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兆瓦级风力发电机组安全链的设计

时间:2024-08-31

姜宇龙

北京市石景山医院,北京 100000

0 引言

当风力发电机组主控制器功能失效,且出现内外部故障或发生危险事件时,软件已无法起到保护作用。此时,安全链发挥硬件保护作用,保护功能可保持机组处于安全状态。保护功能的激活条件应以不超过设计极限为标准,安全链保护功能具有比软件控制功能更高的优先级,安全链内部根据不同设计条件分为若干优先级。安全链是最后一级保护措施,采用反逻辑设计,一旦其中一个动作,将引起相应级别的紧急停机反应[1]。

1 安全链的作用机制

安全链是将可能对风力发电机组造成致命伤害的故障作为串入安全链回路,通常采用“失效-安全”的原则,即信号“1”为正常状态。安全链的输出将控制机组执行相应的安全动作,从而最大限度地保证机组的安全。当安全链断开后,必须通过区别于常规故障复位的安全链复位,使安全链恢复正常,才能让机组再次起机运行。

2 安全链的分级设计

安全链系统保护根据故障的严重程度采用分级设计,由高至低分为三级:第一级手动紧急停机,第二级故障紧急停机和第三级安全停机。

2.1 一级安全链

一级安全链优先级最高,通过操作机舱和塔底的急停按钮,达到紧急停机、保护机组的目的,当一级安全链断开时,二级安全链和三级安全链全部断开。

一级安全链由K23.0(安全链继电器)、SB23.2(机舱急停按钮)、SB13.5(塔底急停按钮)、K17.5(安全链延时闭合/断开时间继电器)、K24.4(安全链急停复位继电器)、SB24.3(机舱急停复位按钮)、SB13.4(塔底急停复位按钮)、SB15.3(维护开关)组成。

一级安全链工作原理如图1~图3所示。

图1 一级安全链工作原理图(a)

图3 一级安全链工作原理图(c)

机组上电前,检查SB23.2、SB13.5、SB15.3是否为闭合状态,确认闭合后上电,K17.5线圈得电,K17.5的常开触点延时闭合,K23.0的Reset/Start回路(S33-S34)产生上升沿脉冲,K23.0的输出常开触点K1、K2闭合,一级安全链闭合并接通主回路(KM17.1、KM17.2线圈得电)。

图2 一级安全链工作原理图(b)

当机组遇到未知故障需紧急停机时,可手动断开SB23.2或SB13.5,则K23.0的 输 入 回 路(S11-S12、S21-S22)断开,K23.0的输出常开触点K1、K2断开,一级安全链断开并断开主回路。

当机组处理完当前故障,需重新闭合一级安全链并接通主回路时,需重新闭合SB23.2或SB13.5,并按下SB24.3或SB13.4,则K24.4线圈得电,K24.4常开触点闭合,K23.0的Reset/Start回路(S33-S34)产生上升沿脉冲,K23.0的输出常开触点K1、K2闭合,一级安全链闭合并接通主回路。

K23.0的输出会反馈给主控制器,实时反馈一级安全链闭合状态。

2.2 二级安全链

二级安全链优先级低于一级安全链,安全链回路中包括了振动开关和超速开关,确保风机在正常振动范围内和正常转速范围内运行。当二级安全链断开时,三级安全链也会断开。

二级安全链由S1(振动开关)、K55.6(主轴超速开关)、K55.8(发电机超速开关)、K24.4(安全链急停复位继电器)、K17.5(安全链延时闭合/断开时间继电器)、K29.6(主控安全链复位继电器常开触点)、KM25.8(二级安全链接触器)组成。

二级安全链工作原理如图4所示。

图4 二级安全链工作原理图

二级安全链是对机组振动和超速的保护回路,以一级安全链中安全继电器K23.0的输出为起点[2]。当机组振动超限导致振动开关(S1)断开后,二级安全链断开;当主轴转速超限(K55.6断开)且发电机转速超限时(K55.8断开),二级安全链断开。二级安全链断开表现为KM25.8线圈失电,且S1断开状态和K55.6、K55.8断开状态会实时反馈给主控制器。

K17.5、K24.4、K29.6的辅助触点并联出现在二级安全链回路中,机组上电后,K17.5常开触点延时闭合,接通KM25.8线圈,则KM25.8常开触点闭合自保持。当S1、K55.6、K55.8断开后,KM25.8线圈失电,二级安全链断开。

当风机振动和超速正常后,可通过两种方式重启二级安全链回路:(1)按下SB24.3或SB13.4,接通K24.4;(2)由主控制器判断是否可以闭合二级安全链,接通K29.6。

2.3 三级安全链

三级安全链优先级低于二级安全链,安全链回路中包括了偏航扭揽安全链、正常停机和变桨安全链,其触发条件重要性低于二级安全链保护内容。

三级安全链由SB27.3(机舱手动安全停机按钮)、SB11.3(塔底手动安全停机按钮)、K26.8(逆时针扭揽极限继电器常闭触点)、K26.9(顺时针扭揽极限继电器常闭触点)、K29.6(主控安全链复位继电器常开触点)、KM27.5(三级安全链接触器)、变桨安全链常开触点组成。

三级安全链工作原理如图5所示。

图5 三级安全链工作原理图

三级安全链以二级安全链继电器KM25.8的常开触点为起点,机组正常工作时,由主控制器闭合二级安全链复位继电器,接通K29.6常开触点,则三级安全链继电器KM27.5线圈得电,三级安全链回路接通[3]。

当机组需正常停机时,可断开SB27.3或SB11.3,则三级安全链断开,SB27.3和SB11.3的状态会实时反馈给主控制器。当机组偏航扭揽达到某一方向极限值时,扭揽开关动作,相应方向的继电器K26.8或K26.9常闭触点断开,三级安全链断开。当变桨系统出现故障时,变桨安全链常开触点断开,也会导致三级安全链断开。

KM27.5的常开触点会将安全链回路的状态实时反馈给主控制器和变流器。

3 结束语

从上述安全链设计可以看出,要使风电机组可靠运行,需要重视机组控制系统的保护功能设计。在设计控制系统时,往往注重系统的最优化设计和提高其可利用率,然而进行这些设计的前提条件是机组控制系统的安全保护,只有在确保机组安全运行的前提下,才可以讨论机组的最优化设计,提高可利用率等。因此,控制系统具备完善的保护功能是风电机组安全运行的首要保证,也是评价控制系统的重要依据之一。

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