风力发电机组的控制与安全系统技术要求

1、第九章 风力发电机组的限制与平安系统技术要求风力发电机组限制系统工作的平安牢靠性已成为风力发电系统能否发挥作用，甚至成为风电场长期平安牢靠运行的重大问题。在实际应用过程中，尤其是一般风力发电机组限制与检测系统中，限制系统满意用户提出的功能上的要求是不困难的。往往不是限制系统功能而是它的牢靠性干脆影响风力发电机组的声誉。有的风力发电机组限制系统功能很强，但由于工作不行靠，常常出故障，而出现故障后对一般用户来说修理又特别困难。于是，这样一套限制系统可能发挥不了它应有的作用，造成不应有的损失。因此，对于一个风力发电机组限制系统的设计和运用者来说，系统的平安牢靠性必需细致加以考虑，必需引起足够的重视。我们的目的是希望通过限制与平安系统设计，实行必要的手段，使我们的系统在规定的时间内不出故障或少出故障。并且，在出故障之后能够以最快的速度修复系统使之复原正常工作。第一节 限制与平安系统的技术要求一、风力发电机组的运行的限制要求（一）限制思想我国风电场运行的机组多数以定桨距失速型机组为主，所谓失速型风力发电机组就是当风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组功率输出不再增加，导致风力发电

2、机组过载，通过空气动力学的失速特性，使叶片发生失速，从而限制风力发电机组的功率输出。所以，定桨距失速型风力发电机组限制系统限制思想和限制原则以平安运行限制技术要求为主，功率限制由叶片的失速特性来完成。风力发电机组的正常运行及平安性取决于先进的限制策略和优越的爱护功能。限制系统应以主动或被动的方式限制机组的运行，使系统运行在平安允许的规定范围内，且各项参数保持在正常工作范围内。限制系统可以限制的功能和参数包括功率极限、风轮转速、电气负载的连接、起动及停机过程、电网或负载丢失时的停机、纽缆限制、机舱时风、运行时电量和温度参数的限制。如风力发电机组的工作风速是采纳BIN法计算10min平均值确定小风脱网风速和大风切出风速，每个参数极限限制均采纳回差法，上行点和下行点不同，视实际运行状况而定。对于变桨距风力发电机组与定桨距恒速型风力发电机组限制方法略有不同，即功率调整方式不同，它采纳变桨距方式变更风轮能量的捕获，从而使风力发电机组的输出功率发生变更，最终达到限制功率输出的目的。爱护环节以失效爱护为原则进行设计，当限制失败，内部或外部故障影响，导致出现危急状况引起机组不能正常运行时，系统平安爱护

3、装置动作，爱护风力发电机组处于平安状态。在下列状况系统自动执行爱护功能：超速、发电机过载和故障、过振动、电网或负载丢失、脱网时的停机失败等。爱护环节为多级平安链互锁，在限制过程中具有逻辑“与”的功能，而在达到限制目标方面可实现逻辑“或”的结果。此外，系统还设计了防雷装置，对主电路和限制电路分别进行防雷爱护。限制线路中每一电源和信号输入端均设有防高压元件，主控柜设有良好的接地并供应简洁而有效的疏雷通道。（二）自动运行的限制要求1.开机并网限制当风速10min平均值在系统工作区域内，机械闸松开，叶尖复位，风力作用于风轮旋转平面上，风力发电机组渐渐起动，当发电机转速大于20%的额定转速持续5%，转速仍达不到60%额定转速，发电机进入电网软拖动状态，软拖方式视机组型号而定。正常状况下，风力发电机组转速连续增高，不必软拖增速，当转速达到软切转速时，风力发电机组进入软切入状态；当转速升到发电机同步转速时，旁路主接触器动作，机组并入电网运行。对于有大、小发电机的失速型风力发电机组，按风速范围和功率的大小，确定大、小电机的投入。软切入限制方式确定参照本章其次节第四条，但大电机和小电机的发电工作转速不一

4、样，通常为1000r/min和1500r/min，在小电机脱网，大电机并网的切换过程中，要求严格限制，通常必需在几秒内完成限制。2. 小风和逆功率脱网小风和逆功率停机是将风力发电机组停在待风状态，当10min平均风速小于小风脱网风速或发电机输出功率负到确定值后，风力发电机组不允许长期在电网运行，必需脱网，处于自由状态，风力发电机组靠自身的摩擦阻力缓慢停机，进入待风状态。当风速再次上升，风力发电机组又可自动旋转起来，达到并网转速，风力发电机组又投入并网运行。3.一般故障脱网停机机组运行时发生参数越限、状态异样等一般故障后，风力发电机组进入一般停机程序，机组投入气动刹车，软脱网，待低速轴转速低于确定值后，再抱机械闸，假如是由于内部因素产生的可复原故障，计算机可自行处理，无需维护人员到现场，即可复原正常开机。4.紧急故障脱网停机当系统发生紧急故障如风力发电机组发生飞车、超速、振动及负载丢失等故障时，风力发电机组进入紧急停机程序，机组投入气动刹车的同时执行90偏航限制，机舱旋转偏离主风向，转速达到确定限制后脱网，低速轴转速小于确定转速后，抱机械闸。5. 平安链动作停机平安链动作停机指电限制系统

5、软爱护限制失败时，为平安起见所实行的硬性停机叶尖气动刹车、机械刹车和脱网同时动作，风力发电机组在几秒内停下来。6.大风脱网限制当风速10min 平均值大于25m/s 时，风力发电机组可能出现超速和过载，为了机组的平安，这时风力发电机组必需进行大风脱网停机。风力发电机组先投入气动刹车，同时偏航90，等功率下降后脱网，20s 后或者低速轴转速小于确定值时，抱机械闸，风力发电机组完全停止。当风速回到工作风速区后，风力发电机组起先复原自动对风，待转速上升后，风力发电机组又重新起先自动并网运行。7.对风限制风力发电机组在工作风速区时，应依据机舱的限制灵敏度，确定每次偏航的调整角度。用两种方法判定机舱与风向的偏离角度，依据偏离的程度和风向传感器的灵敏度，时刻调整机舱偏左和偏右的角度。8. 偏转900 对风限制风力发电机组在大风速或超转速工作时，为了风力发电机组的平安停机，必需降低风力发电机组的功率，释放风轮的能量。当10min平均风速大于25m/s或风力发电机组转速大于转速超速上限时，风力发电机组作偏转90限制，同时投入气动刹车，脱网，转速降下来后，抱机械闸停机。在大风期间实行90跟风限制，以保证

6、机组大风期间的平安。9. 功率调整当风力发电机组在额定风速以上并网运行时，对于失速型风力发电机组由于叶片的失速特性，发电机的功率不会超过额定功率的15%。一旦发生过载，必需脱网停机。对于变桨距风力发电机组，必需进行变距调整，减小风轮的捕风实力，以便达到调整功率的目的，通常桨距角的调整范围在-2-86。10. 软切入限制风力发电机组在进入电网运行时，必需进行软切人限制，当机组脱离电网运行时，也必需软脱网限制。利用软并网装置可完成软切入/出的限制。通常软并网装置主要由大功率晶闸管和有关限制驱动电路组成。限制目的就是通过不断监测机组的三相电流和发电机的运行状态，限制软切入装置通过限制主回路晶闸管的导通角，以限制发电机的端电压，达到限制起动电流的目的。在电机转速接近同步转速时，旁路接触器动作，将主回路晶闸管断开，软切入过程结束，软并网胜利。通常限制软切入电流为额定电流的1.5 倍。（三）限制爱护要求1. 主电路爱护在变压器低压侧三相四线进线处设置低压配电低压断路器，以实现机组电气元件的维护操作平安和短路过载爱护，该低压配电低压断路器还配有分动脱扣和辅动触点。发电机三相电缆线入口处，也设有配电自

7、动空气断路器，用来实现发电机的过电流、过载及短路爱护。2. 过电压、过电流爱护主电路计算机电源进线端、限制变压器进线端和有关伺服电动机进线端，均设置过电压、过电流爱护措施。如整流电源、液压限制电源、稳压电源、限制电源一次侧、调向系统、液压系统、机械闸系统、补偿限制电容都有相应的过电流、过电压爱护限制装置。3.防雷设施及熔丝主避雷器与熔丝，合理牢靠的接地线为系统主避雷爱护，同时限制系统有特地设计的防雷爱护装置。在计算机电源及直流电源变压器一次侧，全部信号的输入端均设有相应的瞬时超电压和过电流爱护装置。4. 热继电爱护运行的全部输出运转机构如发电机、电动机、各传动机构的过热、过载爱护限制装置。5.接地爱护由于设备因绝缘破坏或其他缘由可能引起出现危急电压的金属部分，均应实现爱护接地。全部风力发电机组的零部件、传动装置、执行电动机、发电机、变压器、传感器、照明器具及其他电器的金属底座和外壳；电气设备的传动机构；塔架机舱配电装置的金属框架及金属门；配电、限制和爱护用的盘（台、箱）的框架；交、直流电力电缆的接线盒和终端盒金属外壳及电缆的金属爱护层和窜线的钢管；电流互感器和电压互感器的二次线圈；避雷

8、器、爱护间隙和电容器的底座、非金属护套信号线的12 根屏蔽芯线；上述都要求爱护接地。二、限制平安系统平安运行的技术要求限制与平安与系统是风力发电机组平安运行的大脑指挥中心，限制系统的平安运行就是保证了机组平安运行，通常风力发电机组运行所涉及的内容相当广泛就运行工况而言，包括起动、停机、功率调解、变速限制和事故处理等方面的内容。风力发电机组在起停过程中，机组各部件将受到猛烈的机械应力的变更，而对平安运行起确定因素是风速变更引起的转速的变更。所以转速的限制是机组平安运行的关键。风力发电机组的运行是一项困难的操作，涉及的问题很多，如风速的变更、转速的变更、温度的变更、振动等都是干脆威逼风力发电机组的平安运行。（一）限制系统平安运行的必备条件1）风力发电机组开关出线侧相序必需与并网电网相序一样，电压标称值相等，三相电压平衡。2）风力发电机组平安链系统硬件运行正常。3）调向系统处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行的状态。4）制动和限制系统液压装置的油压、油温柔油位在规定范围内。5）齿轮箱油位和油温在正常范围。6）各项爱护装置均在正常位置，且爱护值均与批准设定的值相符。7）各限制电源处于接通位

9、置。8）监控系统显示正常运行状态。9）在寒冷和潮湿地区，停止运行一个月以上的风力发电机组再投入运行前应检查绝缘，合格后才允许起动。10）经修理的风力发电机组限制系统在投入起动前，应办理工作票终结手续。（二）风力发电机组工作参数的平安运行范围1.风速自然界风的变更是随机的没有规律的，当风速在3-25m/s的规定工作范围时，只对风力发电机组的发电有影响，当风速变更率较大且风速超过25m/s以上时，则对机组的平安性产生威逼。2. 转速风力发电机组的风轮转速通常低于40r/min，发电机的最高转速不超过额定转速的20%，不同型号的机组数字不同。当风力发电机组超速时，对机组的平安性产生严峻威逼。3. 功率在额定风速以下时，不作功率调整限制，只有在额定风速以上应作限制最大功率的限制，通常运行平安最大功率不允许超过设计值20%。4. 温度运行中风力发电机组的各部件运转将会引起温升，通常限制器环境温度应为0-30，齿轮箱油温小于120，发电机温度小于150，传动等环节温度小于70。5.电压发电电压允许的范围在设计值的10%，当瞬间值超过额定值的30% 时，视为系统故障。6.频率机组的发电频率应限制在50Hz1Hz，否则视为系统故障。7. 压力机组的很多执行机构由液压执行机构完成，所以各液压站系统的压力必需监控，由压力开关设计额定值确定，通常低于100HPa（三）系统的接地爱护平安要求1）配电设备接地。变压器、开关设备和互感器外壳、配电柜、限制爱护盘，金属构架、防雷设施及电缆头等设备必需接地。2）塔筒与地基接地装置，接地体应水平敷设。塔内和地基的角钢基础及支架要用截面25mm4mm的扁钢相连作接地干线，塔筒做一组，地基做一组，两者焊接相连形成接地网。3）接地网形式以闭合型为好。当接地电阻不满意要求时，引入外部接地体。4）接地体的外缘应闭合，外缘各角要作成圆弧形

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