[5]邰圣平等，300kW风力发电机组微机监控系；风力发电机组中的安全系统；1.安全系统在风力发电机组运行中的地位；安全生产是我国风电场管理的一项基本原则；风力发电机组的安全生产是一项安全系统工程，而控制；2.机组控制装置的安全系统组成；（一）系统组成如图；控制装置的安全系统组成；3.机组控制运行安全保护系统；(1).大风保护安全系统机组设计有切入风速Vg，
[5] 邰圣平等，300kW风力发电机组微机监控系统，《风力发电》，1999年第2期
风力发电机组中的安全系统
1.安全系统在风力发电机组运行中的地位
安全生产是我国风电场管理的一项基本原则。而风电场则主要是由风力发电机组组成，所以风力发电机组的运行安全是风电场最重要的。控制系统是风力发电机的核心部件，是风力发电机组安全运行的根本保证，所以为了提高风力发电机组的运行安全性，必须从控制系统的安全性和可靠性设计开始，根据风力发电机组控制系统的发电、输电、运行控制等不同环节的特点，在设备从安装到运行的全部过程中，切实把好安全质量关，不断寻找提高风力发电机组安全可靠性的途径和方法。
风力发电机组的安全生产是一项安全系统工程，而控制系统是风力发电机组的重要组成部分，它的安全系统构成整个安全系统的一部分，需要以系统论，信息论，控制论为基础，研究人、设备的生产管理，研究事故、预防事故的一门科学。从系统的观点，纵向从设计、制造、安装、试验、运行、检修进行全面分析，横向从元器件购买，工艺、规程、标准、组织和管理等全面分析最后进行全面综合评价。目的使风力发电系统各不安全因素减到最小，达到最佳安全状态生产。
2. 机组控制装置的安全系统组成
（一）系统组成如图
控制装置的安全系统组成
3. 机组控制运行安全保护系统
(1). 大风保护安全系统
机组设计有切入风速Vg，停机风速Vt，一般取10分钟25m/s的风速为停机风速；由于此时风的能量很大，系统必须采取保护措施，在停机前对失速型风机，风轮叶片自动降低风能的捕获，风力发电机组组的功率输出仍然保持在额定功率左右，而对于变浆距风机必须调节叶变距角，实现功率输出的调节，限制最大功率的输出，保证发电机运行安全。当大风停机时，机组必须按照安全程序停机。停机后，风力发电机组组必须90°对风控制。
(2). 参数越限保护
风力发电机组组运行中，有许多参数需要监控，不同机组运行的现场，规定越限参数值不同，温度参数由计算机采样值和实际工况计算确定上下限控制，压力参数的极限，采用压力继电器，根据工况要求，确定和调整越限设定值，继电器输入触点开关信号给计算机系统，控制系统自动辨别处理。电压和电流参数由电量传感器转换送入计算机控制系统，根据工况要求和安全技术要求确定越限电流电压控制的参数。
(3). 电压保护指对电气装置元件遭到的瞬间高压冲击所进行的保护，通常对控制系统交流电源进行隔离稳压保护，同时装置加高压瞬态吸收元件，提高控制系统的耐高压能力。
(4). 电流保护控制系统所有的电器电路（除安全链外）都必须加过流保护器，如保险丝、空气开关。
(5). 振动保护 机组设有三级振动频率保护，振动球开关、振动频率上限1、振动频率极限2，当开关动作时，系统将分级进行处理。
(6). 开机保护
设计机组开机正常顺序控制，对于定桨距失速异步风力发电机组采取软
切控制限制并网时对电网的电冲击；对于同步风力发电机，采取同步、同相、同压并网控制，限制并网时的电流冲击。
(7). 关机保护
风力发电机组组在小风、大风及故障时需要安全停机，停机的顺序应先空气气动制动，然后，软切除脱网停机。软脱网的顺序控制与软并网的控制基本一致。
(8). 紧急停机安全链保护
紧急停机是机组安全保护的有效屏障，当振动开关动作、转速超转速、电网中断、机组部件突然损坏或火灾时，风力发电机组组紧急停机，系统的安全链动作，将有效的保护系统各环节工况安全，控制系统在3秒钟左右，将机组平稳停止。
4. 电气接地保护系统
(1). 接地的基本概念
A.接地装置
电器设备的任何部分与土壤间作良好的电器连接成为接地，与土壤直接接触的金属体称为接地体。连接接地体与电器设备之间的金属导线称为接地线.接地祥和接地体和称为接地装置。接地在正常情况或事故情况下，为了保证电器设备的安全运行，必须将电控制系统一点进行接地，如把变压器的中心点接地，称为工作接地。
B. 保护接地
为了防止由于绝缘损坏而造成触电危险，把电器设备不带电的金属外壳用导线和接地装置相连接，控制板、电动机外壳接地，称为保护接地。
C. 接地的作用
保护接地的作用
电器设备的绝缘一旦击穿，可见其外壳对地电压限制
在安全电压以内，防止人身触电事故。
保护接零的作用
电器设备的绝缘一旦击穿，会形成阻抗很小的短路电路，产生很大的短路电流，促使熔体在允许时间内切断故障电路，以免发生触电伤亡事故。
工作接地的作用
降低人体的接触电压，迅速切断故障设备，降低电器设备和电力线路设计的绝缘水平。
D. 重复接地
在风场中性点接地系统中，中性点直接接地的低压线路，塔筒处（中性点）零线应重复接地；无专用零线或用金属外皮作零线的低压电缆应重复接地，电缆和架空线在引入建筑物处，如离接地点超过50M，应将零线接地，采用金属管配线时，应将金属管与零线连接后再重复接地，采用塑料管配线时，在管外应敷设界面不小于10mm2的钢线与零线连接后再重复接地。
每一重复接地电阻不超过10Ω，而电源（变压器）容量在100kVA以下者，每一重复接地电阻不超过30Ω，但至少要有3处进行重复接地。
（2）、机组接地保护装置
A、接地体分为人工接地体和自然界接地体。接地装置应充分利用与大地有可靠连接的自然接地即体塔筒和地基，但为了可靠接地，可自行设计人工接地体与塔筒和地基相连组成接地网，这样具有较好的防雷电和大电流、大电压的冲击，同时必须安装绕线环和接地棒的接地设计装置，即接地保护装置。
B、人工接地体不应埋设在垃圾、炉渣和强烈腐蚀性土壤处，埋设时接地体深度不小于0.6m，垂直接地体长度应不小于2.5m，埋入后周围要用新土敦实。
C、接地体连接应采用搭接焊，搭接长度为扁钢长度的2倍，并由三个邻边施焊，为园钢直径的六倍， 并由两面施焊。接地体与接地线连接，应采用可拆卸的螺栓联结，以便测试电阻。
D、当地下较深处的土壤电阻率较低时，可采用深井或深管式接地体，或在接地坑内填入化学降阻剂。
5. 微控制器抗干扰保护系统
(1)抗干扰保护系统组成
抗干扰的基本原则，为了使微机控制系统或控制装置既不因外界电磁干扰的影响而误动作或丧失功能，也不向外界发送过大的噪声干扰，以免影响其他系统或装置正常工作，所以设计师主要遵循下列三个原则：
A、抑制噪声源，直接消除干扰产生的原因；
B、切断电磁干扰的传递途径，或提高传递途径对电磁干扰的衰减作用，以消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合；
C、加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力，降低其噪声灵感度；
(2)、系统的抗干扰设计
在风力发电控制系统中，为了系统稳定可靠地工作，研究干扰对微机控制器系统的影响及采取抗干扰措施是十分必要的。
在风力发电控制系统或其他电子设备中，一个电路要减少干扰的影响，可以尽量减小干扰源产生的干扰强度；亦可以切断或降低干扰耦合因素，使干扰强度尽量衰减。再就是采取各种措施，提高电子线路的抗干扰能力。
干扰源有的来自系统的外部。例如，工业电器设备的电火花，高压输电线上的放电；通信设备的电磁波。太阳辐射。雷电以及各大功率设备开关时发出的干扰均属于这类干扰。另一类干扰来自微机应用系统内部。例如，电源自身产生的干扰；电路中脉冲尖峰或自激振荡；电路之间通过分布电容的耦合产生的干扰，设备的机械振动产生的干扰；大的脉冲电流通过地线电阻、电源内阻造成的干扰等等均属这一类。
知道干扰来源，我们可在干扰源处采取措施，抑制其产生。这种措施有时是十分有效的。在无法控制干扰源的地方，就必须采取另外措施来下功夫。
6. 多重保护安全系统
（1）安全系统硬件的实现
A、主电路保护
B、过压、过流保护
C、瞬态保护
D、防雷保护系统
（2）微机控制器软件的安全设计实现
（3）软件安全设计
恶劣环境下风力发电设备的运输与安装
1 风力发电设备大型化带来的挑战
风力发电设备大型化有优势吗？从风力发电机的角度看，答案是肯定的。这也可从过去20 多年来大型风力发电机技术的不断进步得到印证。随着高效风力发电机逐渐大型化，则制造风力发电机的材料需求也随之增大。到2003 年底，功率为2MW 及以上的风力发电机已经得到广泛的应用，由此也会刺激大型风力发电设备的市场需求，因此，大型风力发电设备的市场前景非常广阔。轮毂高度是风力发电力设备中非常重要的一个参数。以平均功率在
1.5 到2.5MW 的风力发电机为例 ，叶轮直径接近100 米。随着叶轮直径和风力发电机重量的增加，风力发电塔也越来越大；随着塔的高度增加，塔的弯矩也随之增加。通常可以用两种方法解决大型风力发电机塔体的载荷。一是增加塔体的壁厚，二是增加塔体底径。目前，由于运输限制和焊接能力不足，这两种方法都不可行。
1.1 大型化带来的不便
风力发电设备大型化给客户造成的主要不便之一是运输和安装。发电机增大，塔体就要相应增大，这些都受到运输的要求限制。大型风力发电塔，一般以圆锥型管状结构为主，已经开始受到运输的限制，因为底节直径超过4 米、重量超过40,000kg、长度超过20 米，这
样的尺寸在运输中已经属于超长、超高、超宽和超重。同时，现代风力发电机主要零部件也受到了限制，风力发电机舱超重，宽度也属于特殊规格，需要重型拖车和特别安全驾驶。相比较而言，叶片仍以轻取胜，但由于叶片长度的增加，仍需要超常运输的许可。特殊规格运输势必要增加成本，这在商业竞争激烈的今天，高成本的运输对提高企业的竞争力是非常不利的。为使风电设备经得住时间和自然风蚀的考验，必须要进行表面处理。如今，表面处理技术以喷漆处理为主。尽管喷漆效果不错而且操作简单，但在安装时就会暴露很多问题。比如喷漆的表面容易被划伤，导致生锈，而且，风电设备一旦安装完成，修补划伤的表面会有很多困难。经过风蚀日晒后的喷漆易发生碎片脱层，不易于维护。
2 解决风力发电设备面临的具体问题
怎样生产出更大底径的风力发电塔，以保证承载大型发电设备及其塔体本身的重量？有没有最经济的运输方式来运输此种庞然大物？有什么办法能够避免风力发电塔生锈，如何实施这项技术？针对以上问题，维蒙特工业公司有自己独特的解决方法。维蒙特工业公司是专业从事钢结构工程和表面处理的国际化公司。公司成立于1947 年，总部位于美国奥马哈市，起步阶段主要以推广灌溉业务为主，1954 年研制开发了高效灌溉设备－圆形喷灌机。后来维蒙特的业务范围扩大到生产应用于照明、公共事业和通讯事业的各种钢结构杆、钢结构塔和其他钢结构，并为各种工业用户提供表面处理和加工产品。维蒙特工业公司在全球有44 座工厂，在100 多个国家设有办事处。在中国北京、上海和广州，均设有办事处。 借助于在钢结构杆制造业领域积累的专业知识和经验，维蒙特介入风能领域的起点高，致力于以技术革新解决目前风力发电塔的不足。
2.1 表面处理
首先要解决的是钢结构的生锈问题。由于维蒙特拥有世界级的热镀锌设备，和在镀锌方面的成功经验，其专业化的镀锌技术能够解决风力发电设备的防锈问题。以热渡锌技术解决防锈问题，那么大型风力发电塔如何镀锌？如何找到如此巨大的热镀锌槽？如何采用常规的运输方法来实现风力发电塔的运输？维蒙特的解决方案是采用模块组件的方法扩大风力发电塔的管径以满足1.5 MW 以上风机的需要，即圆锥形风力发电塔由若干节构成，每一节又分成若干瓣，每一瓣通过螺栓联接构成一个圆形。
2.2 大型风力发电塔的运输与安装
为解决大型风力发电塔的运输与安装问题，维蒙特钢结构专家组成员进行了技术革新和发明DD锥形塔体由模块组件构造，并已经在全世界范围内申请了专利。新结构的风力发电塔为锥形，而且规格尺寸可以做到与传统惯用的风力发电塔保持一致。以一个65 米高
1.5MW 系列风力塔为例，塔身由四部分组成，每部分由四瓣模块组件组成，如下图所示。正因为是模块组件设计，所以所有的组件不仅镀锌容易，而且易于利用普通平板卡车运输从而不需要特殊申请。在现场利用普通的装卸车和小型起重机即可进行装卸，各组件由螺栓联接，从而完成塔体安装。该方法大大节省了传统风力发电塔在运输和安装方面的费用。前面已经提到，每一组件都是镀锌的，因此能够避免划伤而引起锈迹斑斑甚至导致潜在的整体结构危险。利用该新技术，维蒙特公司已经成功的安装了超过100 米高的风力发电塔用于支撑2.5MW 系列和更大功率系列的风力发电机，所有这些风力发电塔的运输均采用的是常规运输方式。
目前维蒙特关于风力发电塔的另一个发明是风力发电设备安装系统。该安装系统能够完成从叶轮，塔体和发电设备的整个安装，整个安装过程可以不用吊车。工程设计人员设计出利用塔体外自动升降“电梯”沿着锥形体坡度滑升，运载能力足可以将巨大的发电机运送到所需高度。随着发电机变得越来越大，塔体变得越来越高，超大功能的起重机的难觅，自动升降系统会变得更加可行，该设计结构已经获得德国GL 公司IEC 风力发电专业二级认证。
3 对新技术新产品的认识与接受
模块组件风力发电塔能够解决运输、表面处理、高度、重量、塔体底径等等诸多问题。因此，选择该结构塔体则是发电机生产和开发企业的正确选择。对于风能客户来说，该设计和结构展示给他们的是一个崭新的世界。对于发电机生产商来说，因为与小型发电机配套的风力发电塔产生的问题较少，选择何种风力发电塔往往不会被优先考虑。但随着发电机变得越来越大，维蒙特的创新发明的优越性就凸显出来了，总之，该设计不仅降低了安装成本，而且降低了整个项目的费用。这种“面向未来的结构”给风能世界带来一个新的理念，将风能世界带入了一个崭新的高度
风机功率过高或过低的处理
1．功率过低
如果发电机功率持续(一般设置30～60s)出现逆功率，其值小于预置值Ps，风力发电机组将退出电网，处于待机状态。脱网动作过程如下：断开发电机接触器，断开旁路接触器，不释放叶尖扰流器，不投入机械刹车。重新切入可考虑将切人预置点自动提高0.5％，但转速下降到预置点以下后升起再并网时，预置值自动恢复到初始状态值。
重新并网动作过程如下：合发电机接触器，软启动后晶闸管完全导通。当输出功率超过Ps3s时，投入旁路接触器，转速切人点变为原定值。功率低于Ps，时由晶闸管通路向电网供电，这时输出电流不大，晶闸管可连续工作。
这一过程是在风速较低时进行的。发电机出力为负功率时，吸收电网有功，风力发电机组几乎不做功。如果不提高切人设置点，起动后仍然可能是电动机运行状态。
2．功率过高
一般说来，功率过高现象由两种情况引起：一是由于电网频率波动引起的。电网频率降低时，同步转速下降，而发电机转速短时间不会降低，转差较大；各项损耗及风力转换机械能瞬时不突变，因而功率瞬时会变得很大。二是由于气候变化，空气密度的增加引起的。功率过高如持续一定时间，控制系统应作出反应。可设置为：当发电机出力持续10min大于额定功率的15％后，正常停机；当功率持续2s大于额定功率的50％，安全停机。
风力发电机组退出电网
风力发电机组各部件受其物理性能的限制，当风速超过一定的限度时，必需脱网停机。例如风速过高将导致叶片大部分严重失速，受剪切力矩超出承受限度而导致过早损坏。因而在风速超出允许值时，风力发电机组应退出电网。
由于风速过高引起的风力发电机组退出电网有以下几种情况：
1)风速高于25m／s，持续10min。一般来说，由于受叶片失速性能限制，在风速超出额定值时发电机转速不会因此上升。但当电网频率上升时，发电机同步转速上升，要维持发电机出力基本不变，只有在原有转速的基础上进一步上升，可能超出预置值。这种情况通过转速检测和电网频率监测可以做出迅速反应。如果过转速，释放叶尖扰流器后还应使风力发电机组侧风90°，以便转速迅速降下来。当然，只要转速没有超出允许限额，只需执行正常停机。
2)风速高于33m／s，持续2s，正常停机。
3)风速高于50m／s，持续ls，安全停机，侧风90°。
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