【摘要】

變槳系統作為風力發電機組最重要的部件之一，對整個風力發電機組的穩定及安全運行有不可或缺的作用，所以目前變槳系統的技術改造為老舊風場技術改造最重要的工作。本文在分析安全防護典型缺陷的基礎上，提供了幾個提升風機整體安全性的改造方案，包括變槳維護時的槳葉互鎖改造、風機運行時的應急偏航改造、風機在超速時變槳系統能夠自檢防超速的改造等，這些方案可以有效提升風機整體的安全可靠性。

背景

隨著技術的發展和使用環境以及需求的變化，對風機中使用的設備提出了更高的要求。但目前很多機組在安全防護上仍有很多不足，例如以下三種情況：

槳葉在維護模式下，三個槳葉可同時在0°位置。即在手動模式下，槳葉的動作無互鎖功能，在手動模式下，三個槳葉同時在0°位置，對檢修人員將造成嚴重的安全隱患。

特殊情況下安全鏈如果斷電，機組則無法進行偏航。目前多數風力發電機組的安全鏈回路均采用安全繼電器搭接組成。當安全鏈斷開后，機組由安全鏈控制的DO 點24V控制電源將被切斷，此時不能執行如液壓泵打壓、機組偏航控制等DO 輸出動作。如果出現機組失速、槳葉未順槳等緊急情況，由于轉速超限、振動超限等因素使安全鏈無法復位，將不能通過手動或自動控制機組執行偏航側風動作。

變槳系統無法進行緊急順槳。目前多數風力發電機組檢測主軸超速都是通過主控里超速繼電器和主軸轉速編碼器來檢測超速然后再通過通訊給出命令來觸發軟件變槳EFC程序來進行順槳，若由于通訊問題或其他意外情況導致安全鏈無法正常斷開，變槳系統將不能進行緊急順槳。

以上幾種情況都對維護人員的安全造成嚴重的安全隱患，在某些不當操作和環境因素的影響，會導致機毀人亡的后果。例如：武威市民勤縣紅砂崗“4·12”風機坍塌事故。

應用案例

廣西某風電場現有50臺機組，不具備變槳系統安全互鎖功能，需要對其進行技術改造。該風電場變槳系統為OAT變槳系統，在中控箱增加維護轉換開關S1，實現維護和自動控制功能，在維護模式，通過各軸的互鎖繼電器K1K2K3進行槳葉的互鎖。原理圖如下所示：

圖1：槳葉互鎖示意圖（軸3）

S1 為轉換開關，在1檔為運行模式，2檔為維護模式。

K1,K2,K3：互鎖繼電器

Out：X13.1PMM控制輸出

24VDCinternalX4.2：PMC控制電源

Enable X4.5：PMC使能信號（該信號為低電平時，PMC的IGBT始終處于關斷狀態）

當S1開關處于2檔時，軸3驅動器的使能信號由軸1和軸2的互鎖繼電器K1,K2控制。當軸1或軸2的槳葉沒有在88~100°范圍內，K1或K2失電，軸3使能信號斷，軸3不能移動。同理，當軸3移動超出88~100°范圍，軸1和軸2的使能信號斷，軸1和軸2不能移動。基于以上原理，實現三個槳葉功能互鎖。

2.2 廣東某風電場1.5MW機組綜合改造項目

該風場風力發電機組的安全鏈回路采用安全模塊搭接組成。當安全鏈斷開后，機組由安全鏈控制的DO 點24V控制電源將被切斷，此時不能執行如液壓泵打壓、機組偏航控制等DO 輸出動作。

整改前，受安全鏈影響的DO點供電回路經過安全模塊到端子。當安全鏈斷開后，安全繼電器的觸點斷開連接，供電斷開，無法進行偏航。

整改后在機艙24V供電回路增加一個繼電器（此繼電器不受安全鏈控制），在需要緊急偏航時繼電器吸合，在安全鏈斷開的情況下給偏航相關設備的DO提供24V控制電源。如圖2所示，紅色框內為增加部分。

圖2：增加旁路繼電器給DO用24V電源示意

在風機控制程序邏輯和操作界面上增加相應的功能，具體體現為：

在“特殊功能”界面增加“手動應急偏航使能”按鈕，在需要進行緊急偏航時，按下“手動應急偏航使能”按鈕，在界面狀態代碼欄中會出現“手動應急偏航激活”代碼，通過手動觸發“手動偏航”按鈕和“順時針”（或“逆時針”）按鈕即可執行手動偏航動作。

2.3 內蒙某風電場1.5MW機組綜合改造項目

該風場風力發電機組檢測主軸超速是通過主控里超速繼電器和主軸轉速編碼器來檢測超速然后再通過通訊給出命令來觸發軟件變槳EFC程序來進行順槳。為了實現變槳系統自檢超速進行順槳動作，進行了以下整改，在變槳系統控制柜中增加速度控制器，用于接收外部傳感器的脈沖信號，在柜體中增加24V防雷模塊，對柜體內部速度控制器進行保護。在輪轂大盤處安裝接近開關和碼盤用來檢測速度并將脈沖信號接入到速度控制器上，接近開關為三線制PNP型接近開關。增加一個接觸器，將EFC緊急順槳信號接入到該繼電器的常閉觸點。機組正常運行時接觸器不動作，但在機組超速發生時，該接觸器得電，常閉觸點變為常開觸點，變槳系統進行緊急順槳。該接觸器的動作由超速繼電器控制。

技術要點

該方案主要由三部分功能改造組成，槳葉互鎖改造，充分利用驅動器的內部參數設置和轉換開關、繼電器等組成了一個安全可靠的可轉換的互鎖回路。正常模式下，驅動器的使能不受改造回路影響，維護模式下組成互鎖回路；應急偏航改造，完全不影響機組正常運行，當機組因故障導致安全鏈斷開尤其是機艙和塔基通訊斷開或PLC死機后依然能實現手動偏航，使機組偏離主風向，保證機組安全；變槳系統防超速改造，在輪轂附近安裝一個接近開關和碼盤來檢測主軸的速度，再把這個脈沖信號接到變槳控制柜的速度控制器里，當主軸超速時速度控制器的觸點會動作，通過與EFC回路串聯的觸點動作來實現變槳系統的緊急順槳。

應用前景

目前絕大多數機組都不具備槳葉互鎖、應急偏航、變槳系統防超速的功能，且隨著越來越多大功率風力發電機組投入運營及機組服役年限的不斷增長，風電設備的安全事故頻發，機組在安全性能方面的改造越來越受到各風電場人員的重視。

參考文獻：

[1] 王華。風電發電變槳距控制系統的研究[D]華北電力大學。2010年。

[2] 葉杭冶。風力發電機組監測與控制（第2版）[M]北京：機械工業出版社，2019年。