风电机组超速手/自动偏航安全保护策略研究

华电电力科学研究院有限公司 王照福 卢成志 柳振东 崔 光

随着风电行业的快速发展，风电机组倒塔事故时有发生，给风电制造商，运营商及相关各方带来重大经济损失，甚至严重的人身伤亡事故，严重影响行业发展。其中倒塔的大部分原因是由于风电机组因超速而导致飞车倒塔事故，若风机具备超速手/自动偏航功能，则有很大机会可以避免事故的发生[1]。

为使风电机组叶轮正常工作时保持正对来风的方向，以充分利用风能，风电机组都具有偏航系统。该系统通过调整风机叶轮朝向及时跟踪风向的变化，最大限度地捕获风能[2]。偏航系统可调整风电机组叶轮与风向的夹角，夹角增大时风电机组叶轮吸收的风能减小，当夹角达到90度时风电机组叶轮吸收的风能无法驱动传动链转动。目前大多数风电机组在“安全链”断开情况下不能启动偏航系统，出现紧急情况时无法依靠偏航系统动作使风电机组“侧风”保护，避免风电机组飞车[3-5]。改造应实现以下功能：超速信号采用主机超速开关外扩继电器方案接入独立偏航PLC；建议在风电场中控室做一个单独画面实现远程应急偏航的监控。

1 偏航系统现状

紧急偏航模式启动和停止条件：满足触发条件的风电机组可自动进入紧急偏航模式，自动偏航90度后退出紧急偏航模式，主要涉及的条件和逻辑如下：启动条件。持续超速时间超过t：启动参考时间（根据不同机型调整时间t）为软件超速1r/min7s、软件超速2r/min5s、软件超速3r/min2s，安全链断开但叶轮转速不下降（120s 后叶轮转速大于2r/min）。停止条件：机舱方向与主风向夹角达到90°；偏航运行时间t 秒（90/偏航速率），根据不同机型确定时间；叶轮转速下降到预设值。

偏航电机启动方式：直接启动方案。接触器直接与偏航电机相连，控制器通过控制接触器线圈的吸合实现偏航启停的控制；通过软启器启动偏航电机。为限制偏航电机启动电流和冲击负载，设置偏航电机软启动器，通过逐步增加电压实现缓慢启动偏航电机的效果；通过变频器实现偏航。变频器实现一拖多的方式启动机组偏航。

2 应急偏航方案

2.1 增加独立PLC 方案

本方案增加一套完全独立于机组主控和机组安全链的带远程控制功能的安全保护系统，用于实现机组过速情况下，机组的手/自动应急偏航功能。方案原理如下：

图1 独立PLC 方案控制流程图

图2 纯硬件方案控制流程图

紧急自动偏航叶轮转速信号。优先采用在叶轮法兰盘处安装叶轮转速监测装置，也可考虑将原有转速脉冲信号并联接入独立偏航PLC 高速计数器端子或原有转速4～20mA 信号经信号分配器分路后接入独立偏航PLC 模拟量输入端口；紧急自动偏航启动条件。紧急自动偏航PLC 接收来自于风电机组转速1信号和来自可编程转速监控器的风电机组转速2信号，通过转速1和转速2的绝对值和差值判断机组状态，根据预设的自动偏航启动条件启动偏航系统；判断紧急自动偏航方向。将机组风向信号发送给紧急自动偏航PLC，根据错风方向选择偏航方向。

紧急偏航。通过紧急自动偏航PLC，打开偏航电机刹车和半释放液压偏航刹车压力后，根据偏航电机不同启动方式将紧急偏航信号并接到主控启动偏航启动接点处；新增机舱到塔底控制电缆，塔底增加紧急手动偏航动作按钮，可直接通过按钮控制机舱手动偏航；紧急自动偏航停止条件。当机舱与风向成90度角或叶轮转速下降至安全转速时停止偏航；在风电场升压站上位机增加远程控制紧急偏航指令，增加关于紧急自动偏航相关辅助功能，如紧急自动偏航启动提示、远程偏航角度、紧急自动偏航系统自检等。

2.2 利用风电机组主控PLC 控制方案

风机PLC 监测风机叶轮转速和桨叶角度等信号，当叶轮转速超过设定值后或桨叶未正常回桨时，PLC 应控制启动自动侧风偏航保护；在PLC 正常运行情况下，当风机发生超速或叶片不能正常回桨（安全链断开情况下），应具备在塔基和中控室远程手动控制风电机组偏航功能。

2.3 纯硬件手动方案

该方案增加一套完全独立于机组主控和机组安全链的纯硬件安全保护系统，用于实现机组过速情况下机组的手动应急偏航90度功能。方案原理如下：

新增塔基柜时间继电器，通过电缆控制机舱柜液压站半释放、电磁松闸、定向偏航。当PLC 死机或通讯中断情况下，在塔底手动拍下S1紧急偏航按钮使偏航控制系统得电，实现输出偏航指令；航启停的逻辑流程：启动。释放偏航液压刹车，等待1秒释放偏航电机刹车，等待1秒启动电机。停止。停止电机，等待1秒，偏航电机刹车抱闸，等待1秒，偏航液压刹车抱闸；整改方案实现偏航的操作步骤：偏航启动为手动拍下S1紧急偏航按钮，侧风90度偏航停止。为避免紧急情况下误操作，线路设计考虑了偏航启动过程逻辑顺序，只有释放偏航液压刹车（闭合KT1）才能释放偏航电机刹车（闭合KT2），当完成以上两步后才能启动偏航电机，进而避免误操作。

3 系统测试

本次测试的样机机型配置为SL1500/77机型、ABB PLC+VACON 偏航变频器+KEB 变桨系统。测试版程序将叶轮超速触发转速降低至正常值的1/3（约为700rpm/min），机组机舱对风后启动变桨系统，使轮毂转速稳步上升，达到触发条件后机组开始强制偏航动作，机舱偏航至与风夹角超过90°后自动停止，全过程约9min。

图3中红线位置为强制偏航触发点，该时刻轮毂转速为729.5rpm/min，机舱与风夹角为-0.3°；紫线位置轮毂转速达到最大值，该时刻轮毂转速为773.5rpm/min、机舱与风夹角为-10.4°，该位置距强制偏航触发时间10.5s；蓝线位置强制偏航系统停止，该时刻轮毂转速为78rpm/min、机舱与风夹角为-97.6°；绿线位置轮毂转速降低至0rpm/min、机舱与风夹角为-101.1°，该位置距强制偏航停止时间为46s。由图3测试数据可知，在强制偏航触发10s后轮毂转速开始下降，初始下降速度较缓慢，机舱与风夹角达到一定值后转速下降明显，强制偏航系统停止后轮毂可降低至停机的正常转速。

图3 样机测试数据

综上，偏航系统在轮毂超速后触发，短时间内将机组转速降低至安全范围，来保障风电机组安全；系统可采用独立自动偏航PLC 方案，可独立于风电机组主控系统，可靠性高；系统可采用一套完全独立于机组主控和机组安全链的纯硬件安全保护系统，在风机超速时实现偏航保护。但由于应急偏航不能判别偏航方向，系统存在一定风险。