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兆瓦级风力发电机组的安全策略

文档作者：楚峥杨宏坤刘吉辉文档来源：上海电气风电设备有限公司		点击数：	更新时间： 2021年06月06日
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第30卷第1期
2009年1月
能源技术
ENERGY TECHNOLOGY
Vo1．3O No．1
Jar． 2009
兆瓦级风力发电机组的安全策略
楚峥。杨宏坤，刘吉辉
(上海电气风电设备有限公司，上海200241)
摘要：从GL标准对安全系统的要求入手，提出了一套兆瓦级风力发电机组的安全策略，包
括整体安全策略和安全相关的运行数据策略，并深入描述了安全链的设计。
关键词：风力发电；安全策略；兆瓦级；安全系统
中图分类号：TM614 文献标志码：B 文章编号：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)
随着风电机组单机容量不断扩大，风电机组的
结构和运行控制策略越来越复杂，对风电机组运行
的安全提出的要求也越来越高的，所以在大型风力
发电机组的设计研发过程中，安全策略尤为重要。
风电机组的安全系统包括控制器、监控装置、执
行机构、保护装置等子系统，这些子系统相互配合保
障风电机组在各种条件下都能遵循安全策略，执行
相应的安全保护动作。本文从安全策略的标准要求
人手，详细阐述一套兆瓦级风力发电机组安全策略
的设计方案，目的是与风电控制领域的同行探讨。
1 安全策略描述
风力发电机组电控系统的策略包含两个部分：
控制策略和安全策略。控制策略主要负责风机的运
行控制；安全策略的主要作用是当风机发生故障时，
能够保障风机进入安全状态，不会造成风机事故或
人身伤害。
GL标准中列出了主要与安全相关的参数和运
行控制参数，并描述了安全与控制系统的相互关系。
如图l所示。
风力发电机组控制系统的策略设计，要求当控制
系统一旦失效不能把风机运行参数控制在正常的范
围之内时，系统必须能够保障风机进入安全的状态。
2 机组总体安全策略
在兆瓦级风电机组的控制系统中，安全保护主
机
械
部
件
故
障
控制系统 安全系统
刹车系统2 卜_J i 离网 l 刹车系统I
图1 安全与控制系统的关系
要分为软件保护和硬件保护。软件保护主要是在控
制程序中设置参数的限定值，一旦监测装置检测到
运行参数超过限定值，就会触发对应级别的制动程
序，同时报出故障，以保障风机的安全。一旦控制系
统失效，硬件保护作为冗余保护也会触发相应的制
动程序，使风机进入安全状态。故障处理程序流程
见图2。
兆瓦级控制系统将风机运行主要分为8种运行
状态：① 准备运行状态；② 正常运行状态；③ 正常
停机状态1；④ 正常停机状态2；⑤ 正常停机状态
3；⑥ 紧急停机状态1；⑦ 紧急停机状态2和⑧维护
状态。控制系统根据故障的不同安全级别，设置了
5个停机程序来保障风机运行的安全，即正常停
机程序1，正常停机程序2，正常停机程序3，紧急停
转速
电功率
风速
电网故障
发电机温度
楚峥等：兆瓦级风力发电机组的安全策略
紧急停机2
程序
紧急停机1
程序
紧急停机状态2 I I紧急停机状态l
正常停机3
程序
正常停机2
程序
l 正常停机 l l 正常停机
I 查 ．1 【 查
图2 故障处理程序流程图
机程序1和紧急停机程序2。当系统运行的参数超
过(或低于)限定值不符合设置的要求时就会触发相
应的制动程序，让风机进入相应的停机状态，各种停
机状态需要相应的复位程序复位。
制动程序通过刹车系统来实现：变桨系统是风
机的主刹车系统，每个叶片具有独立的电变桨控制，
各自备有蓄电池以防控制系统失效或系统掉电时无
法动作；机械刹车是风机的辅助刹车系统，安装在驱
动链的高速轴侧，当主刹车系统失效或紧急停机时
才起作用。
风机控制器由不同的模块组成，不同功能的模
块分布在机舱和塔底控制器中，模块之间通过一个
总线系统进行通讯，总线系统不停地监测风机各部
分的检测信号是否有故障；另外，控制器内部程序中
写入看门狗程序，用于检查控制器内部出错的情况。
风机控制器与UPS连接，在电网掉电后，UPS
能让控制器继续工作1 h以上，确保内部数据的
安全。
3 与安全相关信号的策略
为了确保机组的安全，所有与安全相关的传感
器以及保障风机无故障运行所必须的传感器通常至
少要配两套保持冗余，运行中采用了通过比较两套
传感器信号的一致性确定系统状态的对策；如果两
套传感器的信号被控制系统判定为正常，那么这两
个信号的平均值将被用于控制，如果检测出两套传
感器的信号不一致，那么系统会通过控制器的判断
程序来辨识正确的传感器信号；一旦无法辨识系统
将启动相应程序报出故障并让风机停机。
3。1 转速
在兆瓦级风电机组中主控制系统对风轮和发电
· 20 ·
机两个测速信号实现冗余和信号检查：风轮的转速
通过安装在电气滑环后端的增量式旋转编码器来测
量，所测得的信号直接输入到主控制器；发电机转速
通过安装在发电机转子后端的增量式旋转编码器来
测量，所测得的信号输入到变频器控制系统用于实
现对发电机的控制，同时变频器控制系统又将该转
速信号通过总线通讯的方式传输给主控制系统。在
控制软件程序中设置超速保护的限定值，当转速超
过这个限定值时，系统执行紧急停机程序1，同时安
全链断开，进人紧急停机1状态。
3．2 功率
风电机组中主控制系统通过电压互感器和电流
互感器信号来获取发电机实时输出的电压、电流，并
通过计算得出当前的功率；控制软件程序中设置了
过功率保护的限定值，当发电机的当前功率超过这
个限定值时，控制系统立即执行紧急停机程序1，同
时安全链断开，进入紧急停机l状态。
3．3 短路
兆瓦级风电机组的并网控制由变频器实现，并
网控制所采用的空气式开关集并网开关控制和短路
保护于一身；当电力线路发生短路时并网开关跳开，
连接在安全链系统中的辅助开关同时跳开使安全链
断开，系统执行紧急停机程序1，进人紧急停机1
状态。
3．4 振动
兆瓦级风电机组的控制系统通过安装在联轴器
下方的加速度传感器来测量风力机当前的振动加速
度值，控制程序中设置了加速度的允许值(不同风速
的情况下，对应不同的振动加速度限定值)，一旦传
感器测定到的振动加速度值(X方向或Y方向)超
(下转第23页)
孟丰平等：层燃煤锅炉改烧生物质燃料引起的事故分析
置将不能适应生物质燃料燃烧要求，从而产生各种
不良后果。DZL型层燃煤锅炉运行时，后管板经历
着高温烟气的辐射、对流和热传导的复杂过程；改烧
生物质燃料后炉膛出口烟温更高、后管板部位辐射
换热更强，加上烟气流量增加流速变快，后管板烟管
部位对流换热强化，后管板的热交换就会过强，温度
就会过高。如果锅炉本身还存在质量问题，例如锅
炉制造(或修理)时焊接烟管未经预胀，与管板管孔
间隙过大，焊接质量较差焊接残余应力过大，那么一
旦水处理不良受压部件水侧就会产生结垢等缺陷，
引起锅炉后管板高温侧超温而产生渗漏事故。
为了避免DZL型层燃煤锅炉改烧生物质燃料
后频繁产生事故，锅炉的改造可增加炉膛容积，考虑
设置前置燃烧室或者在炉膛内增加辐射受热面和对
流受热面，还可以减小炉膛出口的喉口面积，在出口
部位装设向前吹的二次风，增加燃料在炉内的停留
时间，加强扰动使焦炭燃尽；另外还应当减小鼓风
量、防止锅炉超负荷运行。
上述是笔者对DZL型层燃煤锅炉改烧生物质
燃料的一些建议，要从根本上解决问题，还是要针对
生物质燃料的特性，开发适应各类生物质燃料的专
用锅炉，以实际行动贯彻国家节能减排政策。
参考文献：
E1] 金定安，曹子栋，俞建洪．工业锅炉原理[M]．西安：西
安交通大学出版社，
出尔 ；乔 !； ! 筇 乔 !； ’ 乔 不 尔 ! 尔 !；筇 铞 ；不 矫 !；不 矫 ；： ；： ； {!矫 ；不{!；： !；筇 !；筇 !； {!；尔 !； {!矫 ! 筇{!；： !； ；： ；； {!矫 !≈ {!； ： {!：尔 ：： {!； !；
(上接第2O页)
过限定值，系统立即执行紧急停机程序1，同时安全
链断开，进入紧急停机l状态。
3．5 扭缆
兆瓦级风电机组风力机的偏航位置通过绝对值
编码器测量，一旦偏航装置的扭缆达到2圈，编码器
会触发一个2级故障的程序，在风速小于自动解缆
的设定风速时进入正常停机1状态进行自动解缆；
如果扭缆进一步达到2．5圈，则编码器触发一个3
级故障，进入正常停机2状态进行自动解缆；如果扭
缆达到3圈，扭缆限位开关把连接在安全链系统中
安全链断开，触发一个5级故障进入紧急停机l
状态。
3．6 急停按钮
紧急停机按钮安装在风机的不同位置，包括机
舱内两个和塔底一个，在紧急情况下操作人员只要
按下其中一个，就可以触发一个6级故障断开安全
链，使兆瓦级风电机组的运行进入紧急停机2状态。
3．7 控制系统失效
控制系统内部通过看门狗程序循环检测，一旦
发现运行参数有错误，就会控制连接在安全链中的
常闭开关断开进入紧急停机1状态。
4 安全链的设计
兆瓦级风电机组安全链的设计采用失效一安全
控制模式，这种控制模式的运行独立于运行控制系
统的硬件线路保护系统，所有为触发紧急停机1或
紧急停机2的触点都是串联的。安全链中的触点包
括了风轮过速模块的触点开关、变频器系统失效／短
路保护触点、振动开关、扭缆限位开关、机舱中的两
个急停按钮、塔底一个急停按钮、变桨距系统急停触
点和风机控制器失效触点。
风电机组在运行过程中一旦发生安全链断开，
就会有一个自锁安全继电器断开，该自锁安全继电
器可以通过通过人工复位，也可以在电网的掉电恢
复时通过脉冲继电器复位，但是不能远程复位。
兆瓦级风电机组的安全链采用Bechho{{的
TwinSAFE逻辑总线方式实现，并采用KL6904逻
辑总线端子实现逻辑控制，功能块通过TwincAT
系统管理器组态，并通过现场总线下载到KL6904
逻辑端子中。TwinSAFE逻辑端子的输入采用
KL1904，输出采用KL2904实现安全应用。
KL6904符合IEC 6l508 SIL 3和EN 954 Cat．4标
准，满足兆瓦级风力发电机组安全系统的要求。
5 结束语
安全策略和安全系统的设计是风力发电机组的
前提，没有良好的安全保障风力发电机组将无法运
行。本文根据GL标准对安全系统的描述以及安
全要求，对兆瓦级风力发电机组安全系统要求的各
运行数据进行了逐项分解，并提出各数据的控制策
略以及安全链的设计。希望上述的的安全策略能对
风电控制同仁设计安全系统，起到抛砖引玉的作用。
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