安全狀態(tài)，不會(huì)造成風(fēng)機(jī)事故或
人身傷害。
GL標(biāo)準(zhǔn)中列出了主要與安全相關(guān)的參數(shù)和運(yùn)
行控制參數(shù)，并描述了安全與控制系統(tǒng)的相互關(guān)系。
如圖l所示。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的策略設(shè)計(jì)，要求當(dāng)控制
系統(tǒng)一旦失效不能把風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)控制在正常的范
圍之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)必須能夠保障風(fēng)機(jī)進(jìn)入安全的狀態(tài)。
2 機(jī)組總體安全策略
在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)中，安全保護(hù)主
機(jī)
械
部
件
故
障
控制系統(tǒng) 安全系統(tǒng)
剎車系統(tǒng)2 卜_J i 離網(wǎng) l 剎車系統(tǒng)I
圖1 安全與控制系統(tǒng)的關(guān)系
要分為軟件保護(hù)和硬件保護(hù)。軟件保護(hù)主要是在控
制程序中設(shè)置參數(shù)的限定值，一旦監(jiān)測裝置檢測到
運(yùn)行參數(shù)超過限定值，就會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)級(jí)別的制動(dòng)程
序，同時(shí)報(bào)出故障，以保障風(fēng)機(jī)的安全。一旦控制系
統(tǒng)失效，硬件保護(hù)作為冗余保護(hù)也會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的制
動(dòng)程序，使風(fēng)機(jī)進(jìn)入安全狀態(tài)。故障處理程序流程
見圖2。
兆瓦級(jí)控制系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)運(yùn)行主要分為8種運(yùn)行
狀態(tài)：① 準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)；② 正常運(yùn)行狀態(tài)；③ 正常
停機(jī)狀態(tài)1；④ 正常停機(jī)狀態(tài)2；⑤ 正常停機(jī)狀態(tài)
3；⑥ 緊急停機(jī)狀態(tài)1；⑦ 緊急停機(jī)狀態(tài)2和⑧維護(hù)
狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)故障的不同安全級(jí)別，設(shè)置了
5個(gè)停機(jī)程序來保障風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全，即正常停
機(jī)程序1，正常停機(jī)程序2，正常停機(jī)程序3，緊急停
轉(zhuǎn)速
電功率
風(fēng)速
電網(wǎng)故障
發(fā)電機(jī)溫度
楚崢等：兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全策略
緊急停機(jī)2
程序
緊急停機(jī)1
程序
緊急停機(jī)狀態(tài)2 I I緊急停機(jī)狀態(tài)l
正常停機(jī)3
程序
正常停機(jī)2
程序
l 正常停機(jī) l l 正常停機(jī)
I 查 ．1 【 查
圖2 故障處理程序流程圖
機(jī)程序1和緊急停機(jī)程序2。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)超
過(或低于)限定值不符合設(shè)置的要求時(shí)就會(huì)觸發(fā)相
應(yīng)的制動(dòng)程序，讓風(fēng)機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的停機(jī)狀態(tài)，各種停
機(jī)狀態(tài)需要相應(yīng)的復(fù)位程序復(fù)位。
制動(dòng)程序通過剎車系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)：變槳系統(tǒng)是風(fēng)
機(jī)的主剎車系統(tǒng)，每個(gè)葉片具有獨(dú)立的電變槳控制，
各自備有蓄電池以防控制系統(tǒng)失效或系統(tǒng)掉電時(shí)無
法動(dòng)作；機(jī)械剎車是風(fēng)機(jī)的輔助剎車系統(tǒng)，安裝在驅(qū)
動(dòng)鏈的高速軸側(cè)，當(dāng)主剎車系統(tǒng)失效或緊急停機(jī)時(shí)
才起作用。
風(fēng)機(jī)控制器由不同的模塊組成，不同功能的模
塊分布在機(jī)艙和塔底控制器中，模塊之間通過一個(gè)
總線系統(tǒng)進(jìn)行通訊，總線系統(tǒng)不停地監(jiān)測風(fēng)機(jī)各部
分的檢測信號(hào)是否有故障；另外，控制器內(nèi)部程序中
寫入看門狗程序，用于檢查控制器內(nèi)部出錯(cuò)的情況。
風(fēng)機(jī)控制器與UPS連接，在電網(wǎng)掉電后，UPS
能讓控制器繼續(xù)工作1 h以上，確保內(nèi)部數(shù)據(jù)的
安全。
3 與安全相關(guān)信號(hào)的策略
為了確保機(jī)組的安全，所有與安全相關(guān)的傳感
器以及保障風(fēng)機(jī)無故障運(yùn)行所必須的傳感器通常至
少要配兩套保持冗余，運(yùn)行中采用了通過比較兩套
傳感器信號(hào)的一致性確定系統(tǒng)狀態(tài)的對(duì)策；如果兩
套傳感器的信號(hào)被控制系統(tǒng)判定為正常，那么這兩
個(gè)信號(hào)的平均值將被用于控制，如果檢測出兩套傳
感器的信號(hào)不一致，那么系統(tǒng)會(huì)通過控制器的判斷
程序來辨識(shí)正確的傳感器信號(hào)；一旦無法辨識(shí)系統(tǒng)
將啟動(dòng)相應(yīng)程序報(bào)出故障并讓風(fēng)機(jī)停機(jī)。
3。1 轉(zhuǎn)速
在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中主控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)輪和發(fā)電
· 20 ·
機(jī)兩個(gè)測速信號(hào)實(shí)現(xiàn)冗余和信號(hào)檢查：風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速
通過安裝在電氣滑環(huán)后端的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器來測
量，所測得的信號(hào)直接輸入到主控制器；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速
通過安裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后端的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器來
測量，所測得的信號(hào)輸入到變頻器控制系統(tǒng)用于實(shí)
現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的控制，同時(shí)變頻器控制系統(tǒng)又將該轉(zhuǎn)
速信號(hào)通過總線通訊的方式傳輸給主控制系統(tǒng)。在
控制軟件程序中設(shè)置超速保護(hù)的限定值，當(dāng)轉(zhuǎn)速超
過這個(gè)限定值時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行緊急停機(jī)程序1，同時(shí)安
全鏈斷開，進(jìn)人緊急停機(jī)1狀態(tài)。
3．2 功率
風(fēng)電機(jī)組中主控制系統(tǒng)通過電壓互感器和電流
互感器信號(hào)來獲取發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)輸出的電壓、電流，并
通過計(jì)算得出當(dāng)前的功率；控制軟件程序中設(shè)置了
過功率保護(hù)的限定值，當(dāng)發(fā)電機(jī)的當(dāng)前功率超過這
個(gè)限定值時(shí)，控制系統(tǒng)立即執(zhí)行緊急停機(jī)程序1，同
時(shí)安全鏈斷開，進(jìn)入緊急停機(jī)l狀態(tài)。
3．3 短路
兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)控制由變頻器實(shí)現(xiàn)，并
網(wǎng)控制所采用的空氣式開關(guān)集并網(wǎng)開關(guān)控制和短路
保護(hù)于一身；當(dāng)電力線路發(fā)生短路時(shí)并網(wǎng)開關(guān)跳開，
連接在安全鏈系統(tǒng)中的輔助開關(guān)同時(shí)跳開使安全鏈
斷開，系統(tǒng)執(zhí)行緊急停機(jī)程序1，進(jìn)人緊急停機(jī)1
狀態(tài)。
3．4 振動(dòng)
兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)通過安裝在聯(lián)軸器
下方的加速度傳感器來測量風(fēng)力機(jī)當(dāng)前的振動(dòng)加速
度值，控制程序中設(shè)置了加速度的允許值(不同風(fēng)速
的情況下，對(duì)應(yīng)不同的振動(dòng)加速度限定值)，一旦傳
感器測定到的振動(dòng)加速度值(X方向或Y方向)超
(下轉(zhuǎn)第23頁)
孟豐平等：層燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料引起的事故分析
置將不能適應(yīng)生物質(zhì)燃料燃燒要求，從而產(chǎn)生各種
不良后果。DZL型層燃煤鍋爐運(yùn)行時(shí)，后管板經(jīng)歷
著高溫?zé)煔獾妮椛?、?duì)流和熱傳導(dǎo)的復(fù)雜過程；改燒
生物質(zhì)燃料后爐膛出口煙溫更高、后管板部位輻射
換熱更強(qiáng)，加上煙氣流量增加流速變快，后管板煙管
部位對(duì)流換熱強(qiáng)化，后管板的熱交換就會(huì)過強(qiáng)，溫度
就會(huì)過高。如果鍋爐本身還存在質(zhì)量問題，例如鍋
爐制造(或修理)時(shí)焊接煙管未經(jīng)預(yù)脹，與管板管孔
間隙過大，焊接質(zhì)量較差焊接殘余應(yīng)力過大，那么一
旦水處理不良受壓部件水側(cè)就會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢等缺陷，
引起鍋爐后管板高溫側(cè)超溫而產(chǎn)生滲漏事故。
為了避免DZL型層燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料
后頻繁產(chǎn)生事故，鍋爐的改造可增加爐膛容積，考慮
設(shè)置前置燃燒室或者在爐膛內(nèi)增加輻射受熱面和對(duì)
流受熱面，還可以減小爐膛出口的喉口面積，在出口
部位裝設(shè)向前吹的二次風(fēng)，增加燃料在爐內(nèi)的停留
時(shí)間，加強(qiáng)擾動(dòng)使焦炭燃盡；另外還應(yīng)當(dāng)減小鼓風(fēng)
量、防止鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行。
上述是筆者對(duì)DZL型層燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)
燃料的一些建議，要從根本上解決問題，還是要針對(duì)
生物質(zhì)燃料的特性，開發(fā)適應(yīng)各類生物質(zhì)燃料的專
用鍋爐，以實(shí)際行動(dòng)貫徹國家節(jié)能減排政策。
參考文獻(xiàn)：
E1] 金定安，曹子棟，俞建洪．工業(yè)鍋爐原理[M]．西安：西
安交通大學(xué)出版社，
出爾 ；喬 !； ! 筇 喬 !； ’ 喬 不 爾 ! 爾 !；筇 铞 ；不 矯 !；不 矯 ；： ；： ； {!矯 ；不{!；： !；筇 !；筇 !； {!；爾 !； {!矯 ! 筇{!；： !； ；： ；； {!矯 !≈ {!； ： {!：爾 ：： {!； !；
(上接第2O頁)
過限定值，系統(tǒng)立即執(zhí)行緊急停機(jī)程序1，同時(shí)安全
鏈斷開，進(jìn)入緊急停機(jī)l狀態(tài)。
3．5 扭纜
兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)的偏航位置通過絕對(duì)值
編碼器測量，一旦偏航裝置的扭纜達(dá)到2圈，編碼器
會(huì)觸發(fā)一個(gè)2級(jí)故障的程序，在風(fēng)速小于自動(dòng)解纜
的設(shè)定風(fēng)速時(shí)進(jìn)入正常停機(jī)1狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)解纜；
如果扭纜進(jìn)一步達(dá)到2．5圈，則編碼器觸發(fā)一個(gè)3
級(jí)故障，進(jìn)入正常停機(jī)2狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)解纜；如果扭
纜達(dá)到3圈，扭纜限位開關(guān)把連接在安全鏈系統(tǒng)中
安全鏈斷開，觸發(fā)一個(gè)5級(jí)故障進(jìn)入緊急停機(jī)l
狀態(tài)。
3．6 急停按鈕
緊急停機(jī)按鈕安裝在風(fēng)機(jī)的不同位置，包括機(jī)
艙內(nèi)兩個(gè)和塔底一個(gè)，在緊急情況下操作人員只要
按下其中一個(gè)，就可以觸發(fā)一個(gè)6級(jí)故障斷開安全
鏈，使兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)入緊急停機(jī)2狀態(tài)。
3．7 控制系統(tǒng)失效
控制系統(tǒng)內(nèi)部通過看門狗程序循環(huán)檢測，一旦
發(fā)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)有錯(cuò)誤，就會(huì)控制連接在安全鏈中的
常閉開關(guān)斷開進(jìn)入緊急停機(jī)1狀態(tài)。
4 安全鏈的設(shè)計(jì)
兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組安全鏈的設(shè)計(jì)采用失效一安全
控制模式，這種控制模式的運(yùn)行獨(dú)立于運(yùn)行控制系
統(tǒng)的硬件線路保護(hù)系統(tǒng)，所有為觸發(fā)緊急停機(jī)1或
緊急停機(jī)2的觸點(diǎn)都是串聯(lián)的。安全鏈中的觸點(diǎn)包
括了風(fēng)輪過速模塊的觸點(diǎn)開關(guān)、變頻器系統(tǒng)失效／短
路保護(hù)觸點(diǎn)、振動(dòng)開關(guān)、扭纜限位開關(guān)、機(jī)艙中的兩
個(gè)急停按鈕、塔底一個(gè)急停按鈕、變槳距系統(tǒng)急停觸
點(diǎn)和風(fēng)機(jī)控制器失效觸點(diǎn)。
風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中一旦發(fā)生安全鏈斷開，
就會(huì)有一個(gè)自鎖安全繼電器斷開，該自鎖安全繼電
器可以通過通過人工復(fù)位，也可以在電網(wǎng)的掉電恢
復(fù)時(shí)通過脈沖繼電器復(fù)位，但是不能遠(yuǎn)程復(fù)位。
兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的安全鏈采用Bechho{{的
TwinSAFE邏輯總線方式實(shí)現(xiàn)，并采用KL6904邏
輯總線端子實(shí)現(xiàn)邏輯控制，功能塊通過TwincAT
系統(tǒng)管理器組態(tài)，并通過現(xiàn)場總線下載到KL6904
邏輯端子中。TwinSAFE邏輯端子的輸入采用
KL1904，輸出采用KL2904實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)用。
KL6904符合IEC 6l508 SIL 3和EN 954 Cat．4標(biāo)
準(zhǔn)，滿足兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全系統(tǒng)的要求。
5 結(jié)束語
安全策略和安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的
前提，沒有良好的安全保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將無法運(yùn)
行。本文根據(jù)GL標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全系統(tǒng)的描述以及安
全要求，對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全系統(tǒng)要求的各
運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了逐項(xiàng)分解，并提出各數(shù)據(jù)的控制策
略以及安全鏈的設(shè)計(jì)。希望上述的的安全策略能對(duì)
風(fēng)電控制同仁設(shè)計(jì)安全系統(tǒng)，起到拋磚引玉的作用。
· 23 ·

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