湘电风能各类机型安全策略分析报告.docx

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湘电风能各类机型安全策略分析报告湘电风能各类机型安全策略分析报告湘电风能各类机型安全策略分析报告1.安全系统一般说明安全系统一般说明安全系统的主要功能是维持风机安全，避免风机出现倒塌及部件损坏。

在发生故障、外部条件达到运行极限、或者按下急停按钮时使叶片回到顺桨位置。

对于湘电风能的2MW系列风机来说，安全系统都是基于全范围内变桨的控制系统，在主轴上有一个液压机械刹车，但是这个刹车主要不是用于安全目的，它是用于轮毂维护使用。

每个叶片的全范围变桨使用一个变桨电机和齿轮箱以及变桨轴承作为变桨传动装置。

2.各机型安全策略分析各机型安全策略分析2.1.XE72-2000风力发电机组（使用直流变桨系统）风力发电机组（使用直流变桨系统）2.1.1基本说明基本说明对于XE72-2000风力发电机组，安全策略的激活是通过事件或者独立的超速器件或看门狗检测部件来实现，事件分为信息，T1类故障，T2类故障和警告，T1类故障使用驱动器变桨，T2类故障激活紧急变桨，信息是提示维护人员风机出现了正常运行以外的其它状态，警告是表示风机某些部件或者传感器出现了问题，暂不影响运行，但维护人员在做其它维护或者故障处理时应将警告事件处理完，其变桨运行示意图如下：

图1XE72-2000紧急变桨和正常变桨运行示意图XE72风机的安全系统包括两个，第一个安全系统使用一个直流伺服驱动器作为每个直流伺服电机的供电装置。

第二个安全系统使用电池作为每个直流伺服电机的供电装置。

两个系统的切换功能通过一个紧急控制模块来实现，每个叶片有一个紧急控制模块，每个紧急控制模块可以监控PLC输出的看门狗信号以及独立的超速信号。

看门狗信号如果丢失时间超过1.5s（看门狗周期为300ms），或者超速开关激活，该模块会控制接触器切换，使变桨电机由驱动供电切换到后备电池供电，保证叶片由工作位置变桨到顺桨位置。

第二个安全系统的优先级高于第一个安全系统，即如果风机触发了第一个安全系统，此时又触发了第二个安全系统，则会使用后备电源直接连接到变桨电机收桨到限位开关位置。

2.1.2第一个安全系统第一个安全系统每个叶片的第一个安全系统使用的变桨驱动系统由一个伺服驱动器、变桨齿轮箱和一个电气直流伺服电机组成。

变桨角度编码器和变桨电机速度编码器作为控制反馈。

变桨执行装置（齿轮箱和伺服电机）与第二个安全系统共享，伺服驱动、角度编码器和速度编码器用来正常发电变桨和第一个安全系统。

第一个安全系统需要所有的这些部件，并与PLC里的位置控制算法相结合跟变桨驱动形成一个主-从控制环路。

位置控制算法作为一个主环来执行并且根据一个预测计算来控制叶片到目标位置（位置控制使用常速率变桨到顺桨位置），它使用实际的位置值作为反馈，每个叶片变桨电机速度给定作为伺服驱动的输入。

伺服驱动器作为从环来执行，主要根据位置控制算法来控制变桨电机速度设定，它使用变桨电机速度编码器作为反馈值，脉宽调制电机驱动电流作为输出。

第一个安全系统的变桨速度设定为4度/秒（由于72驱动力矩过小，经常报变桨不同步故障，后改为3度/s）。

停机位置为待机位置。

第一个安全系统在风机PLC检测到一个故障并且安全系统正常的情况下激活。

激活第一个安全系统的严重故障包括：

风机运行时超出风机设计范围，一个或多个控制设备发生故障，安全系统中非常重要的一个或多个关键传感器出现故障。

2.1.3第二个安全系统第二个安全系统用于每个叶片的第二个安全系统由三个168Vdc电池及对应的电池充电管理器、两个限位开关、变桨减速箱和变桨直流伺服驱动电机组成。

变桨执行装置（齿轮箱和伺服电机、变桨轴承）与第一个安全系统共享，电池和电池充电管理器仅为第二个安全系统所独有。

在发生以下情况时，第二个安全系统会被激活：

PLC程序进入死循环，或者没有反应电网故障紧急按钮按下或400V供电中断独立超速保护继电器检测到超速PLC远程I/O故意撤销看门狗信号，以激发第二个安全系统，即T2类事件。

（例如驱动故障、叶片误差或者编码器故障）振动故障在发生紧急故障时，叶片顺桨变桨最大速率为6/s，停机位置为限位开关位置。

当叶片达到顺桨位置时，限位开关（顺桨开关/末尾开关）使紧急继电器断开电池给伺服电机的供电，当到达顺桨位置时，变桨电机刹车落下以使叶片保持在限位开关位置。

最后还有一个缓冲器以确保叶片停止转动。

一个超速传感器电路完全与第一个安全系统独立，在第一个安全系统错误的情况下检测超速并激活一个紧急故障。

这个超速传感器是基于一个独立传感器，通过安装在轮毂滑环上的一个磁极来测量轮毂转速，并配合一个超速继电器可以使紧急接通电池。

智能电池管理单元分别单独给168Vdc的紧急电池包充电。

2.1.4第二个安全系统的测试第二个安全系统的测试在正常运行且没有电网故障并且也没有PLC故障或者电机驱动故障情况下，第二个安全系统不会触发。

这个情况也许会持续很长的时间，可能超过几个月不使用电池包。

经常间隔的测试这个系统可以避免第二个安全系统在需要保证风力发电机组安全的时候发生故障。

每192个小时移除看门狗信号，连接变桨电机到电池上以测试第二个安全系统，通过这样的方式，所有功能被测试，在测试时一个或者多个叶片的变桨速率太低，那么可以判断第二个安全系统动作不正常。

紧急系统测试只有在轮毂高度处风速低于9.5m/s时才被允许，如果风速超过9.5m/s，那么紧急测试将会被延迟。

紧急系统的测试只有在10min的平均风速小于9.5m/s才会执行，由于这个原因，测试时间间隔有可能大于192小时，尽管如此，这个延迟的时间不会影响第二个安全系统的正常功能。

如果在此期间，风机发生过T2的故障，该时间会清零重新计时。

第二个安全保护系统的超速电路测试可以通过暂时改变超速继电器的转速设定值来实现。

对于这个装置，可以在低风速时候检测这个电路的完整性。

2.1.5紧急停机按钮电路紧急停机按钮电路按下控制柜上的任何一个紧急按钮将会激活一个紧急故障，由于紧急按钮的位置，该行为将会产生一个迅速的动作。

按下安装在主控柜上的紧急停机按钮或任意与之串联的紧急停机按钮将会产生以下结果：

断开400Vac辅助电源不会断开照明灯停止风机：

产生一个紧急故障紧急断开变频器开关断开变频器供电2.2.XE82/87/93/96/105-2000风力发电机组安全策略描述（直流变桨系统）风力发电机组安全策略描述（直流变桨系统）XE82/87/93/96/105-2000风力发电机组（直流变桨系统）关于安全策略与XE72-2000直流变桨变桨系统基本原理类似，主控软件对于事件处理也是一样的，即事件分为信息，T1类故障，T2类故障和警告，T1类故障使用驱动器变桨，T2类故障激活紧急变桨（使用后备电源直接带动变桨电机变桨），主要差别如下：

安全链路不同，XE82/87/93/96-2000的变桨系统运行示意图如下图2XE82/87/93/96-2000直流变桨系统运行示意图82/87/93/96-2000直流变桨系统是通过独立的模块来搭建安全链回路，即每个功能都是独立分开的。

触发安全链的故障类别有差异，一个是振动故障改为T1类故障，即发生该故障后，使用驱动器带动变桨电机朝停机位置变桨。

将维护开关由T2类故障改为T1类故障，即该动作激活后，优先使用驱动器变桨到限位开关位置，如果驱动故障，再激活紧急变桨后备电源的额定电压为288V，紧急变桨最大速率为8度/s。

正常驱动停机变桨速率根据机型不同，会有差别。

紧急测试时间默认为192小时，大于1000kw的时间不计算，10分钟风速大于7m/s或者5s风速9m/s，测试时间延长2.3.直流变桨系统运行过程中做过的安全控制软件优化直流变桨系统运行过程中做过的安全控制软件优化增加远程手动收桨功能，这里使用的方式有两种，一种是将风机运行模式改为工厂测试模式，后面又通过HMI增加远程操作按钮，可以远程手动变桨和偏航。

在某些风场将紧急变桨测试的时间定在白天，防止在晚上发生测试失败时维护人员没有办法及时发现。

在紧急变桨（后备电源供电）失败后，在控制电源正常的情况下，再次切换到驱动器回路，将驱动正常的那个叶片能够变桨到限位开关位置，此次软件改动需要配合变桨系统的硬件改造，该方案在部分风场已经实施，还未全面铺开。

紧急变桨测试增加风速限制需要注意的是，手动开环变桨或者紧急变桨失败再次切换到驱动变桨必须确保安全链导通，同时必须确保电网有电，在发生硬件超速时，是没有办法使用变桨驱动将叶片变桨到停机位置的。

同时紧急变桨失败后通过手动模式或者自动的再次切换到驱动将叶片收到停机位置后，维护人员必须登机检查，确保紧急变桨失败原因找到，并经过测试后才能重新启动风机。

2.4.XE82/87/93/96/105-2000风力发电机组安全策略分析（交流变桨系风力发电机组安全策略分析（交流变桨系统）统）2.4.1不同交流变桨系统安全链示意图不同交流变桨系统安全链示意图我司目前使用的交流系统方案有多种，主要有天成同创、世优科技（三种方案）、阜特科技、天津瑞能，对于每个系统其安全链运行示意图如下：

图3天成变桨系统安全链回路示意图图4阜特变桨系统安全链回路示意图图5世优变桨系统（驱动器采用BG6）安全链回路示意图图6世优变桨系统（驱动器采用SEC）安全链回路示意图图7天津瑞能变桨系统安全链回路示意图世优采用伦次驱动器的方案其安全连示意图和世优采用路斯特SEC驱动方案完全相同。

从图3和图7可以看出，对于交流变桨系统，其安全链基本相同，都是串联了超速继电器、驱动器状态、然后再进入驱动器的安全链输入端子，在发生硬件超速和驱动器故障时都会激活变桨系统的紧急变桨。

同时每种系统都可以接受来自主控的命令激活紧急变桨。

2.4.2不同交流变桨系统的主控安全策略不同交流变桨系统的主控安全策略对于主控系统来说，每个交流变桨系统的接口都不同，其监控参数都是不同的，但是其安全策略基本相同，主控软件对于采用交流变桨系统的T1类故障、T2类故障、警告、信息的处理是相同的，都是主控检测到各部件的信号是否正常，然后确定是否由主控制器直接发停机速度命令给变桨系统（正常停机）或者触发安全链断开指令，由变桨系统自主确定停机的速度和位置（紧急停机）。

不同厂家紧急变桨后的停机位置和方式是不同的，对于阜特方案的交流变桨系统，其紧急停机采用速度控制，停机位置是限位开关位置，其它所有厂家的紧急停机是采用位置控制，其停机位置一般稍微小于限位开关的安装位置，目前天成同创的紧急停机位置为86度，其它厂家为88度。

2.4.3交流变桨系统和直流变桨系统的差别交流变桨系统和直流变桨系统的差别交流变桨系统采用采用是交流电机，后备电源是直接连接在驱动器的母线上，因此正常停机（T1类故障）和紧急停机（T2类故障）都是通过驱动器驱动变桨电机使叶片朝停机位置变桨，只是停机速率和停机位置有差别，在有400Vac控制电源的情况下，都是通过控制电源给驱动器供电，后备电源只有在控制电源断电的情况下才会给驱动器提供电源使叶片朝停机位置变桨。

而直流变桨系统只有在T1类故障触发时才会使用驱动器收桨，任何T2类的故障都会触发后备电源直接接通直流电机将叶片收桨。

由于交流变桨系统驱动内部自带安全逻辑程序，只要驱动不报故障，就可以在风机出现问题时将叶片收桨，当然，电网断电的情况下还必须保证后备电源及其链路正常。

当驱动器出现故障时，叶片就无法收桨，因此对于交流变桨系统，人机交互界面（HMI）的开环变桨在叶片出现收不了桨时无意义，它只是可以用来排查交流变桨系统的安全链故障。

而对于直流变桨系统来说，由于安全链触发时，无论驱动是否正常，都会触发到后备电源紧急变桨，而此时有可能某些驱动器还能正常运行，所以在后备电源紧急变桨失败后在条件满足的情况下还能采用人机交互界面（HMI）再次切换到驱动器回路将驱动器正常的那个叶片变桨到安全停机位置。

交流变桨系统的紧急变桨测试只能检测变桨系统的安全链回路是否正常，而无法检测后备电源及其链路是否正常，因为在网电正常的情况下，驱动器永远采用网电收桨。

而直流变桨系统的紧急变桨则可以同时检测安全链回路和后备电源是否正常。

2.5.XE112/XE105I/XE105II-2000风力发电机组的安全策略分析风力发电机组的安全策略分析2.5.1XE112/XE105I/X105II-2000风机安全链示意图风机安全链示意图XE112/X105I/X105II-2000风力发电机组都采用交流变桨系统，其安全链示意图如下：

图8XE112/X105I/X105II-200采用交流变桨系统安全链示意图通过示意图可以看出，上述三种机型和其它交流变桨系统在安全策略的差别是将主控硬件的振动故障、扭缆传感器超限故障、急停按钮故障都直接串联到安全链里面去了，即当振动故障、扭缆传感起硬结点激活或者急停按钮激活时，会通过硬接线直接切断风机的安全链，触发风机的紧急停机。

对于风机主控软件来说，和其它交流变桨系统的处理是没有变化的。

3.总结总结对于2MW风力发电机组，主控制软件关于事件的处理都是相同的，即分成T1类故障，T2类故障、警告和消息，只是对于不同的机型和变桨系统，不同事件的执行装置不同，对于直流变桨系统，任何T2类事件或者硬件超速或者看门狗信号丢失都是采用后备电源直接连接电机将叶片收桨到停机位置，因此对于后备电源和链路的要求极高，对于交流变桨系统，在控制电源有电的情况下，都是使用网电收桨，只有风机掉电才会使用后备电源收桨，且都是通过驱动器来实现的，因此对驱动器的可靠性性要求极高。

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