风力发电机组安全链故障模拟实验平台设计

随着风力发电机组控制技术的提高，风力发电机组不但要具有较优的电能输出质量，还要具有高度的运行稳定性和安全性，而风力发电机组控制系统的精确控制及稳定安全运行可有效保证风力发电机组的运行性能[1]。安全保护系统作为主控系统的冗余备份系统，在主控系统出现故障时，可替代主控系统完成在风力发电机组出现失速、失电及严重故障等情况下的停车或刹车，从而保证系统安全，因此安全链对于风力发电机组运行的安全性及稳定性至关重要[2]。

安全保护系统与主控系统之间应该尽可能保持相互的独立，一般采用各子模块硬件开关系统的串联设计。当风力发电机组内部或外部发生故障或系统参数超限时，或者控制系统失效时，启动安全保护系统，从而维持风力发电机组安全[3-4]。当风力发电机组安全保护系统内部任何部件发生失效或者故障时，则开关由正常闭合状态执行跳变为安全失效的保护动作，从而完成风力发电机组的保护[5]。安全系统即安全链，是保证风力发电系统安全稳定运行的关键，而目前国内对安全链多限于理论认知的学习，实验平台相对比较少，无法满足高校及科研单位对风力发电系统的教学和学生对风力发电系统的实践学习。

从认知到创新是事物发展的必然过程，而在教育、教学的发展中此过程更是必不可少。掌握安全链可能出现的故障及故障后所表现出的现象对学生在实践中上认知安全链具有重要意义。因此，本文设计了一种风力发电机组安全链故障模拟实验平台，主要由一级安全链和二级安全链构成，分别为主控和风轮、变桨等部件提供安全保护。另外设计了安全系统逻辑流程，并对故障类型及故障显示方式进行了设定，为用户提供了认知安全链故障的环境。

1 安全链系统结构及安全系统逻辑流程

1.1 安全链系统结构

安全链是风力发电机组中极其重要的一环，也是整个系统保护的最后一道屏障，其逻辑等级优先于控制系统，可以在风电设备发生故障时确保系统的安全运行。它的设计与安装独立于主控系统的软、硬件，将对风力发电机组可能产生运行故障的节点组成串联回路[6-7]。安全链可分为一级安全链和二级安全链，一级安全链主要是主控系统安全保护装置，二级安全链主要是风轮、变桨系统安全保护装置[8]。在两级安全链回路中包括主控急停开关、风轮及发电机超速开关、偏航扭缆开关、振动开关、24 V 电源、变桨系统开关、机舱急停开关等部件，其系统结构如图1 所示。

图1 安全链系统结构图

将所有的按钮、开关及监测模块串联到安全继电器的触点上，当系统正常工作时，由24 V 电源供能。当此回路中任意一个开关由于机组某环节故障而动作时，整条回路将断电，而由安全链继电器控制的工频交流回路会失电，执行机构中的交流接触器和电磁阀也会失电，机组将立即停机、脱网，同时闭锁主控系统、变桨系统及偏航系统，从而最大限度地保护风力发电机组的安全运行，若故障得不到消除或解决，风力发电机组将无法实现任何操作[9-10]。

1.2 安全系统逻辑流程

在安全链中多个开关串联，而安全链作为单信号触发即可产生动作的控制链条，当风力发电机组故障触发安全链环节内的任何一个开关信号后，安全链将会立即采取动作，风力发电机将进行紧急制动停机。需要对引起安全链动作的多个动作信号进行监测判断，不能同时处理两个故障信号，因此监测和处理的信号间需要有逻辑顺序，其逻辑监测流程如图2所示。

图2 安全链逻辑监测流程

风力发电机组启动后，进行系统及程序的初始化操作，并对安全链上的信号进行检测，首先要对急停开关动作情况进行检测，若有问题将进行风机停机操作，反之对风轮及发电机是否超速进行检测；如果由于风速太大，引起了叶轮或者发电机超速运行，则使用控制系统或液压系统进行风轮的刹车操作，若两个百分点系统都失效，则启动气动刹车进行风轮的减速及停转操作；接下来检测是否由于偏航解缆造成线缆扭缆；然后检测发电机、偏航及变桨系统是否存在大幅度振动现象，若无振动现象则对电网电压是否跌落进行检测；若电网电压低于20%额定电压时，则系统控制器将在后备电源（UPS）的电能供应下完成风力发电机组的离网、制动及停机；最后对发电机短路状态进行检测。在上述的各个流程环节中，如中间任意回合发生故障，都会造成系统的紧急停机程序启动，在排查解决系统的故障并重新启动系统后，安全链将重新进行上述检测步骤。

2 安全链故障模拟实验平台构成及故障设定

本文所设计的安全链故障模拟实验平台主要由供电电源模块、变桨安全链、主控安全链1、主控安全链2、电网监测模块等组成，安全链故障模拟平台系统线路如图3 所示。

在供电电源电路中，风力发电机组安全链电源和变桨电源分别独立设置，其中安全链电源采用UPS 电 源。另外，采用开关电源为实验平台中的直流元件提供24 V 直流电。

图3 安全链故障模拟平台系统线路图

变桨安全链主要由变桨安全链继电器、安全继电器、旁路输入按钮等模块组成，K15 为旁路故障模拟考试点，正常情况下变桨控制系统通过SSB 变桨柜采集桨叶空间、时间信息并对变桨系统进行控制。

主控安全链 1 则主要由主控安全链继电器123K3、机舱柜PLC 急停开关K1、主控柜急停开关K2、机舱柜急停开关K3、机舱位置传感器及机舱柜PLC 复位开关K4 等部件组成，当安全链正常时，变桨安全链、主控安全链1 和2 将都处于正常运行状态。

主控安全链2 主要由主控安全继电器122K4、机舱柜过速1 模块K12、机舱柜过速2 模块K14、机舱安全链急停按钮K1、机舱振动开关K7、机舱复位按钮K8、机舱柜PLC 复位按钮K9 以及主控柜复位按钮K10 等部件组成，其中还设有考试点故障开关，用来进行教学操作。

电网监测系统和转速监测系统主要由电压监测模块及转速传感器等模块和相应继电器组成，用来在机组超速及电压大幅跌落情况下断开安全链，从而维护机组的安全运行。

由上述器件搭建构成的风力发电机组安全链故障模拟实验平台如图4 所示，该平台可以模拟多种安全链故障，当故障设定后会触发相应的器件进行动作，从而断开安全链。而学生或者培训人员可以通过平台上的指示灯显示状态及开关器件的动作状态判断引起安全链动作的故障类型。将该平台用于高校及科研院所的风力发电机组安全链培训上，可以大幅提高学员对风力发电机组安全链故障的解决、排查能力。

图4 风力发电机组安全链故障模拟实验平台

安全链故障实验模拟平台的各类按钮在不同状态下会产生不同的安全链故障，安全链故障产生方式如表1 所示。

表1 安全链故障模拟表

3 安全链故障模拟实验平台实验流程

理论与实践相结合才能有效提高学生对风力发电机组中安全链重要性的直观认识，并了解由风力发电机组故障所引起的安全链动作情况，因此利用安全链故障模拟实验平台进行实验是提高学生综合素质的重要手段。风力发电机组安全链故障模拟实验平台使用步骤分为从下几步：

（1）接通电源。连接器插头采用3 根1.0 mm2 的线缆，将插头接入控制柜下方的空气开关，与380 V交流电源相连接。

（2）合闸。依次将各点处的合闸断路器闭合，保证各处电源正常，各开关的电源指示灯点亮。

（3）考前检查。将控制柜前侧的所有急停按钮进行复位操作，并对复位按钮进行复位操作，调整手动按钮确保其全部位于中间状态，并将控制柜背板上的所有转换开关都置于中间位置。此时要确保安全链处于安全状态，安全继电器123K3、122K4 为吸合状态，并且控制柜背板上的开关指示灯均处于熄灭状态。同时将故障按钮向右拨动，检查故障指示灯是否点亮。在检查实验平台可以正常无误工作后，即可进行考试。

（4）进行考试。通过拨动控制柜背面相应开关设置相应故障模拟考试点，部分故障名称及故障显示如表2 所示。

（5）考试结束。将控制柜前面所有急停按钮依次进行复位，手动按钮全部拨动到中间位置；控制柜背板转换开关中的S18 和S19 拨动到中间位置，其余转换开关拨动到左侧位置。按照与断路器闭合相反顺序断开断路器从而切断电源，将电源线插头拔出并收好。

在本文所设计的安全链故障模拟实验平台中每个转换开关都可以设定一种故障，当转换开关旋至右侧时就可以触发设定故障。

表2 部分故障模拟考试信息表

当设置好风力发电机组安全链的故障后，在平台的多个安全继电器上出现故障的示意，包括指示灯亮、开关失灵等，学生或者培训人员可以根据这些示意来对故障进行判别，并找出故障所在位置，从而完成故障的运维。部分故障下安全链的故障示意如图5 所示。

图5 安全链故障模拟实验平台部分故障示意

4 结语

本文设计了一种风力发电机组安全链故障模拟实验平台，可用于学生了解安全链结构及风力发电机组故障下安全链动作状况。该平台可模拟多种风力发电机组故障时的安全链动作情况，能提高学生对安全链动作后风力发电机组故障的排查能力。该平台也用于风电场工作人员的预先培训，可提高工作人员故障解决能力，有利于保障风电场的稳定运行。