风力发电设备安全保护技术研究

张所成 张润宏 陆元英

（内蒙古能源发电投资集团新能源有限公司，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

风力发电是风能利用的1种重要形式，也是可再生能源中技术最成熟和发展规模最大以及商业发展前景最广阔的项目之一。风力发电因其具有无污染、可再生以及技术成熟等特点而受到社会的青睐。当前，风电场运行管理和建造技术虽然有了长足的进步，但是在实际运行中仍然存在一定的安全隐患，这会对风机场的安全运行产生一定的影响。风力发电的安全保护技术当前主要包括直驱式风力发电机的安全系统运行和控制技术，该文针对安全系统的控制技术进行相关分析和总结。

由于我国大部分的风能资源都非常丰富，这些地区主要是处于北部以及沿海近海岛屿的2个带状范围中，分布区域当前的自然环境十分恶劣，并且离主要的人口聚集区相对要远一些，因此使用人工的方式检测有很大难度。如果在运行中出现了故障，就无法快速检修。当前的风力设备在运行过程中不仅要保持运行的持续性，同时还需要保证运行的安全性，除此之外还需要注意，不要让外部环境对其产生负面影响。在风力设备的控制系统中，安全保护系统是当前经常会使用的1种防护措施，尽管其在控制系统里进行工作的时间并不多，频率不高，但是优先级较高，如果安全保护系统快速进入运行状态，整体控制系统中的其余子系统自身的控制功能就会自动服从安全保护系统。

1 风力发电设备常见故障及措施

1.1 气候以及地理环境影响

当前风电场所处位置往往是高海拔和沿海地区等一些比较偏远的区域。夏季沿海地区因为受到强风以及暴雨还有冬季高原地区的暴雪，针对风力发电设备产生的威胁相对要大一些。情况较为严重的时候，风力发电设备自身的使用寿命会受到影响。另外，这样1种环境还会对风力发电设备使用的金属结构件造成损坏，对其造成较为严重的腐蚀，使风力发电设备整体的稳定性受到影响[1]。安全管理以及运维措施需要针对风力发电设备自身叶片和齿轮以及轴承等一些机械金属结构件进行检查，判断其本身是否出现了腐蚀或者变形等各种各样的情况。除此之外，还需要按照风力发电机自身的功率输出曲线完成对环境的判断。由于适当地对风力发电设备进行调整，对于定期运行检查周期以及维护力度都会产生影响，因此需要对风电设备其所处在的安装位置以及安装环境的情况进行检查，挑选合适的设备以及材料，减少这些材料因为环境对风电基站实际的运行的影响。在风力发电中选择设备的时候，需要挑选一些具有抵御低温和抵御压强以及低压运行的控制设备，除此之外，还需要对叶片进行定期的检查和调整，还需要确认安装角以及浆体整定值，只有这样才能够得到风力发电设备自身最为理想的运行性能[2]。

1.2 风力发电机运行维护

风力发电机是多个风力发电基站中的主要机电设备，其自身的性能以及运行维护会对风力发电自身的电能质量以及运行过程中的经济效益产生影响。通常需要使用定期检查的方式对其进行日常维护，只有这样才能够及时发现故障并且快速消除安全隐患，尽可能地降低故障发生率，使机组在线运行的过程中除了能保障安全，还能够提升机组运行效率与运行的质量[3]。风力发电机经常产生的故障主要包括传动部件出现较为严重的堵塞或者产生摩擦；因为长期使用，所以螺栓松动或者是螺栓剪切得并不均匀；液压系统存在泄漏；多种传感器出现损坏或者是电动执行机构不敏感等。风电机组安全管理以及运行维护核心是需要定期维护以及排除应急故障。其中传动部件之间的润滑卡壳和拧紧螺杆拧紧检查等都是日常需要进行检查和维护的主要内容。

定期大修的时候需要仔细地检查风力涡轮机中的每个部件，通过这样的方式确认是否出现了问题，同时及时对其进行更换以及修理。故障应急维修指的是风机产生故障的过程中，需要快速进入现场进行检查，一旦发现问题需要及时处理[4]。首先对故障的表现形式进行观察，如电机抖动和液压损失等，快速地对故障原因进行判读，暂停维修，对于损坏部件需要及时更换，并且检查和纠正电子控制系统产生的短路连接以及端子松脱或者是环境受到环境影响等相关情况。为了能够快速地更换部件，易损件以及消耗品需要被保存在风力发电基站或者是委派专业的维修人员进行携带。维修保养工作完成后，需要及时对故障点以及解决方案进行记录，对维修现场进行清理，保证设备完好，使其能够为日后类似故障的处置提供1个精准并可靠的处置方案。

1.3 变频器运行维护

风力发电电气控制设备属于变频器。其应用的具体原理是在风轮转速与设定值不足的时候，变频器在电网交流电转变成直流电在基站电容中被保存，再使用交流电将其发送到电动机转子。逆变器经常出现的故障包括了过流故障和过载故障以及过电压故障与温度故障。因为逆变器的种类以及形式较多，所以故障的编码和具体的处理方案也会出现较大的差异。以温度故障诊断为例，在风力发电机、电网冷却风扇停止工作后，冷却循环泵不能得到有效控制，同时其相应的故障代码引起设备关闭的主要原因是逆变器自身的温度较高。解决方案：检查冷却风机叶片是否出现损坏，电机电源是否欠压；检查冷却循环泵电机和其自身的密封性。检查故障原因之后，及时更换新散热器以及电机，并且可以完成对电源的冗余处理。

2 风力发电设备运维管理工作中的相关注意事项

海上风力发电机变压器因为处于高湿度和高温以及高盐雾腐蚀等一系列的恶劣环境中，这些环境会对变压器自身的运行会造成非常致命的影响，容易导致钢构件产生腐蚀以及锈蚀的情况。变压器在使用中可能会产生沉积与放电的情况，这种情况如果持续下去，就会对其外观与质量产生影响。

2.1 频发过电压

海上风电变压器在实际运行的过程中经常会被过电压影响，主要是运行过电压和短时过电压以及雷电过电压与超快瞬态过电压，经常会出现的故障是超快的瞬态过电压，这一电压出现的频率一般为100 kHz～50 MHz。该情况可能会快速出现电压从而导致绝缘被击穿，因此在进行风力发电变压器设置和安装的过程中需要考虑到极快的瞬态过电压。

2.2 负载谐波电流

风力发电系统里添加的非线性负载主要有变频器和发电机以及断路器等，在其实际运行中还可能会出现谐波。这部分不断积累的谐波被持续叠加，在这种谐波本身不属于基频时，会导致系统自身的峰值电压以及电流出现增加的情况。除了发电机会出现谐波之外，其还经常通过PWM电压源逆变器产生一些具有破坏性的谐波。风电变压器还会经常受到非正弦负载电流以及谐波对其产生的负面影响。谐波产生的危害是导致变压器自身的涡流损耗以及杂散损耗增加。由于绕组导线当前的涡流以及循环电流会出现额外的电流，最终出现发热的情况。因此，这部分热量一定要使用额外设置冷却装置的方式去对其进行处置，这样可以防止绝缘过早老化以及变压器局部过热的问题出现。

2.3 负载波动

风速的变化说明了风机一定要在持续转变的负荷下运行，变压器还需要不断使用冷却以及加热的方式去进行循环。变压器会受到风力的影响，在低负荷模式下提升到高负荷的状态。这样的1种循环在结构部件上会不断地出现热应力以及机械应力，如绕组和阀体以及夹具。不断地进行热循环也会导致内部以及外部电气连接元件出现老化的问题。如果在高负荷的情况下提升，风电变压器的绝缘就会产生疲劳，严重时还会出现失效的情况。

2.4 频繁机械振动

除了需要注重风力发电变压器自身的结构还需要对机械共振给与关注。当前有很多需要注意的例子，在风荷载对于风机叶片进行冲击的时候，会导致变压器出现快速并且剧烈的振动。在运输中产生的振动和短路以及操作，假如绕组在进行连接或者是引线接头进行操作出现不适宜的问题，可能会出现疲劳失效的问题。

2.5 三防处理

在对风力发电变压器进行设计和选择中，需要采取较为切实可行的措施，尽可能地将部件的边角给予圆角化处置，采取这种形式使部件边角能够保持表面光滑，避免不平整的出现；尽可能地减少接缝，除此之外，还需要在缝隙中可能出现腐蚀的位置进行密封并涂层；并采用科学的技术去降低产生的压力，预防压力；因为部件容易损坏，所以要求对其进行维修。如果产生问题，就需要立即更换挑选适合的材料，如耐蚀性强和避免发霉等材料；保证金属彼此之间的绝缘性，或者同样的金属材料镀在不同的材料上，使其电位相同；涂敷件需要选择耐腐蚀性较为理想的合金以及不锈钢。表面处理是当前三防技术中的核心。可以对变压器容易出现腐蚀的位置完成电镀和热喷涂以及三防漆等一系列的处理。

风力发电设备是当前风力发电的基础。因此一定要将安全生产作为发展的基础，将设备安全管理以及运行维护作为发展的重点，将安全隐患快速诊断以及排除作为重要的维修手段。并且，在运行说明书中提出需要及时进行预防控制，同时快速有效地完成相关处置，只有这样才能够使风电设备保持安全在线运行，也只有这样才能使风电发电以及企业自身的经济效益得到提升，最终为社会发展提供更为安全可靠的电力。

3 安全保护系统安全功能应用分析

下面是风力设备安全保护系统的具体实例。在风力设备在实际进行使用的过程中，还需要尽量将发电机与风轮在使用时的转速控制在规定的限制值中，针对目前风电场整体进行设置都会给电网带来不同程度的负面影响。SIL 的定性描述见表1。

4 安全保护系统技术分析和改进建议

稳定的安全保护系统主要由3个部分共同构成，这3个部分分别为传感器、逻辑控制器、执行元件。由于设计的安全保护系统中安装的元件相互之间都是1种串联关系，因此，无论是其中的哪个环节出现了问题，都会使这种安全功能失去了最初的作用。风机超速保护安全系统1的实现框图如图1所示。

表1 SIL的定性描述

图1 风机超速保护安全系统1 的实现框图

考虑到风机超速保护安全系统安装的安全功能，该文针对风机超速保护安全系统实际的需求进行适当的分析，指出了这一安全保护系统自身拥有并联的逻辑回路，并且这2个回路之间是单独存在的。 风机超速保护安全系统2的实现框图如图2所示。

图2 风机超速保护安全系统2的实现框图

因此，我们可以得出结论，在改变原本的保护系统后，风力涡轮机本身的超速保护安全系统的安全级别也得到了改善，可以升级到SIL2。

传感器部分采用冗余配置，对于致动器部分来说，由于工业机械和设备的价格高、体积大以及安装复杂等，其在运行时存在一定的缺陷，因此需要有更高可靠性的设备。逻辑控制器是整个安全保护系统的核心，因此更需要使用高度可靠的组件。

5 结语

该文首先对风力设备的安全保护系统进行了介绍，其次分析了IEC61511 标准在当前风力设备安全保护系统中的有效应用，以风轮的超速保护功能为例，解释了如何对安全保护系统里的SIF（安全功能）进行确认，说明了安全保护系统的构成和改进方法，最后针对这一系统的基础设计原则进行阐述。

风力设备控制系统是1个综合性的控制系统。特别是针对并网运行的风力设备，控制系统不仅需要对电网和风况以及机组运行数据进行监控，同时还需要对于机组给予并网以及脱网的控制，通过这样的方式使实际运行中的安全性以及可靠性得到保障。除此之外，还要求按照风速以及风向上的转变情况针对机组给予适当的优化控制，通过这样的方式使机组自身的运行效率以及发电质量得到保障。

IEC61511标准为风机安全保护系统的设计以及转换提供了切实可行的指导。按照IEC61511当前提出的设计指南，能够起到风力设备的安全保护作用。持续改进的这一过程成为了确保风力涡轮机安全运行的重要技术手段。在风机安全保护系统的设计和改造过程中，如果只是关注传感器、逻辑控制器、执行器等部分是否完整是不能够满足安全要求的，因此，还需要针对执行器自身的冗余去完成优化配置，除此以外，单独的逻辑电路仍然需要保持自身单独的运行，并且要对风扇的保护功能是否合适等多个方面进行系统地考虑，使其能够达到较为理想的保护效果，尽可能地避免安全事故的出现。