【摘要】
变桨系统作为风力发电机组最重要的部件之一，对整个风力发电机组的稳定及安全运行有不可或缺的作用，所以目前变桨系统的技术改造为老旧风场技术改造最重要的工作。本文在分析安全防护典型缺陷的基础上，提供了几个提升风机整体安全性的改造方案，包括变桨维护时的桨叶互锁改造、风机运行时的应急偏航改造、风机在超速时变桨系统能够自检防超速的改造等，这些方案可以有效提升风机整体的安全可靠性。
背景
随着技术的发展和使用环境以及需求的变化，对风机中使用的设备提出了更高的要求。但目前很多机组在安全防护上仍有很多不足，例如以下三种情况：
桨叶在维护模式下，三个桨叶可同时在0°位置。即在手动模式下，桨叶的动作无互锁功能，在手动模式下，三个桨叶同时在0°位置，对检修人员将造成严重的安全隐患。
特殊情况下安全链如果断电，机组则无法进行偏航。目前多数风力发电机组的安全链回路均采用安全继电器搭接组成。当安全链断开后，机组由安全链控制的DO 点24V控制电源将被切断，此时不能执行如液压泵打压、机组偏航控制等DO 输出动作。如果出现机组失速、桨叶未顺桨等紧急情况，由于转速超限、振动超限等因素使安全链无法复位，将不能通过手动或自动控制机组执行偏航侧风动作。
变桨系统无法进行紧急顺桨。目前多数风力发电机组检测主轴超速都是通过主控里超速继电器和主轴转速编码器来检测超速然后再通过通讯给出命令来触发软件变桨EFC程序来进行顺桨，若由于通讯问题或其他意外情况导致安全链无法正常断开，变桨系统将不能进行紧急顺桨。
以上几种情况都对维护人员的安全造成严重的安全隐患，在某些不当操作和环境因素的影响，会导致机毁人亡的后果。例如：武威市民勤县红砂岗“4·12”风机坍塌事故。
应用案例
广西某风电场现有50台机组，不具备变桨系统安全互锁功能，需要对其进行技术改造。该风电场变桨系统为OAT变桨系统，在中控箱增加维护转换开关S1，实现维护和自动控制功能，在维护模式，通过各轴的互锁继电器K1\K2\K3进行桨叶的互锁。原理图如下所示：
图1：桨叶互锁示意图（轴3）
S1 为转换开关，在1档为运行模式，2档为维护模式。
K1,K2,K3：互锁继电器
Out：X13.1PMM控制输出
24VDCinternalX4.2：PMC控制电源
Enable X4.5：PMC使能信号（该信号为低电平时，PMC的IGBT始终处于关断状态）
当S1开关处于2档时，轴3驱动器的使能信号由轴1和轴2的互锁继电器K1,K2控制。当轴1或轴2的桨叶没有在88~100°范围内，K1或K2失电，轴3使能信号断，轴3不能移动。同理，当轴3移动超出88~100°范围，轴1和轴2的使能信号断，轴1和轴2不能移动。基于以上原理，实现三个桨叶功能互锁。
2.2 广东某风电场1.5MW机组综合改造项目
该风场风力发电机组的安全链回路采用安全模块搭接组成。当安全链断开后，机组由安全链控制的DO 点24V控制电源将被切断，此时不能执行如液压泵打压、机组偏航控制等DO 输出动作。
整改前，受安全链影响的DO点供电回路经过安全模块到端子。当安全链断开后，安全继电器的触点断开连接，供电断开，无法进行偏航。
整改后在机舱24V供电回路增加一个继电器（此继电器不受安全链控制），在需要紧急偏航时继电器吸合，在安全链断开的情况下给偏航相关设备的DO提供24V控制电源。如图2所示，红色框内为增加部分。
图2：增加旁路继电器给DO用24V电源示意
在风机控制程序逻辑和操作界面上增加相应的功能，具体体现为：
在“特殊功能”界面增加“手动应急偏航使能”按钮，在需要进行紧急偏航时，按下“手动应急偏航使能”按钮，在界面状态代码栏中会出现“手动应急偏航激活”代码，通过手动触发“手动偏航”按钮和“顺时针”（或“逆时针”）按钮即可执行手动偏航动作。
2.3 内蒙某风电场1.5MW机组综合改造项目
该风场风力发电机组检测主轴超速是通过主控里超速继电器和主轴转速编码器来检测超速然后再通过通讯给出命令来触发软件变桨EFC程序来进行顺桨。为了实现变桨系统自检超速进行顺桨动作，进行了以下整改，在变桨系统控制柜中增加速度控制器，用于接收外部传感器的脉冲信号，在柜体中增加24V防雷模块，对柜体内部速度控制器进行保护。在轮毂大盘处安装接近开关和码盘用来检测速度并将脉冲信号接入到速度控制器上，接近开关为三线制PNP型接近开关。增加一个接触器，将EFC紧急顺桨信号接入到该继电器的常闭触点。机组正常运行时接触器不动作，但在机组超速发生时，该接触器得电，常闭触点变为常开触点，变桨系统进行紧急顺桨。该接触器的动作由超速继电器控制。
技术要点
该方案主要由三部分功能改造组成，桨叶互锁改造，充分利用驱动器的内部参数设置和转换开关、继电器等组成了一个安全可靠的可转换的互锁回路。正常模式下，驱动器的使能不受改造回路影响，维护模式下组成互锁回路；应急偏航改造，完全不影响机组正常运行，当机组因故障导致安全链断开尤其是机舱和塔基通讯断开或PLC死机后依然能实现手动偏航，使机组偏离主风向，保证机组安全；变桨系统防超速改造，在轮毂附近安装一个接近开关和码盘来检测主轴的速度，再把这个脉冲信号接到变桨控制柜的速度控制器里，当主轴超速时速度控制器的触点会动作，通过与EFC回路串联的触点动作来实现变桨系统的紧急顺桨。
应用前景
目前绝大多数机组都不具备桨叶互锁、应急偏航、变桨系统防超速的功能，且随着越来越多大功率风力发电机组投入运营及机组服役年限的不断增长，风电设备的安全事故频发，机组在安全性能方面的改造越来越受到各风电场人员的重视。
参考文献：
[1] 王华。风电发电变桨距控制系统的研究[D]华北电力大学。2010年。
[2] 叶杭冶。风力发电机组监测与控制（第2版）[M]北京：机械工业出版社，2019年。
