2.7　風力機安全運行

風力機的運行是完全自動的，在故障時能處于保護狀態，并能指出故障原因。小型風力機運行可使風力機在緊急情況下處于安全狀態，或故障時使運行停止，并達到不可逆轉的保護狀態。而機組容量越大，運行監控系統越復雜，要求也越高，造價就越高。在正常運行中的風力機的監控和保護應有兩個功能，一種是隨時可以手動停機；另一種是運行操作控制系統誤操作時，沒有誤控制或非允許的運行情況發生，不允許由于極限值操作臺外力造成參數變化，或開關過程變化而產生機器動作。這一極限值尤為重要的是風輪超速極限，在故障時用來設計并保護不超過容許值。

2.7.1　風力機運行流程

圖2-16表示的是DEBRA-25型風力機的運行流程。該機是雙葉輪轉速，粗線表示的是靜態情況，虛線表示的是過渡過程。

①系統檢測　運行檢測，自動測試風力機各種實際功能。

②靜止狀態　風輪處于順槳狀態，機械剎車未投入。風輪慢慢轉動，以便使葉片中貯存的水流出，避免冬季結冰、葉片脹裂。由操作臺手動，可以使葉輪剎住。

③啟動　按動正常運行按鈕，葉片達到70°攻角的啟動位置，葉輪轉動加快。

④等待狀態　測試葉片啟動位置時的風輪轉速，當風輪轉速超過（平均）3r/min時，風力機達到發電狀態，開始進入運行狀態。風輪轉速在等待時超過了允許的最高值時，風力機仍處于等待狀態。

⑤高速運行，控制槳距角，使風輪加速到額定轉速以下，在超過某一確定轉速時和電網頻率同步。

⑥負荷運行Ⅰ　風力機發電。通過變距使發電機額定功率在允許值以下，在部分負荷范圍下，葉片角度恒定在2°（最佳運行角）平均超過1min。在額定功率下運行，說明風足夠使運行達到第2級。而超過1min平均輸出功率只有0.5kW，則說明風太小，風力發電機從電網吸收功率。

⑦負荷變化運行Ⅰ→Ⅱ或Ⅱ→Ⅰ　風力機由低向高風輪轉速（Ⅰ→Ⅱ）加速，而從電網的解列，或相反（Ⅱ→Ⅰ）達到新的同步并網。

⑧負荷運行Ⅱ　風力機輸出功率。大風時，調整到額定功率，部分負荷時，葉片角度恒定在2°（最佳運行角）。額定功率以上，葉片角度由測風來控制平均值超過1min。葉片角度超過30°，說明風速超過20m/s，風力機回到等待狀態直到風小為止。

⑨停機　風力機處于等待狀態。

⑩靜止狀態　風力機在運行狀態下的靜止狀態。

運行應自動進行，當故障時允許自動停機。這有賴于運行這一時刻是穩定還是不穩定的。

2.7.2　正常運行過程

風力機組的工作應適應氣象的變化，同時還要考慮到用戶情況。對于正常運行過程有以下幾點。

（1）正常運行

①維護時風太小，太大時停機；

②風力機達到額定轉速；

③并網（同步）；

④最佳的C_P匹配的風輪轉速；

⑤根據用戶情況，輸出功率與C_P相適應；

⑥在小風或大風時離網；

⑦維修時風機剎車；

⑧電網故障時風機剎車，電網倒流，重新同步和發電運行；

⑨發電運行的返回，雙向切換過程。

所有運行狀態應根據風速變化、相應的載荷分布來考慮。必須準確地測出某過程的重復性。但當電網故障出現時，風力機必須切出。自動同步發電機不僅能向有故障的電網送電，并配有無功系統，當相對容量存在時，應能提供好的勵磁功率。當電網故障時，電網電壓發生變化，為此，風力機應停機。在停機過程中，應使載荷沖擊最小，這就要求具有良好的傳感器對信號進行檢測。

圖2-17所示是一臺風力機的運行統計圖，年平均風速為4.2m/s，風力機加速到電機的額定轉速時帶上一級負荷，在風輪加速過程中又降低了。額定轉速常達不到造成了斷續的加速過程，那么這時的風力發電機轉速就不要控制，塔架的自振頻率就要提高。

因發電機過熱過載時應及時地切出。風力發電機啟動偏航，一般偏航離開風向180°，控制使風輪能從偏航位置返回，再加速到電網同步轉速。

當風力機出現故障時，如超過了設計的允許值，應當及時切出，而且是不可逆轉的。運行中要求檢測、分析故障情況，并作出相應的判斷，避免不必要載荷的出現。

下面是DEBRA-25風力機的故障控制內容。

（2）故障控制停機

①超過允許的電纜纏繞。

②運行時系統電瓶電壓偏低。

③液壓系統故障。

④發電機單相保護。

⑤變距速度偏低。

⑥過載。

⑦發電機過熱。

（3）緊急切出

①超速。

②葉片槳距角超過允許值5°。

③轉速測量錯誤。

④減速過程持續時間超過允許值。

（4）高速時

①機械飛車拋出。

②機艙塔架振動。

③運行錯誤。

前兩種都是在微處理器控制下進行，往往是在故障出現后開關延時再控制，控制停機一般是在正常運行和在靜止時進行。故障排除后，經手動可以恢復運行。而緊急停機是很快地使機組停下，以避免機組受損害。此時主球閥處于液壓溢流狀態，打開液壓閥，在大風時，葉片順槳，達到空氣動力剎車。由于主球閥打開，葉輪變槳不會失靈，剎車會馬上起作用。附加緊急停車系統用在微處理器出現故障時的緊急停機，由離心開關監測轉速是否正常，當測速電機測得的轉速超過極限值時，使機組停止運行。上述控制停機不再起作用，而是像緊急停機那樣，主閥打開，立即停機。

2.7.3　運行安全性

安全性在一臺風力機的設計中是至關重要的，有以下幾點應加以注意。

（1）設計缺陷

①負荷考慮不足。

②出現了沒有考慮到的風力機特性。

③結構上的缺陷。

（2）安全和保護系統的不完善

①安全系統設計缺陷。

②運行人員發生錯誤。

③傳感器發生故障。

④環境的影響。

（3）制造、維護和安裝時存在的缺陷

①缺乏關鍵的技術。

②組裝質量不好。

③安裝問題。

④維修時出現的問題。

2.7.4　安全性方針

在風力機運行中還有一些情況對安全性有很大影響。

（1）出力過高　尤其是失速機在空氣密度大時，功率超過允許值，可產生發電機的過熱而停機。當機組剎車時，發電機冷卻，機組重新并網，若反復出現上面的情況，就會損害風力機部件，縮短機組壽命。

（2）振動　機組出現振動時，會使機械部件很快疲勞，從而出現故障或飛車。若當激振力與某些部件產生共振時，對機組的運行將是十分危險的。

（3）電網故障　當電網出現經常性故障時，機組反復停機、開機，機組的機械材料會出現磨損和疲勞，諸如葉片變槳的損害，葉輪齒輪箱過載及剎車失靈等。

（4）特殊氣候　如冬、夏季節氣溫的差異對于潤滑油的影響，復雜地形產生的氣流造成偏航力矩而產生部件疲勞，雷、電、雨及鹽霧、冰雹等都會對機組造成損害。

在安全設計中應遵循的原則有：

①風力機組必須有兩套以上的剎車系統；

②每套系統必須保證風力機在安全運行范圍內工作；

③兩套系統的工作方式必須不同，應當利用不同的動力源；

④至少一套系統保護風輪在外部不正常情況下，能處于容許范圍內工作；

⑤至少一套系統保護風輪轉動在故障時能停止下來；

⑥當安全系統進行停止或減速時，不允許手動產生影響；

⑦無空氣動力剎車的風力機用于超速時停機的機械剎車，和轉速傳感器應布置在風機軸上；

⑧在空氣動力剎車出現故障時，風輪應離開風向；

⑨電纜纏繞問題；

⑩機艙對風偏航速度應有一定限制，避免出現陀螺力矩；

電網故障，允許風力機在電網恢復正常時自動并網；

安全系統應保證在出現故障后不再運行并網，而是處于靜止狀態；

電器、液壓、氣動系統在故障時的動力源應能得到保證，以便安全系統投入。

2.7.5　風力機載荷設計

風力機是旋轉式動力機器，風是不斷變化的動力，在風力機的壽命期中，各種負荷來源于風及風輪的旋轉。在設計中要考慮各種載荷的性質，如運行時、維修時、安裝時以及風的情況和天氣條件，各種器件受力情況及失靈的情況。風力機的設計和計算目前在國際上還無法精確進行，一些國家進行了這方面的試驗，但試驗結果還有很大的局限性，負載的確定關系只適于一定范圍。

下面就載荷設計中需要考慮的內容列舉如下。

（1）一般外部條件　氣象條件包括風頻、風廓線、陣風、氣流、氣溫、濕度、結冰、鹽霧、飛砂。

（2）不正常外部條件　特殊氣候條件包括極限大風（世紀陣風）、特殊的邊界層流動、特殊陣風過程、最大的結冰、極限氣溫、冰雹、雷擊、電網故障、單相電壓損失、電壓波動、頻率波動、電網短路、對電網的雷擊。

（3）其他環境影響　人為錯誤、漏水（雨、蓄水）、牲畜的影響、鳥類的影響、振動。

（4）一般內部條件

①運行狀態　超停機、與電網同步、功率與轉速調節、正常運行、負載脫離（定載）、機艙對風調整、靜止（風輪允許緩慢轉動）、風輪卡住、對風、傾斜、塔架阻力或塔影效應。

②力和力矩　自重、質量加速度（剎車、調節）、離心力、陀螺力矩、質量不平衡、氣動不平衡產生的扭矩。

（5）特殊內部條件

①部件故障　變距振動和機械系統、傳遞環節、發電機短路、機艙對風、機械剎車、氣動剎車、運行、傳感器、發電（電流）。

②運行情況　超速、超功率、自振和振動、由于控制而產生的受迫振動、緊急關機、風矩回往轉動。

（6）其他　運輸、安裝、調整、維修。

以上各種情況在設計中未必都要同時考慮，要根據具體情況分析。要根據安裝地點的特殊條件來選取安全系數。

2.7.6　風輪機與航空安全問題

20世紀90年代，英國發生風力發電廠因噪聲擾民和干擾電視信號而引起一場官司。最近，英國國防部又提出，風力發電干擾航空雷達，影響空中安全。

英國風力發電學會計劃在全國建立18個風力發電廠，以便在2010年實現可再生能源占英國總電力10％的目標。但這一計劃遭到英國國防部的反對，并試圖阻止其中5個風力發電廠的建立。理由是這5個風力發電廠，都靠近英國皇家空軍基地。國防部的官員說，風力發電的渦輪機可能干擾空中管制，并為敵人的飛機提供掩護。

英國國防部認為，渦輪機葉片可能在跟蹤敵方飛機的雷達顯示屏上出現，影響雷達探測靠近渦輪機的敵機。風力發電學會顧問指出，空中交通管理人員在工作中經常要對付各種物體的干擾，如高大的樹木和各種飛行物，國防部應該拿出風力發電對雷達構成干擾的實據。

高大的渦輪機可能構成雷達的盲區，但影響面非常小，即100m高、延伸500～700m的空域。而解決這個問題也不難，如德國和丹麥就解決了這個問題。丹麥米德爾格魯登近海的風力發電廠離哥本哈根飛機場僅8km，他們在雷達系統中裝上一種軟件，就能過濾掉渦輪機的干擾信號。

利用吸波材料制造渦輪機，并調整好渦輪機之間的距離，也是降低風力發電廠干擾雷達的辦法。在某些條件下（如有敵機入侵），還可停止渦輪機的運轉。因此，風力發電場廠不會威脅空中安全。