风力发电原理第八章

1、能源动力与机械工程学院P42-1 风力机运行技术风力机运行技术 风力发电机组的运行状态风力发电机组的运行状态 风力发电机组的基本运行过程风力发电机组的基本运行过程 风电场的监控系统风电场的监控系统 第八章第八章 风力机运行与维护风力机运行与维护 能源动力与机械工程学院P42-2 风力发电机组运行：风力发电机组运行： 首先是安全可靠，在故障发生时能及时进行保护，首先是安全可靠，在故障发生时能及时进行保护， 并确定故障产生的原因；并确定故障产生的原因； 其次，按设计要求高效输出电能；其次，按设计要求高效输出电能； 再次，对小型风力机要求运行的自动化程度高，再次，对小型风力机要求运行的自动化程度高，

2、 对大型机则完全自动控制。对大型机则完全自动控制。 8-1 风力机运行技术风力机运行技术 能源动力与机械工程学院P42-3 风力机组的安全运行，要遵循以下风力机组的安全运行，要遵循以下5 5点安全方针：点安全方针： 设计无缺陷。风力机负载考虑周全而准确；预测风力机设计无缺陷。风力机负载考虑周全而准确；预测风力机 特性符合实际特性；结构合理，强度符合要求；安全和特性符合实际特性；结构合理，强度符合要求；安全和 保护系统完善，设计无缺陷。保护系统完善，设计无缺陷。 制造、安装和维护时无缺陷。组装和安装质量良好，维制造、安装和维护时无缺陷。组装和安装质量良好，维 修时能完全排除呈现的问题和隐患。修时

3、能完全排除呈现的问题和隐患。 运行人员严格按照操作规范操作，避免发生可能发生的运行人员严格按照操作规范操作，避免发生可能发生的 错误。错误。 传感器等测量设备灵敏度高，精度高，故障率少。传感器等测量设备灵敏度高，精度高，故障率少。 对突发灾难性气象、环境变故有预报，应对措施得当。对突发灾难性气象、环境变故有预报，应对措施得当。 一、安全性方针一、安全性方针 能源动力与机械工程学院P42-4 在安全系统设计中和运行前安检遵循的原则如下：在安全系统设计中和运行前安检遵循的原则如下： (l)(l)风力发电机组必须有两套以上的刹车系统，每套系统必须风力发电机组必须有两套以上的刹车系统，每套系统必须 保

4、证机组在安全运行范围内工作。保证机组在安全运行范围内工作。 (2)(2)必须使两套系统具有不同的工作方式，其动力源也应各自必须使两套系统具有不同的工作方式，其动力源也应各自 不同。不同。 (3)(3)故障发生时，至少一套系统有效动作，使风轮及时停车。故障发生时，至少一套系统有效动作，使风轮及时停车。 (4)(4)安全系统执行使风轮停车或减速动作时，不允许手动操作安全系统执行使风轮停车或减速动作时，不允许手动操作 ，不允许产生对安全系统正常工作的影响。，不允许产生对安全系统正常工作的影响。 二、安检遵循的原则二、安检遵循的原则 能源动力与机械工程学院P42-5 (5)(5)用于对无空气动力刹车的

5、失速型风力机超速时制动的用于对无空气动力刹车的失速型风力机超速时制动的 机械刹车，转速测量传感器应设置在风轮轴上。机械刹车，转速测量传感器应设置在风轮轴上。 (6)(6)在空气动力刹车出现故障时，安全系统应有使风轮偏在空气动力刹车出现故障时，安全系统应有使风轮偏 离风向的动作设置。离风向的动作设置。 (7)(7)机舱偏航对风的速度应有一定限制，以避免出现较大机舱偏航对风的速度应有一定限制，以避免出现较大 陀螺效应力矩。陀螺效应力矩。 (8)(8)风力发电机组出现故障停机后，安全系统应确保机组风力发电机组出现故障停机后，安全系统应确保机组 处于静止状态，不再运行并网，待确认故障排除后，处于静止状

6、态，不再运行并网，待确认故障排除后， 方可投入再运行。方可投入再运行。 能源动力与机械工程学院P42-6 (9)(9)对由于电网原因引起的故障停机，控制系统在电网回对由于电网原因引起的故障停机，控制系统在电网回 归正常后，允许风力机自动恢复并网运行。归正常后，允许风力机自动恢复并网运行。 (l0)(l0)应有检测电缆缠绕情况的传感器，风力发电机组有应有检测电缆缠绕情况的传感器，风力发电机组有 自动解除电缆缠绕的功能。自动解除电缆缠绕的功能。 (11)(11)发生故障时，电气、液压、气动系统的动力源仍应发生故障时，电气、液压、气动系统的动力源仍应 得到保证，以保障安全系统工作的正常投入。得到保证

7、，以保障安全系统工作的正常投入。 能源动力与机械工程学院P42-7 以采用定桨距风轮、叶尖扰流器气动刹车以及两部以采用定桨距风轮、叶尖扰流器气动刹车以及两部 盘式机械刹车的风电机组为例，说明制动过程的盘式机械刹车的风电机组为例，说明制动过程的3 3种不同种不同 情况。情况。 1.1.正常停机的制动程序正常停机的制动程序 控制气动刹车的电磁阀失电，释放气动刹车液压缸控制气动刹车的电磁阀失电，释放气动刹车液压缸 液压油，叶尖扰流器在离心力作用下滑出。液压油，叶尖扰流器在离心力作用下滑出。 若机组正处于并网发电状态，须待发电机转速降低若机组正处于并网发电状态，须待发电机转速降低 至同步转速，发电机主

8、接触器动作使发电机与电网脱离至同步转速，发电机主接触器动作使发电机与电网脱离 后，第一部机械刹车投入；若发电机未并网，则待风轮后，第一部机械刹车投入；若发电机未并网，则待风轮 转速低于设定值时，及时将第一部机械刹车投入动作。转速低于设定值时，及时将第一部机械刹车投入动作。 以上两步动作执行后若转速继续上升，则第二部机以上两步动作执行后若转速继续上升，则第二部机 械刹车立即投入运行。停机后叶尖扰流器收回。械刹车立即投入运行。停机后叶尖扰流器收回。 三、制动方式与安全保护项目三、制动方式与安全保护项目 制动方式制动方式 能源动力与机械工程学院P42-8 2. 2.安全停机程序安全停机程序 从机组的

9、满负荷工作状态刹车时，若叶尖扰流器释从机组的满负荷工作状态刹车时，若叶尖扰流器释 放放2s2s后发电机转速超速后发电机转速超速5%5%，或，或15s15s后风轮转速仍未降至后风轮转速仍未降至 设计额定值，视为情况反常，扰行安全停机。在叶尖设计额定值，视为情况反常，扰行安全停机。在叶尖 扰流器已释放的基础上第一、二部刹车相继投入，停扰流器已释放的基础上第一、二部刹车相继投入，停 机后叶尖扰流器不收回。机后叶尖扰流器不收回。 能源动力与机械工程学院P42-9 3. 3.紧急停机紧急停机 紧急停机指令由控制系统计算机发出。另一条发出指紧急停机指令由控制系统计算机发出。另一条发出指 令的通道是独立于控

10、制系统的紧急安全链，是风力发电机令的通道是独立于控制系统的紧急安全链，是风力发电机 组的最后一级保护措施，采用反逻辑设计，将可能对风力组的最后一级保护措施，采用反逻辑设计，将可能对风力 发电机组造成致命伤害的故障节点串联成一个回路，一旦发电机组造成致命伤害的故障节点串联成一个回路，一旦 其中一个动作，将引起紧急停机反应。一般将以下传感器其中一个动作，将引起紧急停机反应。一般将以下传感器 的信号串联在紧急安全链中：手动紧急停机按钮、控制器的信号串联在紧急安全链中：手动紧急停机按钮、控制器 看门狗、叶尖扰流器液压缸液压油压力传感器、机械刹车看门狗、叶尖扰流器液压缸液压油压力传感器、机械刹车 液压缸

11、油压传感器、电缆缠绕传感器、风轮转速传感器、液压缸油压传感器、电缆缠绕传感器、风轮转速传感器、 风轮轴振动传感器、控制器风轮轴振动传感器、控制器24V24V直流电源失电传感器。直流电源失电传感器。 紧急停机步骤如下：所有的继电器、接触器失电；叶尖紧急停机步骤如下：所有的继电器、接触器失电；叶尖 扰流器和两部机械刹车同时投入，发电机同时与电网脱离扰流器和两部机械刹车同时投入，发电机同时与电网脱离 。 能源动力与机械工程学院P42-10 1. 1.超速和振动超标保护超速和振动超标保护 当转速传感器检测到风轮或发电机转速超过其额定转当转速传感器检测到风轮或发电机转速超过其额定转 速值的速值的110%

12、110%时，控制器将给出正常停机指令。位于风轮时，控制器将给出正常停机指令。位于风轮 轴上的振动测量传感器，不但能测出风轮转子的振幅，轴上的振动测量传感器，不但能测出风轮转子的振幅， 也以测得的振动主频用作转速传感器测量结果的校验值也以测得的振动主频用作转速传感器测量结果的校验值 。振动值超标，风力发电机将按指令正常停机。振动值超标，风力发电机将按指令正常停机。 安全保护项目安全保护项目 能源动力与机械工程学院P42-11 2.2.风轮超速紧急停机保护风轮超速紧急停机保护 依据重要保护必须有两套不同系统保全执行的原则依据重要保护必须有两套不同系统保全执行的原则 ，风力发电机组另设有一个完全独立

13、于控制系统、直接，风力发电机组另设有一个完全独立于控制系统、直接 作用于液压油路、在风轮超速时引起叶尖扰流器动作的作用于液压油路、在风轮超速时引起叶尖扰流器动作的 紧急停机系统。其主要执行机构是在叶尖扰流器液压缸紧急停机系统。其主要执行机构是在叶尖扰流器液压缸 与油箱之间并联的一个受压力控制可突然开启的突开阀与油箱之间并联的一个受压力控制可突然开启的突开阀 。由于作用于叶尖扰流器上的离心力与风轮转速的平方。由于作用于叶尖扰流器上的离心力与风轮转速的平方 成正比，风轮超转速时，叶尖扰流器液压缸中的油压迅成正比，风轮超转速时，叶尖扰流器液压缸中的油压迅 速升高，达到设定值时，突开阔打开，压力油短路

14、泄回速升高，达到设定值时，突开阔打开，压力油短路泄回 油箱，叶尖扰流器迅速脱离叶片主体，旋转油箱，叶尖扰流器迅速脱离叶片主体，旋转9090成为气成为气 动阻尼板，使机组在控制、转速检测系统或叶尖扰流器动阻尼板，使机组在控制、转速检测系统或叶尖扰流器 油路电磁阀失效的情况下得以安全停机。油路电磁阀失效的情况下得以安全停机。 能源动力与机械工程学院P42-12 3. 3.电网失电保护电网失电保护 一旦风力发电机失去电网来电，控制叶尖扰流器和一旦风力发电机失去电网来电，控制叶尖扰流器和 机械刹车的电磁阀就会立即打开，其各自的液压系统失机械刹车的电磁阀就会立即打开，其各自的液压系统失 去压力，使制动系

15、统全部动作，这与执行紧急停机的程去压力，使制动系统全部动作，这与执行紧急停机的程 序相当。停电后，机舱内和塔架内的照明可以维持序相当。停电后，机舱内和塔架内的照明可以维持1515 20min20min。对由于电网停电引起的停机，控制系统将在电网。对由于电网停电引起的停机，控制系统将在电网 恢复正常供电数分钟后，自动恢复正常运行。恢复正常供电数分钟后，自动恢复正常运行。 能源动力与机械工程学院P42-13 4.4.电器保护电器保护 首先是系统的雷击保护功能，必须使机组所有部件保首先是系统的雷击保护功能，必须使机组所有部件保 持电位平衡，并提供便捷的接地通道以释放雷电，避免高持电位平衡，并提供便捷

16、的接地通道以释放雷电，避免高 能雷电的积累。由于机舱底座是钢结构，机舱底座通过电能雷电的积累。由于机舱底座是钢结构，机舱底座通过电 缆与塔架连接，塔架与地面控制柜通过电缆与埋入基础内缆与塔架连接，塔架与地面控制柜通过电缆与埋入基础内 的接地系统相连，这就为机舱内机械提供了基本的接地保的接地系统相连，这就为机舱内机械提供了基本的接地保 护，机舱壳体后部若安装避雷针，高度应在风速风向仪之护，机舱壳体后部若安装避雷针，高度应在风速风向仪之 上；叶片的雷击保护是通过安装在叶尖上的雷电接收器并上；叶片的雷击保护是通过安装在叶尖上的雷电接收器并 借助于叶尖气动刹车机构的传导系统实现电荷传输；而从借助于叶尖

17、气动刹车机构的传导系统实现电荷传输；而从 风轮到机舱底座，则是通过电刷和集电环来连接。风轮到机舱底座，则是通过电刷和集电环来连接。 其次是发电机的过热、过载及单相保护；控制器等电其次是发电机的过热、过载及单相保护；控制器等电 气设备的过电压保护；晶闸管和计算机的瞬时过电压屏蔽气设备的过电压保护；晶闸管和计算机的瞬时过电压屏蔽 以及所有传感器输入信号线和通信电缆的屏蔽隔离。以及所有传感器输入信号线和通信电缆的屏蔽隔离。 能源动力与机械工程学院P42-14 5.5.电缆与润滑、液压系统保护电缆与润滑、液压系统保护 超过容许的电缆缠绕、润滑油温超标及润滑油箱超过容许的电缆缠绕、润滑油温超标及润滑油箱

18、 液位过低、液压油温超标及液压油箱液位过低等故障液位过低、液压油温超标及液压油箱液位过低等故障 产生时，控制系统执行安全停机。产生时，控制系统执行安全停机。 能源动力与机械工程学院P42-15 风力发电机组总是工作在运行状态、暂停状态、停机状风力发电机组总是工作在运行状态、暂停状态、停机状 态和紧急停机状态态和紧急停机状态4 4种状态之一。种状态之一。 1. 1.运行状态运行状态 (l) (l)机械刹车松开。机械刹车松开。 (2) (2)允许机组并网发电。允许机组并网发电。 (3) (3)机组自动调向。机组自动调向。 (4) (4)液压系统保持工作压力。液压系统保持工作压力。 (5) (5)叶

19、尖阻尼板回收或变桨距系统选择最佳工作状态。叶尖阻尼板回收或变桨距系统选择最佳工作状态。 8-2 风力发电机组的运行状态风力发电机组的运行状态 能源动力与机械工程学院P42-16 2.2.暂停状态暂停状态 (l) (l)机械刹车松开。机械刹车松开。 (2) (2)液压泵保持工作压力。液压泵保持工作压力。 (3) (3)自动调向保持工作状态。自动调向保持工作状态。 (4) (4)叶尖阻尼板回收或变距系统调整桨叶节距角叶尖阻尼板回收或变距系统调整桨叶节距角9090方向。方向。 (5) (5)风力发电机组空转。风力发电机组空转。 能源动力与机械工程学院P42-17 3. 3.停机状态停机状态 (l)(

20、l)机械刹车松开。机械刹车松开。 (2)(2)液压系统打开电磁阀使叶尖阻尼板弹出，或变距液压系统打开电磁阀使叶尖阻尼板弹出，或变距 系统失去压力而实现机械旁路。系统失去压力而实现机械旁路。 (3)(3)液压系统保持工作压力。液压系统保持工作压力。 (4)(4)调向系统停止工作。调向系统停止工作。 能源动力与机械工程学院P42-18 4.4.紧急停机状态紧急停机状态 (l)(l)机械刹车与气动刹车同时动作。机械刹车与气动刹车同时动作。 (2)(2)紧急电路开启，即安全链开启。紧急电路开启，即安全链开启。 (3)(3)计算机所有输出信号无效。计算机所有输出信号无效。 (4)(4)计算机仍在运行和测

21、量所有输入信号。计算机仍在运行和测量所有输入信号。 当紧急停机电路动作时，所有接触器断开，计算当紧急停机电路动作时，所有接触器断开，计算 机输出信号被旁路，计算机没有能力激活任何机构。机输出信号被旁路，计算机没有能力激活任何机构。 能源动力与机械工程学院P42-19 以一台由变桨距风轮一双速异步发电机构成的风电机组以一台由变桨距风轮一双速异步发电机构成的风电机组 的并网运行为例，说明风力发电机组的基本运行过程。的并网运行为例，说明风力发电机组的基本运行过程。 8-3 风力发电机组的基本运行过程风力发电机组的基本运行过程 能源动力与机械工程学院P42-20 1.1.系统检测与起动准备系统检测与起

22、动准备 运行前控制系统将对风速风向状况、电网和风力发运行前控制系统将对风速风向状况、电网和风力发 电机组的状态作自动测试，状态测试结果满足以下标准时电机组的状态作自动测试，状态测试结果满足以下标准时 方能达到运行必备条件。方能达到运行必备条件。 风速与风向风速与风向: :连续连续l0minl0min，风速在风力发电机组运行风速范，风速在风力发电机组运行风速范 围内围内(3.0m/sv25m(3.0m/sv3m/sv3m/s时起动小发电机时起动小发电机 ，v8m/sv8m/s时起动大发电机）和停机风速时起动大发电机）和停机风速(v25m/s)(v25m/s)。安装。安装 在机舱顶上的风速仪处于风

23、力的下风向，本身并不精确在机舱顶上的风速仪处于风力的下风向，本身并不精确 ，一般不用来产生功率曲线。，一般不用来产生功率曲线。 2.2.风向风向 风向标安装在机舱顶部两侧，主要测量风向与机舱风向标安装在机舱顶部两侧，主要测量风向与机舱 中心线的偏差角。一般采用两个风向标，以便互相校验中心线的偏差角。一般采用两个风向标，以便互相校验 ，排除可能产生的误信号。控制器根据风向信号起动偏，排除可能产生的误信号。控制器根据风向信号起动偏 航系统。当两个风向标不一致时，偏航会自动中断。当航系统。当两个风向标不一致时，偏航会自动中断。当 风速低于风速低于3 m/s3 m/s时，偏航系统不会起动。时，偏航系统

24、不会起动。 二、风力参数检测二、风力参数检测 能源动力与机械工程学院P42-38 1.1.转速转速 风力发电机组转速的测量点有两个，即发电机转速和风力发电机组转速的测量点有两个，即发电机转速和 风轮转速。转速测量信号用于控制风力发电机组并网和脱风轮转速。转速测量信号用于控制风力发电机组并网和脱 网，还可用于起动保护系统，当风轮转速超过设定值网，还可用于起动保护系统，当风轮转速超过设定值n1n1， 或发电机转速超过设置值或发电机转速超过设置值n2n2时，超速保护动作，风力发电时，超速保护动作，风力发电 机组停机。机组停机。 2.2.温度温度 有有8 8个点的温度被测量，用于反映风力发电机组系统个

25、点的温度被测量，用于反映风力发电机组系统 的工作状况。这的工作状况。这8 8各点包括增速器油温、高速轴承温度、各点包括增速器油温、高速轴承温度、 大发电机温度、小发电机温度、前主轴承温度、后主轴承大发电机温度、小发电机温度、前主轴承温度、后主轴承 温度、控制盘温度（主要是晶闸管的温度）、控制器环境温度、控制盘温度（主要是晶闸管的温度）、控制器环境 温度。温度。 由于温度过高引起风力发电机组退出运行，在温度降由于温度过高引起风力发电机组退出运行，在温度降 至允许值时，仍可自动起动风力发电机组运行。至允许值时，仍可自动起动风力发电机组运行。 三、机组状态参数检测三、机组状态参数检测 能源动力与机械

26、工程学院P42-39 3.3.机舱振动机舱振动 为了检测机组的异常振动，在机舱上应安装振动为了检测机组的异常振动，在机舱上应安装振动 传感器。传感器由一个未动开关相连的钢球及其支撑传感器。传感器由一个未动开关相连的钢球及其支撑 组成。异常振动时，钢球扶支撑它的圆环上落下，拉组成。异常振动时，钢球扶支撑它的圆环上落下，拉 动微动开关，引起安全停机。重新起动时，必须重新动微动开关，引起安全停机。重新起动时，必须重新 安装好钢球。安装好钢球。 能源动力与机械工程学院P42-40 4.4.电缆扭转电缆扭转 由于发电机电缆及所有电气、通信电缆均从机舱直接由于发电机电缆及所有电气、通信电缆均从机舱直接 引入塔筒，直到地面控制柜。如果机舱经常向一个方向偏引入塔筒，直到地面控制柜。如果机舱经常向一个方向偏 航，会引起电缆严重扭转。因此偏航系统还应具备扭缆保航，会引起电缆严重扭转。因此偏航系统还应具备扭缆保 护