黄子轩
身份证号码44178119940703xxxx 广东湛江 524000
摘要：东南沿海地区每年都接受迎来自台风的挑战，风力发电机组的防台技术需不断优化，应对台风天气下的各种不可控因素，以保障风力发电机组免受损坏，保证机组在台风后能及时正常运行已成为最关注的问题。某风电场在台风即将来临之际，因机组台风测试功能未完善致无法验证机组的可靠性。以风速仪相关技术为基础，结合PLC模块数据控制逻辑，触发风力发电机组的台风模式，测试其性能以及在机组出现故障时偏航控制状态的变化，记录相关数据进行分析并对机组的逻辑进行优化，极大提高了机组在台风天的可靠性，最后结合工作经验提出一些建设性意见。
关键词：风力发电机组；防台优化；气象台；信号控制；自动化
The typhoon mode test and analysis of a series of wind turbines
Huang Zixuan
(441781199407030114 , Zhan Jiang, Guangdong, 524000)
Abstract:The Southeast coastal area is hit by typhoon every year. It is an urgent need to optimize the anti-typhoon technology to tackle all sorts of uncontrollable factors of the typhoon weather in order to keep wind generating set from damaging and ensure it could get back to operation in time after typhoon. A wind farm in the approaching typhoon, because the unit typhoon test function is not completed to verify the unit's reliability.Based on anemometer relative technology and combined with PLC module data control logic, trigger the typhoon pattern of wind generating set and test its performance and changes of yaw control condition when the set malfunctions. Record relative data to analyze and contrast, and eventually put forward a few constructive suggestion combing with working experience.
Key words: wind generating Set;anti-typhoon optimization;meteorological observatory;signal control; automation
0引言
近年来，关于风电机组抗台的研究主要是从设计优化、适应性分析角度等方面入手的。吴金城等[1]分析了我国台风的气候特征和对风电机组的破坏机理，提出了适合我国及东南亚风况特色的风电机组设计指导。罗超[2]研究了3.0MW 海上风力机的叶片气动外形设计和叶片的抗台风特性。申新贺等[3]研究并建立了用于风电机组台风适应性设计的台风风况模型和工况模型。现有研究都是从模型仿真及设计计算的角度分析风电机组的抗台特性，而针对具体风场的现场抗台运行指导则略显不足。以某系列风力发电机组的台风模式为例，利用人工给予电信号的方式触发现场机组的台风模式，从而验明机组在高风速下进入台风模式的可靠性及在该模式下控制逻辑的可行性，为今后风力发电机组的防台逻辑及措施提供借鉴[4]。
1研究背景
2017年6月，南方某风电场25台机组已全部完成并网发电，同时亦将面临该季节下台风繁多的天气。台风易造成沿海和近海风力机整机倒塔、叶片断裂、机舱摧毁等事故[5]，现场人员需对所有机组进行台风模式的测试以确保机组应对台风的性能。由于机组后台监控软件暂未具备暴风停机测试功能，台风在即，现场人员无法验证机组在台风模式下相关逻辑可行性，对于该模式下出现各类故障以及故障恢复后的机组状态亦无从得知，机组的安全问题已迫在眉睫[6]。
根据风力发电机组的信号传输及控制原理，制定一套能使机组模拟进入台风模式的方案，对偏航系统以及液压系统在机组进入台风模式后各系统的状态和机组的控制逻辑进行验证，以保证风机在台风来临时能够正确地进入台风模式并执行主控命令，保障人身安全以及机组免受台风损坏[7]。因此，特模拟机组台风模式，并记录各项参数及数据，以验明上述疑问。
2测试原理
气象台的信号一般主要由超声波风向风速仪（图1）、机械式风向标（图2）及机械式风速仪（图3）测量和采集，通过传感器转换为电信号至模块，输出与实际相符的风速风向值[8]。
图1 超声波风向风速仪 图2 机械式风向标 图3 机械式风速仪
Fig.1 Ultrasonic wind Fig.2 Mechanical vane Fig.3 Mechanical anemometer
direction anemometer
根据机组原理图所示，超声波风向风速仪电源以及信号线共5根（图4），输出的为电流信号（图5），并将其接线归总（图6）。
图4 超声波风向风速仪接线图 图5 超声波风向风速仪信号通道
Fig.4 The wiring diagram Fig.5 The signal channel
图6 超声波风向风速仪接线说明
Fig.6 Wiring instructions
超声波风向风速仪：通过测量声音在空气中传播的速度与风向上气流的速度，两者互相结合叠加。在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应，即输出4-20mA的电流信号至模块，通过计算即可得到精确的风速和风向。
以此超声波风向风速仪为例，其计算公式如下：
机械式风速仪：实为三杯回转架式光电风速传感器，通过测量其旋转速度得到风速值，传感器输出2-573HZ的频率信号至模块，其计算公式如下：
机械式风向标：风向传感器S极指向机舱头部，N极则指向机舱尾部。风向标尾翼与风向传感器S极重合，风向标指向正对风向传感器N极时，则相对风向标来说是0°位置[9]
（图7）。
图7 风向标指向所对应的角度
Fig.7 The wind vane points to the corresponding angle
根据机组原理图所示，机械式风向标电源以及信号线共3根（图8），输出的为同为电流信号（图9），并将其接线归总（图10）。
图8 机械式风向标接线图 图9 机械式风向标信号通道
Fig.8 The wiring diagram Fig.9 The signal channel
图10 机械式风向标接线说明
Fig.10 Wiring instructions
其计算公式如下：
i风向—当前输出的电流信号（mA）
X—风向标的角度
机械式风速仪在模块通道上采集的为脉冲信号，从目前仅有的资源来看不符合现场要求，无法发出稳定的脉冲信号以达到暴风停机的风速，从以下方面分析：
（1）为了使测试具有可控性和稳定性，在选择电流信号源上采用机组上原有的传感器以达到不影响机组原有功能的目的而又符合现场要求，即机械式风向标中的风向传感器。
（2）由于超声波风向风速仪同时具有测判风速、风向的特性，即使拆除了机械式风向标的接线也不影响机组对风向的判断，但要确保机组选择由超声波传感器测风，保证机组的完整性。
例若风向标指向S极，则X值为180°，风向传感器可输出12mA的电流信号，该电流信号输入到模拟量模块的超声波风速通道，可输出约25m/s的风速。由此可见，即使机组采用不同类型的风速仪及风向标，亦可根据现场情况调整风向标的角度，得到测试中所需达到的风速值。
综上所述，本测试的原理是利用风向标输出的电流信号代替超声波风速仪输出的电流信号，通过改变风向标的指向从而得到所需的电流信号大小，从而使得主控接收到一个虚拟的风速值，模拟启动台风模式，即采集电流信号，反馈出所需的风速信号。因此考虑选取模拟量模块上的超声波风向风速仪通道作为信号源的载体，采用机械式风向标输出的电流信号以作信号源[10]。
3测试步骤
准备工作：
（1）塔下手动停机，使机组进入维护状态；
（2）切断机组气象台的供电电源。
测试阶段分调整风速风向仪接线、模拟测试、故障试验三个阶段。
3.1 调整风向仪接线
（1）拆除机舱接线盒83JB3上X4-18端子与超声波风速仪的风速输出信号线1的接线；
（2）拆除机舱接线盒83JB3上X4-8端子与BLF1-X风向标传感器信号线3的接线；
（3）将BLF1-X风向标传感器信号线3接到机舱接线盒83JB3上X4-18端子上；
（4）确保除此外其余接线无变动。
3.2模拟测试
（1）机组退出维护状态；
（2）观察机组风速值，调整风向标角度，并记录其每个角度对应的风速值以及各项参数数据；
（3）根据现场情况控制其风速并观察风机是否进入台风模式，偏航到下风位，执行台风模式的其他命令，记录相关参数。
3.3故障试验
（1）记录触发机组台风模式的风速值、风向标角度、电流信号值、对风角度以及刹车压力值；
（2）通过数据与测试原理的理想数据进行比较，分别测试机组在出现偏航故障、通讯故障、断电故障以及故障恢复后的机组状态。具体而言，即人为在机组进入台风模式后制造故障测试其控制策略的可行性[11]。
4结果分析
风电场根据以上测试步骤成功地完成了所有测试，并记录了相关数据，作出了以下分析。
当风向传感器输出16mA左右的电流，机组风速达到38.1m/s（图11），触发台风模式使偏航刹车释放至25bar（图12），风力发电机组开始主动往下风向偏航。直到机组主动偏航到下风向位置，偏航液压刹车维持在160-180bar，以保持机组的下风向位置（表1）。
图11 实时风速
Fig.11 Real time wind speed
图12 偏航动作
a 表1 台风模式模拟启动数据
Tab.1 Typhoon mode simulated start data
进一步地，在台风模式下分别测试机组在出现偏航故障、通讯故障、供电故障以及故障恢复后的机组状态。在风力发电机组暴风停机后，当出现偏航故障、通讯故障以及供电故障时，偏航控制状态会由暴风停机状态转为偏航禁止状态（图13），偏航液压刹车为高压状态，即退出暴风模式。故障恢复后，偏航控制状态会由偏航禁止状态转为偏航待机状态（图14），偏航液压刹车仍处于高压状态[12](表2)。
图14 偏航待机
表2 故障测试数据
Tab.2 Failure test data
利用风速信号同为模拟量原理，采用可准确控制输出信号的传感器代替风速传感器，使模块接收相同类型的电流信号得到测试过程中需要达到的风速值，从而触发机组的台风模式，解决了当前机组未有台风测试功能的难题，亦攻破了工作现场仅有资源条件的限制，成功地为接下来的工作开辟了一条新道路[13]。同时可从测试结果得知，一旦出现上述故障，则需人为干预以满足机组自身的防台策略，即需通过后台监控软件手动将偏航液压力由160-180bar泄至25bar使机组保持阻尼的情况下随风被动下风向偏航，机组的可靠性能将大幅降低[14]。
5总结
以某系列的风力发电机组为例阐明台风模式信号控制的方法，分析了在机组出现偏航、通讯、供电故障后的动作逻辑，并提出了存在的问题，同时亦可以此为例为今后的防台策略提供以下建议：
（1）采用机组气象台风速计量过程中同类型的信号源触发台风模式，如信号发生器等仪器或机组自身的传感器，在不影响机组正常运行的条件下，验明机组在高风速无人为操作的情况下可自主进入台风模式的控制逻辑，对于各系列的风力发电机组而言，此措施既可验明保证机组台风模式性能的可靠性，亦可提供测试平台，完全模拟机组遇高风速后自主进入台风模式的状态，以测得其准确真实的测试数据，作为机组防台的第二道防线。
（2）风力发电机组防台的控制逻辑应更趋向于自动化，减少人为干预因素，如手动泄压及手动侧风等防台模式下的操作应尽量避免，在紧急情况下的人为操作将使机组的可靠性大幅降低，应由机组自主执行命令完成防台策略[15]。
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论文作者:黄子轩
论文发表刊物:《房地产世界》2019年5期
论文发表时间:2019/9/13
标签：机组论文; 台风论文; 风速论文; 风向论文; 风向标论文; 信号论文; 模式论文; 《房地产世界》2019年5期论文;