風力發電設備安全保護技術研究

張所成 張潤宏 陸元英

（內蒙古能源發電投資集團新能源有限公司，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

風力發電是風能利用的1種重要形式，也是可再生能源中技術最成熟和發展規模最大以及商業發展前景最廣闊的項目之一。風力發電因其具有無污染、可再生以及技術成熟等特點而受到社會的青睞。當前，風電場運行管理和建造技術雖然有了長足的進步，但是在實際運行中仍然存在一定的安全隱患，這會對風機場的安全運行產生一定的影響。風力發電的安全保護技術當前主要包括直驅式風力發電機的安全系統運行和控制技術，該文針對安全系統的控制技術進行相關分析和總結。

由于我國大部分的風能資源都非常豐富，這些地區主要是處于北部以及沿海近海島嶼的2個帶狀范圍中，分布區域當前的自然環境十分惡劣，并且離主要的人口聚集區相對要遠一些，因此使用人工的方式檢測有很大難度。如果在運行中出現了故障，就無法快速檢修。當前的風力設備在運行過程中不僅要保持運行的持續性，同時還需要保證運行的安全性，除此之外還需要注意，不要讓外部環境對其產生負面影響。在風力設備的控制系統中，安全保護系統是當前經常會使用的1種防護措施，盡管其在控制系統里進行工作的時間并不多，頻率不高，但是優先級較高，如果安全保護系統快速進入運行狀態，整體控制系統中的其余子系統自身的控制功能就會自動服從安全保護系統。

1 風力發電設備常見故障及措施

1.1 氣候以及地理環境影響

當前風電場所處位置往往是高海拔和沿海地區等一些比較偏遠的區域。夏季沿海地區因為受到強風以及暴雨還有冬季高原地區的暴雪，針對風力發電設備產生的威脅相對要大一些。情況較為嚴重的時候，風力發電設備自身的使用壽命會受到影響。另外，這樣1種環境還會對風力發電設備使用的金屬結構件造成損壞，對其造成較為嚴重的腐蝕，使風力發電設備整體的穩定性受到影響[1]。安全管理以及運維措施需要針對風力發電設備自身葉片和齒輪以及軸承等一些機械金屬結構件進行檢查，判斷其本身是否出現了腐蝕或者變形等各種各樣的情況。除此之外，還需要按照風力發電機自身的功率輸出曲線完成對環境的判斷。由于適當地對風力發電設備進行調整，對于定期運行檢查周期以及維護力度都會產生影響，因此需要對風電設備其所處在的安裝位置以及安裝環境的情況進行檢查，挑選合適的設備以及材料，減少這些材料因為環境對風電基站實際的運行的影響。在風力發電中選擇設備的時候，需要挑選一些具有抵御低溫和抵御壓強以及低壓運行的控制設備，除此之外，還需要對葉片進行定期的檢查和調整，還需要確認安裝角以及漿體整定值，只有這樣才能夠得到風力發電設備自身最為理想的運行性能[2]。

1.2 風力發電機運行維護

風力發電機是多個風力發電基站中的主要機電設備，其自身的性能以及運行維護會對風力發電自身的電能質量以及運行過程中的經濟效益產生影響。通常需要使用定期檢查的方式對其進行日常維護，只有這樣才能夠及時發現故障并且快速消除安全隱患，盡可能地降低故障發生率，使機組在線運行的過程中除了能保障安全，還能夠提升機組運行效率與運行的質量[3]。風力發電機經常產生的故障主要包括傳動部件出現較為嚴重的堵塞或者產生摩擦；因為長期使用，所以螺栓松動或者是螺栓剪切得并不均勻；液壓系統存在泄漏；多種傳感器出現損壞或者是電動執行機構不敏感等。風電機組安全管理以及運行維護核心是需要定期維護以及排除應急故障。其中傳動部件之間的潤滑卡殼和擰緊螺桿擰緊檢查等都是日常需要進行檢查和維護的主要內容。

定期大修的時候需要仔細地檢查風力渦輪機中的每個部件，通過這樣的方式確認是否出現了問題，同時及時對其進行更換以及修理。故障應急維修指的是風機產生故障的過程中，需要快速進入現場進行檢查，一旦發現問題需要及時處理[4]。首先對故障的表現形式進行觀察，如電機抖動和液壓損失等，快速地對故障原因進行判讀，暫停維修，對于損壞部件需要及時更換，并且檢查和糾正電子控制系統產生的短路連接以及端子松脫或者是環境受到環境影響等相關情況。為了能夠快速地更換部件，易損件以及消耗品需要被保存在風力發電基站或者是委派專業的維修人員進行攜帶。維修保養工作完成后，需要及時對故障點以及解決方案進行記錄，對維修現場進行清理，保證設備完好，使其能夠為日后類似故障的處置提供1個精準并可靠的處置方案。

1.3 變頻器運行維護

風力發電電氣控制設備屬于變頻器。其應用的具體原理是在風輪轉速與設定值不足的時候，變頻器在電網交流電轉變成直流電在基站電容中被保存，再使用交流電將其發送到電動機轉子。逆變器經常出現的故障包括了過流故障和過載故障以及過電壓故障與溫度故障。因為逆變器的種類以及形式較多，所以故障的編碼和具體的處理方案也會出現較大的差異。以溫度故障診斷為例，在風力發電機、電網冷卻風扇停止工作后，冷卻循環泵不能得到有效控制，同時其相應的故障代碼引起設備關閉的主要原因是逆變器自身的溫度較高。解決方案：檢查冷卻風機葉片是否出現損壞，電機電源是否欠壓；檢查冷卻循環泵電機和其自身的密封性。檢查故障原因之后，及時更換新散熱器以及電機，并且可以完成對電源的冗余處理。

2 風力發電設備運維管理工作中的相關注意事項

海上風力發電機變壓器因為處于高濕度和高溫以及高鹽霧腐蝕等一系列的惡劣環境中，這些環境會對變壓器自身的運行會造成非常致命的影響，容易導致鋼構件產生腐蝕以及銹蝕的情況。變壓器在使用中可能會產生沉積與放電的情況，這種情況如果持續下去，就會對其外觀與質量產生影響。

2.1 頻發過電壓

海上風電變壓器在實際運行的過程中經常會被過電壓影響，主要是運行過電壓和短時過電壓以及雷電過電壓與超快瞬態過電壓，經常會出現的故障是超快的瞬態過電壓，這一電壓出現的頻率一般為100 kHz～50 MHz。該情況可能會快速出現電壓從而導致絕緣被擊穿，因此在進行風力發電變壓器設置和安裝的過程中需要考慮到極快的瞬態過電壓。

2.2 負載諧波電流

風力發電系統里添加的非線性負載主要有變頻器和發電機以及斷路器等，在其實際運行中還可能會出現諧波。這部分不斷積累的諧波被持續疊加，在這種諧波本身不屬于基頻時，會導致系統自身的峰值電壓以及電流出現增加的情況。除了發電機會出現諧波之外，其還經常通過PWM電壓源逆變器產生一些具有破壞性的諧波。風電變壓器還會經常受到非正弦負載電流以及諧波對其產生的負面影響。諧波產生的危害是導致變壓器自身的渦流損耗以及雜散損耗增加。由于繞組導線當前的渦流以及循環電流會出現額外的電流，最終出現發熱的情況。因此，這部分熱量一定要使用額外設置冷卻裝置的方式去對其進行處置，這樣可以防止絕緣過早老化以及變壓器局部過熱的問題出現。

2.3 負載波動

風速的變化說明了風機一定要在持續轉變的負荷下運行，變壓器還需要不斷使用冷卻以及加熱的方式去進行循環。變壓器會受到風力的影響，在低負荷模式下提升到高負荷的狀態。這樣的1種循環在結構部件上會不斷地出現熱應力以及機械應力，如繞組和閥體以及夾具。不斷地進行熱循環也會導致內部以及外部電氣連接元件出現老化的問題。如果在高負荷的情況下提升，風電變壓器的絕緣就會產生疲勞，嚴重時還會出現失效的情況。

2.4 頻繁機械振動

除了需要注重風力發電變壓器自身的結構還需要對機械共振給與關注。當前有很多需要注意的例子，在風荷載對于風機葉片進行沖擊的時候，會導致變壓器出現快速并且劇烈的振動。在運輸中產生的振動和短路以及操作，假如繞組在進行連接或者是引線接頭進行操作出現不適宜的問題，可能會出現疲勞失效的問題。

2.5 三防處理

在對風力發電變壓器進行設計和選擇中，需要采取較為切實可行的措施，盡可能地將部件的邊角給予圓角化處置，采取這種形式使部件邊角能夠保持表面光滑，避免不平整的出現；盡可能地減少接縫，除此之外，還需要在縫隙中可能出現腐蝕的位置進行密封并涂層；并采用科學的技術去降低產生的壓力，預防壓力；因為部件容易損壞，所以要求對其進行維修。如果產生問題，就需要立即更換挑選適合的材料，如耐蝕性強和避免發霉等材料；保證金屬彼此之間的絕緣性，或者同樣的金屬材料鍍在不同的材料上，使其電位相同；涂敷件需要選擇耐腐蝕性較為理想的合金以及不銹鋼。表面處理是當前三防技術中的核心。可以對變壓器容易出現腐蝕的位置完成電鍍和熱噴涂以及三防漆等一系列的處理。

風力發電設備是當前風力發電的基礎。因此一定要將安全生產作為發展的基礎，將設備安全管理以及運行維護作為發展的重點，將安全隱患快速診斷以及排除作為重要的維修手段。并且，在運行說明書中提出需要及時進行預防控制，同時快速有效地完成相關處置，只有這樣才能夠使風電設備保持安全在線運行，也只有這樣才能使風電發電以及企業自身的經濟效益得到提升，最終為社會發展提供更為安全可靠的電力。

3 安全保護系統安全功能應用分析

下面是風力設備安全保護系統的具體實例。在風力設備在實際進行使用的過程中，還需要盡量將發電機與風輪在使用時的轉速控制在規定的限制值中，針對目前風電場整體進行設置都會給電網帶來不同程度的負面影響。SIL 的定性描述見表1。

4 安全保護系統技術分析和改進建議

穩定的安全保護系統主要由3個部分共同構成，這3個部分分別為傳感器、邏輯控制器、執行元件。由于設計的安全保護系統中安裝的元件相互之間都是1種串聯關系，因此，無論是其中的哪個環節出現了問題，都會使這種安全功能失去了最初的作用。風機超速保護安全系統1的實現框圖如圖1所示。

表1 SIL的定性描述

圖1 風機超速保護安全系統1 的實現框圖

考慮到風機超速保護安全系統安裝的安全功能，該文針對風機超速保護安全系統實際的需求進行適當的分析，指出了這一安全保護系統自身擁有并聯的邏輯回路，并且這2個回路之間是單獨存在的。 風機超速保護安全系統2的實現框圖如圖2所示。

圖2 風機超速保護安全系統2的實現框圖

因此，我們可以得出結論，在改變原本的保護系統后，風力渦輪機本身的超速保護安全系統的安全級別也得到了改善，可以升級到SIL2。

傳感器部分采用冗余配置，對于致動器部分來說，由于工業機械和設備的價格高、體積大以及安裝復雜等，其在運行時存在一定的缺陷，因此需要有更高可靠性的設備。邏輯控制器是整個安全保護系統的核心，因此更需要使用高度可靠的組件。

5 結語

該文首先對風力設備的安全保護系統進行了介紹，其次分析了IEC61511 標準在當前風力設備安全保護系統中的有效應用，以風輪的超速保護功能為例，解釋了如何對安全保護系統里的SIF（安全功能）進行確認，說明了安全保護系統的構成和改進方法，最后針對這一系統的基礎設計原則進行闡述。

風力設備控制系統是1個綜合性的控制系統。特別是針對并網運行的風力設備，控制系統不僅需要對電網和風況以及機組運行數據進行監控，同時還需要對于機組給予并網以及脫網的控制，通過這樣的方式使實際運行中的安全性以及可靠性得到保障。除此之外，還要求按照風速以及風向上的轉變情況針對機組給予適當的優化控制，通過這樣的方式使機組自身的運行效率以及發電質量得到保障。

IEC61511標準為風機安全保護系統的設計以及轉換提供了切實可行的指導。按照IEC61511當前提出的設計指南，能夠起到風力設備的安全保護作用。持續改進的這一過程成為了確保風力渦輪機安全運行的重要技術手段。在風機安全保護系統的設計和改造過程中，如果只是關注傳感器、邏輯控制器、執行器等部分是否完整是不能夠滿足安全要求的，因此，還需要針對執行器自身的冗余去完成優化配置，除此以外，單獨的邏輯電路仍然需要保持自身單獨的運行，并且要對風扇的保護功能是否合適等多個方面進行系統地考慮，使其能夠達到較為理想的保護效果，盡可能地避免安全事故的出現。