2.8 其他部件

風力發電機組的其他部件主要包括機艙、塔架、監控系統、風速儀和風向標等。

2.8.1 機艙、塔架

2.8.1.1 機艙

機艙主要放置發電機等關鍵設備，風力發電機組的機艙底盤上布置有風輪軸、齒輪箱、發電機、偏航驅動器等機械部件，起著定位和承載（包括靜負載和動負載）的作用。維護人員通過塔架進入機艙。

為了保護風力發電機組機電設備不受外部環境的影響，減少噪聲排放，機艙與輪轂均采用罩體密封。罩體包括機艙罩和輪轂罩，機艙罩是由左下部機艙罩、右下部機艙罩、左機艙罩、右機艙罩、上部機艙罩、上背板、下背板七大主要部分通過螺栓聯結組合而成的殼體。機艙罩設有緊急逃生孔，緊急情況下人員可以通過逃生孔從機艙外部逃離。機艙罩內壁分布著接地電纜，作為防雷擊系統的一部分。

2.8.1.2 塔架

塔架是風力發電機組的主要支撐裝置，它將發電機與地面連接，為水平軸葉輪提供需要的高度，是整個風力發電機組安全運行的基礎。隨著風力發電機組性能的提高，對作為支撐系統的風電塔架也提出了更高的設計要求，所以在此過程中也形成了多種型式的塔架。根據塔架型式不同，主要分為錐臺型塔筒和格構式塔架兩種。

1．錐臺型塔筒

錐臺型塔筒是目前大型風力發電機組市場中最典型的結構型式。從外觀看，由底向上直徑逐漸減少，整體呈圓臺狀，因此也稱此類塔架為圓臺式塔架，如圖2-33所示。其主要優點是美觀大方、構造簡單、安全性能好、占地面積小、安裝、維護方便等，但目前存在的主要缺點是整體材料的利用率低、運輸中易受道路條件限制、經濟性差等。

2．格構式塔架

格構式塔架與輸電塔架外觀相似，如圖2-34所示。在早期小型風力發電機組中大量使用，其主要優點是制造簡單、耗材少、成本低、運輸方便，但主要缺點是在施工過程中連接的零部件較多、現場施工周期長、占地面積大、通向塔頂的檢修梯子不好安裝等。在大型風力發電機組中逐漸被錐臺型塔筒替代。不過當高度和剛度設計要求相同的情況下，格構式塔架比錐臺型塔筒的材料利用率高，使其材料消耗減少約40%；同時，格構式塔架的構件尺寸小，可大幅降低運輸成本。

塔架對大、中型風力機的影響不容忽視。塔架主要起著支撐機艙、發電機和葉輪的作用，并將載荷傳遞到基礎上。塔架在法蘭處用螺栓連接，塔架下端與基礎環連接，塔架上端通過螺栓與偏航軸承連接；塔架側的連接法蘭分為內法蘭式和外法蘭式；塔架底部安裝有主控制，變流柜，變壓器（如有必要）或水冷柜；塔架內裝有安全爬梯并一直通到塔架上平臺。每段塔架上部都設有一個休息平臺；塔架和機艙內都裝有照明燈；所有的動力和信號電纜在塔架內布放。電纜固定在電纜夾板上，不會影響機艙的轉動。發生扭纜時，風力發電機組能自動解纜。

2.8.2 監控系統

風電場計算機監控系統分中央監控系統和遠程監控系統，系統主要由監控計算機、數據傳輸介質、信號轉換模塊、監控軟件等組成。

2.8.2.1 中央監控系統

中央監控系統的功能是對風力發電機進行實時監測、遠程控制、故障報警、數據記錄、數據報表、曲線生成等。風力發電機組控制器中央監控系統結構圖如圖2-35所示。

目前，風電場所采用的風力發電機組都是以大型并網型機組為主，各機組有自己的控制系統，通過采集機組數據及狀態，計算、分析和判斷等操縱、控制機組的啟動、停機、調向、剎車和開啟油泵等動作，能使單臺風力發電機組實現全部自動控制，無需人為干預。

目前國內監控系統的下位機是指風力發電機組的控制器。監控系統上位機一般都是工控機，即工業計算機，通過里面的軟件和各種接口，如串口、以太網等采集各種設備的數據。對于每臺風力發電機組說，即使沒有上位機的參與，也能安全正確地工作。所以相對于整個監控系統，下位機控制系統是一個子系統，具有在各種異常工況下單獨處理風力發電機組故障、保證風力發電機組安全穩定運行的能力。從整個風電場的運行管理來說，每臺風力發電機組的下位控制器都應具有與上位機進行數據交換的功能，使上位機能隨時了解下位機的運行狀態并對其進行常規的管理性控制，為風電場的管理提供方便。因此，下位機控制器必須使各自的風力發電機組可靠地工作，同時具有與上位機通信聯系的專用通信接口。

國外進口的風力發電機組控制器主機一般采用專門設計的工業計算機或單板機。也有采用可編程控制器（PLC）。國內生產的一般較多采用可編程控制器（如西門子S7-300），這樣硬件的可靠性和穩定性好，尤其是對于海上風電維護不便，需要更可靠的控制器。PLC模塊化的結構方便組成各種所需單元?？刂破髦g的連接也很方便，易于構成主從式分散控制系統。

計算機監控系統負責管理各風力發電機組的運行數據、狀態、保護裝置動作情況、故障類型等。為了實現上述功能，下位機（風力發電機組控制器）控制系統應能將機組的數據、狀態和故障情況等通過專用的通信裝置和接口電路與中央控制器的上位計算機通信，同時上位機應能向下位機傳達控制指令，由下位機的控制系統執行相應的動作，從而實現遠程監控功能。

中央監控系統一般運行在位于中央控制室的一臺通用計算機或工控機上，通過與分散在風電場上的每臺風力發電機組就地控制系統進行通信，實現對全場風力發電機組的集群監控。風電場中央監控系統與風力發電機組就地控制系統之間的通信屬于較遠距離的一對多通信。國內現有的風電場中央監控系統一般采用RS485串行通信方式和4～20 mA電流環通信方式。比較先進的通信方式還有PROFIBUS通信方式、工業以太網通信方式等。

上述各種通信方式能夠完成風電場中央監控系統中的通信問題，但具有各自的特點，主要通信方式簡要對比見表2-1。

目前，我國各大風電場在引進國外風力發電機組的同時，一般也都配有相應的監控系統，但各有自己的設計思路和通信規約，致使風電場監控技術互不兼容。同時，控制界面全部是英文的也不利于運行人員操作。如果一個風電場中有多個廠家的多種型號的風力發電機組，就會給風電場的運行管理造成一定困難。如內蒙古輝騰錫勒風電場就有約5種監控軟件。因此，國家在科技攻關計劃中除了對大型風力發電機組進行攻關外，也應把風電場的監控系統列入攻關計劃，以期開發出適合我國風電場運行管理的監控系統。目前也有一些國產監控系統開發成功并投入運行，如新疆風能有限責任公司的“通用風電場中央及遠程監控系統”。

風電場的監控軟件應具有以下功能：

（1）友好的控制界面。在編制監控軟件時，應充分考慮到風電場運行管理的要求，應當使用中文菜單，使操作簡單，盡可能為風電場的管理提供方便。

（2）能夠顯示各臺機組的運行數據，比如每臺機組的瞬時發電功率、累計發電量、發電小時數、風輪及電機的轉速和風速、風向等，將下位機的這些數據調入到上位機，在顯示器上顯示出來，必要時還應當用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。

（3）顯示各風力發電機組的運行狀態。如開機、停車、調向、手動/自動控制以及發電機工作情況。通過各風力發電機組的狀態了解整個風電場的運行情況，這對整個風電場的管理十分重要。

（4）能夠及時顯示各機組運行過程中發生的故障。在顯示故障時，應能顯示出故障的類型及發生時間，以便運行人員及時處理和消除故障，保證風力發電機組的安全和持續運行。

（5）能夠對風力發電機組實現集中控制。值班員在集中控制室內就能對下位機進行狀態設置和控制，如開機、停機、左右調向等。但這類操作必須有一定的權限，以保證整個風電場的運行安全。

（6）歷史記錄。監控軟件應當具有運行數據的定時打印和人工即時打印以及故障自動記錄的功能，以便隨時查看風電場運行狀況的歷史記錄情況。

監控軟件的開發應盡可能在現有工業控制軟件的基礎上進行二次開發，這樣：一方面，可以縮短開發周期；另一方面，由于現有的工業控制軟件技術成熟、應用廣泛、穩定性好，且能隨著軟件的升級而方便地升級。而直接從底層開發的監控軟件如果沒有強大的軟件隊伍和經驗豐富的軟件人員很難與之相比。

2.8.2.2 遠程監控系統

遠程監控系統的功能是實時查看風力發電機組的運行情況、數據記錄。風力發電機組遠程監控系統如圖2-36所示。

實際上，只要通信網連通，理論上遠程監控系統能夠實現的功能和中央監控系統一樣。但是為了安全起見，目前國內遠程監控系統只完成監視功能，隨著技術的發展，無人值班風電場的推出，遠程監控系統將發揮更大作用。

通信網絡是實現遠程監控系統的關鍵環節。根據國家經濟貿易委員會令（第30號）《電網和電廠計算機監控系統及調度數據網絡安全防護規定》，電力監控系統和電力調度數據網絡均不得和互聯網相連。因此，遠程監控系統通常只能使用專線或電力調度數據網絡。考慮到實際情況和需要，現在實現的風電場遠程監控系統一般采用電話線進行通信。

2.8.3 風速儀和風向標

風速儀和風向標用于測量風速及風向。風力發電機組很多控制算法都要依靠風速和風向這兩個輸入量，風速測量儀主要有風杯風速計、螺旋槳式風速計、熱線風速計和聲學風速表等，風杯風速器較常見。風杯風速計的外形圖如圖2-37所示。

風向標是各種測風儀器中用以指示風向的部件。分為頭部、水平桿和尾翼等三個部分。在風力的作用下，風向標繞直軸旋轉，使風尾擺向下風方向，頭部指向風的來向，其外形如圖2-38所示。

2.8.4 防雷接地系統

1．雷電對風力發電機組的危害

風力發電機組通常位于開闊的區域，而且很高，所以整個機組是暴露在直接雷擊的威脅之下，被雷電直接擊中的概率與物體高度的平方成正比。兆瓦級風力發電機組的葉片高度達到150m以上，因此其葉片部分特別容易被雷電擊中。風力發電機組內部集成了大量的電氣、電子設備，如開關柜、電機、驅動裝置、變頻器、傳感器、執行機構，以及相應的總線系統等，這些設備都集中在一個很小的區域內。毫無疑問，電涌會給風力發電機組帶來相當嚴重的損壞。

風力發電機組遭雷擊損壞后，由于故障損害分析和后續維修會有一段時間的停工期。對于風電場經營者來說，設備長時間停機會造成很大的經濟損失。風力發電機組高昂的首次投資費用必須在有限的時間內收回，因此必須采取措施保證設備的長期穩定運行。根據雷暴活動水平這一指標可以知道某一地區一年中云對地閃擊的次數。

當暴露在雷電直擊范圍內的物體高度超過60m時，除了云對地閃擊之外，地對云的閃擊也會出現。地對云閃擊也稱為向上閃擊，它從地面先導，伴隨更大的雷擊能量。地對云閃擊的影響對于風力發電機組葉片的防雷設計和第一級防雷器設計非常重要。根據長期觀察，雷擊除了機械損壞之外，風力發電機組的電子控制部分也常常損壞，主要有變頻器、過程控制計算機、轉速表傳感器、測風裝置。

2．防雷保護區

防雷保護區概念是規劃風力發電機組綜合防雷保護的基礎。它是一種對結構空間的設計方法，以便在構筑物內創建一個穩定的電磁兼容性環境，構筑物內不同電氣設備的抗電磁干擾能力的大小決定了對這一空間電磁環境的要求。

作為一種保護措施，防雷保護區應在防雷保護區的邊界之內，將電磁干擾（傳導性干擾和輻射性干擾）降低到可接受的范圍內。因此，被保護的構筑物的不同部分被細分為不同的防雷保護區。防雷保護區的具體劃分結果與風力發電機組的結構有關，也要考慮該保護區的結構型式和材料。通過設置屏蔽裝置和安裝電涌保護器，雷電在防雷保護區LPZ0A區的影響在進入PLZ1區時被大大縮減，風力發電機組內的電氣和電子設備就可以正常工作，不受干擾。按照防雷保護分區的概念，一個綜合防雷系統包括外部防雷保護系統和內部防雷保護系統。

（1）外部防雷保護系統。由接閃器、引下線和接地系統組成，它的作用是防止雷擊對風力發電機組結構的損壞以及火災危險。

1）接閃器。雷擊風力發電機組的落雷點一般是在機組的槳葉上，因此接閃器應預先布置在槳葉的預計雷擊點處以接閃雷擊電流。為了以可控的方式傳導雷電流入地，槳葉上的接閃器通過金屬連接帶連接到中間部位，金屬連接帶可采用30mm×3.5mm鍍鋅扁鋼。對于機艙內的滾珠軸承，為了避免雷電在通過軸承時引起焊接效應，應將其兩端通過炭刷或者放電間隙橋接起來。對于位于機艙頂部設施（如風速計）的防雷保護，采用避雷針的方式安裝在機艙頂部，保護該設備不受直接雷擊。

2）引下線。如果是金屬塔，可以直接將塔架作為引下線使用；如果是混凝土塔身，則采用內置引下線（鍍鋅圓鋼φ8～10mm，或者鍍鋅扁鋼30mm×3.5mm）。

3）接地系統。風力發電機組的接地由塔基的基礎接地極提供，塔基的基礎接地網應與周圍操作室的基礎接地極相連構成一個網狀接地體。這樣就形成了一個等電位連接區，當雷擊發生時可以消除不同點的電位差。

（2）內部防雷保護系統。由所有在該區域內縮減雷電電磁效應的設施組成。主要包括防雷擊等電位連接、屏蔽措施和電涌保護。

1）防雷擊等電位連接。它是內部防雷保護系統的重要組成部分。等電位連接可以有效抑制雷電引起的電位差。在防雷擊等電位連接系統內，所有導電的部件都被相互連接，以減小電位差。在設計等電位連接時，應按照標準考慮其最小連接橫截面積。一個完整的等電位連接網絡也包括金屬管線和電源、信號線路的等電位連接，這些線路應通過雷電流保護器與主接地匯流排相連。

2）屏蔽措施。屏蔽裝置可以減少電磁干擾。由于風力發電機組結構的特殊性，如果能在設計階段就考慮到屏蔽措施，則屏蔽裝置就可以以較低成本實現。機艙應該制成一個封閉的金屬殼體，相關的電氣和電子器件都裝在開關柜，開關柜和控制柜的柜體應具備良好的屏蔽效果。在塔基和機艙不同設備之間的線纜應帶有外部金屬屏蔽層。只有當線纜屏蔽的兩端都連接到等電位連接帶時，屏蔽層對電磁干擾的抑制才是有效的。

3）電涌保護。除了使用屏蔽措施來抑制輻射干擾源以外，對于防雷保護區邊界處的傳導性干擾也需要有相應的保護措施，這樣才能讓電氣和電子設備可靠的工作。在防雷保護區LPZ0A進入LPZ1區的邊界處必須使用防雷器，它可以導走大量的雷電流而不會損壞設備。這種防雷器也稱為雷電流保護器（Ⅰ級防雷器），它們可以限制接地的金屬設施和電源、信號線路之間由雷電引起的高電位差在安全的范圍之內。雷電流保護器的最重要的特性是按照10/350μs脈沖波形測試，可以承受雷擊電流。對風力發電機組來說，電源線路LPZ0A進入LPZ1區邊界處的防雷保護是在400/690V電源側完成的。

在防雷保護區以及后續防雷區，僅有能量較小的脈沖電流存在，這類脈沖電流由外部的感應過電壓產生，或者是從系統內部產生的電涌。對這一類脈沖電流的保護設備稱為電涌保護器（Ⅱ級防雷器）。用8/20μs脈沖電流波形進行測試，從能量協調的角度來說，電涌保護器需要安裝在雷電流保護器的下游。在數據處理系統安裝的電涌保護器與電源系統上安裝的電涌保護器不同，需要特別注意電涌保護器與測控系統的兼容性以及測控系統本身的工作特性。在數據處理系統安裝的電涌保護器與數據線串聯連接，而且必須將干擾水平限制在被保護設備的耐受能力以內。

3．接地系統

（1）TN系統，風力發電機組采用TN系統接地，可以較好地保護風力發電機組電氣系統及人員的安全。

TN系統中，T表示系統中有一點（一般是電源的中性點）直接接大地，稱為系統接地；N表示與系統直接接地點連接而間接接地，稱為保護接地。TN系統就是風力發電機組宜設一共用接地裝置，供所有設備接地之用，對于其他原因必須分開裝設到接地裝置，應采取等電位連接，連到共用接地裝置上。

（2）TT系統，前一個T表示系統接地是直接接地；后一個T表示用電設備外殼的保護接地是經PE線接單獨的接地板直接接大地，與電源中的N線線路和系統接地點毫無關聯。

風力發電機組的接地系統應包括一個圍繞風機基礎的環狀導體，此環狀導體埋設在距風機基礎1m遠的地面下1m處，采用50mm2銅導體或直徑更大些的銅導體；每隔一定距離打入地下鍍銅接地棒，作為銅導體電環的補充；銅導電環連接到塔架兩個相反位置，地面的控制器連接到連接點之一。有的設計是在銅環導體與塔基中間加上兩個環導體，以改善跨步電壓。

4．風力發電機組的接地電阻

為了將雷電流流散入大地而不會產生危險的過電壓，風力發電機組的工頻接地電阻一般應小于4Ω，在土壤電阻率很大的地方可放寬到10Ω。

如果風力發電機組放置在接地電阻率高的區域，要延伸接地網以保證接地電阻達到標準要求。若測得接地網電阻值大于要求的值，則必須采取降阻措施，直至達到標準要求?？梢詫⒍嗯_風力發電機組的接地網相互連接，這樣就可以通過延伸機組的接地網進一步降低接地電阻，使雷電流迅速流散入大地而不產生危險的過電壓。