風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

顏 寧，劉 健，馬少華，趙海川

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的提高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不但要具有較優(yōu)的電能輸出質(zhì)量，還要具有高度的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的精確控制及穩(wěn)定安全運(yùn)行可有效保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能[1]。安全保護(hù)系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)的冗余備份系統(tǒng)，在主控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可替代主控系統(tǒng)完成在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)失速、失電及嚴(yán)重故障等情況下的停車或剎車，從而保證系統(tǒng)安全，因此安全鏈對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性至關(guān)重要[2]。

安全保護(hù)系統(tǒng)與主控系統(tǒng)之間應(yīng)該盡可能保持相互的獨(dú)立，一般采用各子模塊硬件開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的串聯(lián)設(shè)計(jì)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部或外部發(fā)生故障或系統(tǒng)參數(shù)超限時(shí)，或者控制系統(tǒng)失效時(shí)，啟動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)，從而維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全[3-4]。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部任何部件發(fā)生失效或者故障時(shí)，則開(kāi)關(guān)由正常閉合狀態(tài)執(zhí)行跳變?yōu)榘踩У谋Ｗo(hù)動(dòng)作，從而完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的保護(hù)[5]。安全系統(tǒng)即安全鏈，是保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)安全鏈多限于理論認(rèn)知的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相對(duì)比較少，無(wú)法滿足高校及科研單位對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的教學(xué)和學(xué)生對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)踐學(xué)習(xí)。

從認(rèn)知到創(chuàng)新是事物發(fā)展的必然過(guò)程，而在教育、教學(xué)的發(fā)展中此過(guò)程更是必不可少。掌握安全鏈可能出現(xiàn)的故障及故障后所表現(xiàn)出的現(xiàn)象對(duì)學(xué)生在實(shí)踐中上認(rèn)知安全鏈具有重要意義。因此，本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要由一級(jí)安全鏈和二級(jí)安全鏈構(gòu)成，分別為主控和風(fēng)輪、變槳等部件提供安全保護(hù)。另外設(shè)計(jì)了安全系統(tǒng)邏輯流程，并對(duì)故障類型及故障顯示方式進(jìn)行了設(shè)定，為用戶提供了認(rèn)知安全鏈故障的環(huán)境。

1 安全鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及安全系統(tǒng)邏輯流程

1.1 安全鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安全鏈?zhǔn)秋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組中極其重要的一環(huán)，也是整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)的最后一道屏障，其邏輯等級(jí)優(yōu)先于控制系統(tǒng)，可以在風(fēng)電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。它的設(shè)計(jì)與安裝獨(dú)立于主控系統(tǒng)的軟、硬件，將對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可能產(chǎn)生運(yùn)行故障的節(jié)點(diǎn)組成串聯(lián)回路[6-7]。安全鏈可分為一級(jí)安全鏈和二級(jí)安全鏈，一級(jí)安全鏈主要是主控系統(tǒng)安全保護(hù)裝置，二級(jí)安全鏈主要是風(fēng)輪、變槳系統(tǒng)安全保護(hù)裝置[8]。在兩級(jí)安全鏈回路中包括主控急停開(kāi)關(guān)、風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)超速開(kāi)關(guān)、偏航扭纜開(kāi)關(guān)、振動(dòng)開(kāi)關(guān)、24 V 電源、變槳系統(tǒng)開(kāi)關(guān)、機(jī)艙急停開(kāi)關(guān)等部件，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 安全鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

將所有的按鈕、開(kāi)關(guān)及監(jiān)測(cè)模塊串聯(lián)到安全繼電器的觸點(diǎn)上，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，由24 V 電源供能。當(dāng)此回路中任意一個(gè)開(kāi)關(guān)由于機(jī)組某環(huán)節(jié)故障而動(dòng)作時(shí)，整條回路將斷電，而由安全鏈繼電器控制的工頻交流回路會(huì)失電，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的交流接觸器和電磁閥也會(huì)失電，機(jī)組將立即停機(jī)、脫網(wǎng)，同時(shí)閉鎖主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)，從而最大限度地保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，若故障得不到消除或解決，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將無(wú)法實(shí)現(xiàn)任何操作[9-10]。

1.2 安全系統(tǒng)邏輯流程

在安全鏈中多個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)，而安全鏈作為單信號(hào)觸發(fā)即可產(chǎn)生動(dòng)作的控制鏈條，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障觸發(fā)安全鏈環(huán)節(jié)內(nèi)的任何一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)后，安全鏈將會(huì)立即采取動(dòng)作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將進(jìn)行緊急制動(dòng)停機(jī)。需要對(duì)引起安全鏈動(dòng)作的多個(gè)動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)判斷，不能同時(shí)處理兩個(gè)故障信號(hào)，因此監(jiān)測(cè)和處理的信號(hào)間需要有邏輯順序，其邏輯監(jiān)測(cè)流程如圖2所示。

圖2 安全鏈邏輯監(jiān)測(cè)流程

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后，進(jìn)行系統(tǒng)及程序的初始化操作，并對(duì)安全鏈上的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，首先要對(duì)急停開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況進(jìn)行檢測(cè)，若有問(wèn)題將進(jìn)行風(fēng)機(jī)停機(jī)操作，反之對(duì)風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)是否超速進(jìn)行檢測(cè)；如果由于風(fēng)速太大，引起了葉輪或者發(fā)電機(jī)超速運(yùn)行，則使用控制系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)輪的剎車操作，若兩個(gè)百分點(diǎn)系統(tǒng)都失效，則啟動(dòng)氣動(dòng)剎車進(jìn)行風(fēng)輪的減速及停轉(zhuǎn)操作；接下來(lái)檢測(cè)是否由于偏航解纜造成線纜扭纜；然后檢測(cè)發(fā)電機(jī)、偏航及變槳系統(tǒng)是否存在大幅度振動(dòng)現(xiàn)象，若無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象則對(duì)電網(wǎng)電壓是否跌落進(jìn)行檢測(cè)；若電網(wǎng)電壓低于20%額定電壓時(shí)，則系統(tǒng)控制器將在后備電源（UPS）的電能供應(yīng)下完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的離網(wǎng)、制動(dòng)及停機(jī)；最后對(duì)發(fā)電機(jī)短路狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。在上述的各個(gè)流程環(huán)節(jié)中，如中間任意回合發(fā)生故障，都會(huì)造成系統(tǒng)的緊急停機(jī)程序啟動(dòng)，在排查解決系統(tǒng)的故障并重新啟動(dòng)系統(tǒng)后，安全鏈將重新進(jìn)行上述檢測(cè)步驟。

2 安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成及故障設(shè)定

本文所設(shè)計(jì)的安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由供電電源模塊、變槳安全鏈、主控安全鏈1、主控安全鏈2、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)模塊等組成，安全鏈故障模擬平臺(tái)系統(tǒng)線路如圖3 所示。

在供電電源電路中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈電源和變槳電源分別獨(dú)立設(shè)置，其中安全鏈電源采用UPS 電 源。另外，采用開(kāi)關(guān)電源為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的直流元件提供24 V 直流電。

圖3 安全鏈故障模擬平臺(tái)系統(tǒng)線路圖

變槳安全鏈主要由變槳安全鏈繼電器、安全繼電器、旁路輸入按鈕等模塊組成，K15 為旁路故障模擬考試點(diǎn)，正常情況下變槳控制系統(tǒng)通過(guò)SSB 變槳柜采集槳葉空間、時(shí)間信息并對(duì)變槳系統(tǒng)進(jìn)行控制。

主控安全鏈 1 則主要由主控安全鏈繼電器123K3、機(jī)艙柜PLC 急停開(kāi)關(guān)K1、主控柜急停開(kāi)關(guān)K2、機(jī)艙柜急停開(kāi)關(guān)K3、機(jī)艙位置傳感器及機(jī)艙柜PLC 復(fù)位開(kāi)關(guān)K4 等部件組成，當(dāng)安全鏈正常時(shí)，變槳安全鏈、主控安全鏈1 和2 將都處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

主控安全鏈2 主要由主控安全繼電器122K4、機(jī)艙柜過(guò)速1 模塊K12、機(jī)艙柜過(guò)速2 模塊K14、機(jī)艙安全鏈急停按鈕K1、機(jī)艙振動(dòng)開(kāi)關(guān)K7、機(jī)艙復(fù)位按鈕K8、機(jī)艙柜PLC 復(fù)位按鈕K9 以及主控柜復(fù)位按鈕K10 等部件組成，其中還設(shè)有考試點(diǎn)故障開(kāi)關(guān)，用來(lái)進(jìn)行教學(xué)操作。

電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由電壓監(jiān)測(cè)模塊及轉(zhuǎn)速傳感器等模塊和相應(yīng)繼電器組成，用來(lái)在機(jī)組超速及電壓大幅跌落情況下斷開(kāi)安全鏈，從而維護(hù)機(jī)組的安全運(yùn)行。

由上述器件搭建構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4 所示，該平臺(tái)可以模擬多種安全鏈故障，當(dāng)故障設(shè)定后會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的器件進(jìn)行動(dòng)作，從而斷開(kāi)安全鏈。而學(xué)生或者培訓(xùn)人員可以通過(guò)平臺(tái)上的指示燈顯示狀態(tài)及開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)作狀態(tài)判斷引起安全鏈動(dòng)作的故障類型。將該平臺(tái)用于高校及科研院所的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈培訓(xùn)上，可以大幅提高學(xué)員對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈故障的解決、排查能力。

圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

安全鏈故障實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)的各類按鈕在不同狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生不同的安全鏈故障，安全鏈故障產(chǎn)生方式如表1 所示。

表1 安全鏈故障模擬表

3 安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)流程

理論與實(shí)踐相結(jié)合才能有效提高學(xué)生對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中安全鏈重要性的直觀認(rèn)識(shí)，并了解由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障所引起的安全鏈動(dòng)作情況，因此利用安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要手段。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用步驟分為從下幾步：

（1）接通電源。連接器插頭采用3 根1.0 mm2的線纜，將插頭接入控制柜下方的空氣開(kāi)關(guān)，與380 V交流電源相連接。

（2）合閘。依次將各點(diǎn)處的合閘斷路器閉合，保證各處電源正常，各開(kāi)關(guān)的電源指示燈點(diǎn)亮。

（3）考前檢查。將控制柜前側(cè)的所有急停按鈕進(jìn)行復(fù)位操作，并對(duì)復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位操作，調(diào)整手動(dòng)按鈕確保其全部位于中間狀態(tài)，并將控制柜背板上的所有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)都置于中間位置。此時(shí)要確保安全鏈處于安全狀態(tài)，安全繼電器123K3、122K4 為吸合狀態(tài)，并且控制柜背板上的開(kāi)關(guān)指示燈均處于熄滅狀態(tài)。同時(shí)將故障按鈕向右撥動(dòng)，檢查故障指示燈是否點(diǎn)亮。在檢查實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以正常無(wú)誤工作后，即可進(jìn)行考試。

（4）進(jìn)行考試。通過(guò)撥動(dòng)控制柜背面相應(yīng)開(kāi)關(guān)設(shè)置相應(yīng)故障模擬考試點(diǎn)，部分故障名稱及故障顯示如表2 所示。

（5）考試結(jié)束。將控制柜前面所有急停按鈕依次進(jìn)行復(fù)位，手動(dòng)按鈕全部撥動(dòng)到中間位置；控制柜背板轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)中的S18 和S19 撥動(dòng)到中間位置，其余轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)撥動(dòng)到左側(cè)位置。按照與斷路器閉合相反順序斷開(kāi)斷路器從而切斷電源，將電源線插頭拔出并收好。

在本文所設(shè)計(jì)的安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中每個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)都可以設(shè)定一種故障，當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)旋至右側(cè)時(shí)就可以觸發(fā)設(shè)定故障。

表2 部分故障模擬考試信息表

當(dāng)設(shè)置好風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈的故障后，在平臺(tái)的多個(gè)安全繼電器上出現(xiàn)故障的示意，包括指示燈亮、開(kāi)關(guān)失靈等，學(xué)生或者培訓(xùn)人員可以根據(jù)這些示意來(lái)對(duì)故障進(jìn)行判別，并找出故障所在位置，從而完成故障的運(yùn)維。部分故障下安全鏈的故障示意如圖5 所示。

圖5 安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部分故障示意

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可用于學(xué)生了解安全鏈結(jié)構(gòu)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障下安全鏈動(dòng)作狀況。該平臺(tái)可模擬多種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障時(shí)的安全鏈動(dòng)作情況，能提高學(xué)生對(duì)安全鏈動(dòng)作后風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障的排查能力。該平臺(tái)也用于風(fēng)電場(chǎng)工作人員的預(yù)先培訓(xùn)，可提高工作人員故障解決能力，有利于保障風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。