2.7 风力机安全运行
风力机的运行是完全自动的，在故障时能处于保护状态，并能指出故障原因。小型风力机运行可使风力机在紧急情况下处于安全状态，或故障时使运行停止，并达到不可逆转的保护状态。而机组容量越大，运行监控系统越复杂，要求也越高，造价就越高。在正常运行中的风力机的监控和保护应有两个功能，一种是随时可以手动停机；另一种是运行操作控制系统误操作时，没有误控制或非允许的运行情况发生，不允许由于极限值操作台外力造成参数变化，或开关过程变化而产生机器动作。这一极限值尤为重要的是风轮超速极限，在故障时用来设计并保护不超过容许值。
2.7.1 风力机运行流程
图2-16表示的是DEBRA-25型风力机的运行流程。该机是双叶轮转速，粗线表示的是静态情况，虚线表示的是过渡过程。
图2-16 DEBRA-25风力机运行流程图
①系统检测 运行检测，自动测试风力机各种实际功能。
②静止状态 风轮处于顺桨状态，机械刹车未投入。风轮慢慢转动，以便使叶片中贮存的水流出，避免冬季结冰、叶片胀裂。由操作台手动，可以使叶轮刹住。
③启动 按动正常运行按钮，叶片达到70°攻角的启动位置，叶轮转动加快。
④等待状态 测试叶片启动位置时的风轮转速，当风轮转速超过（平均）3r/min时，风力机达到发电状态，开始进入运行状态。风轮转速在等待时超过了允许的最高值时，风力机仍处于等待状态。
⑤高速运行，控制桨距角，使风轮加速到额定转速以下，在超过某一确定转速时和电网频率同步。
⑥负荷运行Ⅰ 风力机发电。通过变距使发电机额定功率在允许值以下，在部分负荷范围下，叶片角度恒定在2°（最佳运行角）平均超过1min。在额定功率下运行，说明风足够使运行达到第2级。而超过1min平均输出功率只有0.5kW，则说明风太小，风力发电机从电网吸收功率。
⑦负荷变化运行Ⅰ→Ⅱ或Ⅱ→Ⅰ 风力机由低向高风轮转速（Ⅰ→Ⅱ）加速，而从电网的解列，或相反（Ⅱ→Ⅰ）达到新的同步并网。
⑧负荷运行Ⅱ 风力机输出功率。大风时，调整到额定功率，部分负荷时，叶片角度恒定在2°（最佳运行角）。额定功率以上，叶片角度由测风来控制平均值超过1min。叶片角度超过30°，说明风速超过20m/s，风力机回到等待状态直到风小为止。
⑨停机 风力机处于等待状态。
⑩静止状态 风力机在运行状态下的静止状态。
运行应自动进行，当故障时允许自动停机。这有赖于运行这一时刻是稳定还是不稳定的。
2.7.2 正常运行过程
风力机组的工作应适应气象的变化，同时还要考虑到用户情况。对于正常运行过程有以下几点。
（1）正常运行
①维护时风太小，太大时停机；
②风力机达到额定转速；
③并网（同步）；
④最佳的CP匹配的风轮转速；
⑤根据用户情况，输出功率与CP相适应；
⑥在小风或大风时离网；
⑦维修时风机刹车；
⑧电网故障时风机刹车，电网倒流，重新同步和发电运行；
⑨发电运行的返回，双向切换过程。
所有运行状态应根据风速变化、相应的载荷分布来考虑。必须准确地测出某过程的重复性。但当电网故障出现时，风力机必须切出。自动同步发电机不仅能向有故障的电网送电，并配有无功系统，当相对容量存在时，应能提供好的励磁功率。当电网故障时，电网电压发生变化，为此，风力机应停机。在停机过程中，应使载荷冲击最小，这就要求具有良好的传感器对信号进行检测。
图2-17所示是一台风力机的运行统计图，年平均风速为4.2m/s，风力机加速到电机的额定转速时带上一级负荷，在风轮加速过程中又降低了。额定转速常达不到造成了断续的加速过程，那么这时的风力发电机转速就不要控制，塔架的自振频率就要提高。
图2-17 DEBRA-25风力机运行统计图
因发电机过热过载时应及时地切出。风力发电机启动偏航，一般偏航离开风向180°，控制使风轮能从偏航位置返回，再加速到电网同步转速。
当风力机出现故障时，如超过了设计的允许值，应当及时切出，而且是不可逆转的。运行中要求检测、分析故障情况，并作出相应的判断，避免不必要载荷的出现。
下面是DEBRA-25风力机的故障控制内容。
（2）故障控制停机
①超过允许的电缆缠绕。
②运行时系统电瓶电压偏低。
③液压系统故障。
④发电机单相保护。
⑤变距速度偏低。
⑥过载。
⑦发电机过热。
（3）紧急切出
①超速。
②叶片桨距角超过允许值5°。
③转速测量错误。
④减速过程持续时间超过允许值。
（4）高速时
①机械飞车抛出。
②机舱塔架振动。
③运行错误。
前两种都是在微处理器控制下进行，往往是在故障出现后开关延时再控制，控制停机一般是在正常运行和在静止时进行。故障排除后，经手动可以恢复运行。而紧急停机是很快地使机组停下，以避免机组受损害。此时主球阀处于液压溢流状态，打开液压阀，在大风时，叶片顺桨，达到空气动力刹车。由于主球阀打开，叶轮变桨不会失灵，刹车会马上起作用。附加紧急停车系统用在微处理器出现故障时的紧急停机，由离心开关监测转速是否正常，当测速电机测得的转速超过极限值时，使机组停止运行。上述控制停机不再起作用，而是像紧急停机那样，主阀打开，立即停机。
2.7.3 运行安全性
安全性在一台风力机的设计中是至关重要的，有以下几点应加以注意。
（1）设计缺陷
①负荷考虑不足。
②出现了没有考虑到的风力机特性。
③结构上的缺陷。
（2）安全和保护系统的不完善
①安全系统设计缺陷。
②运行人员发生错误。
③传感器发生故障。
④环境的影响。
（3）制造、维护和安装时存在的缺陷
①缺乏关键的技术。
②组装质量不好。
③安装问题。
④维修时出现的问题。
2.7.4 安全性方针
在风力机运行中还有一些情况对安全性有很大影响。
（1）出力过高 尤其是失速机在空气密度大时，功率超过允许值，可产生发电机的过热而停机。当机组刹车时，发电机冷却，机组重新并网，若反复出现上面的情况，就会损害风力机部件，缩短机组寿命。
（2）振动 机组出现振动时，会使机械部件很快疲劳，从而出现故障或飞车。若当激振力与某些部件产生共振时，对机组的运行将是十分危险的。
（3）电网故障 当电网出现经常性故障时，机组反复停机、开机，机组的机械材料会出现磨损和疲劳，诸如叶片变桨的损害，叶轮齿轮箱过载及刹车失灵等。
（4）特殊气候 如冬、夏季节气温的差异对于润滑油的影响，复杂地形产生的气流造成偏航力矩而产生部件疲劳，雷、电、雨及盐雾、冰雹等都会对机组造成损害。
在安全设计中应遵循的原则有：
①风力机组必须有两套以上的刹车系统；
②每套系统必须保证风力机在安全运行范围内工作；
③两套系统的工作方式必须不同，应当利用不同的动力源；
④至少一套系统保护风轮在外部不正常情况下，能处于容许范围内工作；
⑤至少一套系统保护风轮转动在故障时能停止下来；
⑥当安全系统进行停止或减速时，不允许手动产生影响；
⑦无空气动力刹车的风力机用于超速时停机的机械刹车，和转速传感器应布置在风机轴上；
⑧在空气动力刹车出现故障时，风轮应离开风向；
⑨电缆缠绕问题；
⑩机舱对风偏航速度应有一定限制，避免出现陀螺力矩；
电网故障，允许风力机在电网恢复正常时自动并网；
安全系统应保证在出现故障后不再运行并网，而是处于静止状态；
电器、液压、气动系统在故障时的动力源应能得到保证，以便安全系统投入。
2.7.5 风力机载荷设计
风力机是旋转式动力机器，风是不断变化的动力，在风力机的寿命期中，各种负荷来源于风及风轮的旋转。在设计中要考虑各种载荷的性质，如运行时、维修时、安装时以及风的情况和天气条件，各种器件受力情况及失灵的情况。风力机的设计和计算目前在国际上还无法精确进行，一些国家进行了这方面的试验，但试验结果还有很大的局限性，负载的确定关系只适于一定范围。
下面就载荷设计中需要考虑的内容列举如下。
（1）一般外部条件 气象条件包括风频、风廓线、阵风、气流、气温、湿度、结冰、盐雾、飞砂。
（2）不正常外部条件 特殊气候条件包括极限大风（世纪阵风）、特殊的边界层流动、特殊阵风过程、最大的结冰、极限气温、冰雹、雷击、电网故障、单相电压损失、电压波动、频率波动、电网短路、对电网的雷击。
（3）其他环境影响 人为错误、漏水（雨、蓄水）、牲畜的影响、鸟类的影响、振动。
（4）一般内部条件
①运行状态 超停机、与电网同步、功率与转速调节、正常运行、负载脱离（定载）、机舱对风调整、静止（风轮允许缓慢转动）、风轮卡住、对风、倾斜、塔架阻力或塔影效应。
②力和力矩 自重、质量加速度（刹车、调节）、离心力、陀螺力矩、质量不平衡、气动不平衡产生的扭矩。
（5）特殊内部条件
①部件故障 变距振动和机械系统、传递环节、发电机短路、机舱对风、机械刹车、气动刹车、运行、传感器、发电（电流）。
②运行情况 超速、超功率、自振和振动、由于控制而产生的受迫振动、紧急关机、风矩回往转动。
（6）其他 运输、安装、调整、维修。
以上各种情况在设计中未必都要同时考虑，要根据具体情况分析。要根据安装地点的特殊条件来选取安全系数。
2.7.6 风轮机与航空安全问题
20世纪90年代，英国发生风力发电厂因噪声扰民和干扰电视信号而引起一场官司。最近，英国国防部又提出，风力发电干扰航空雷达，影响空中安全。
英国风力发电学会计划在全国建立18个风力发电厂，以便在2010年实现可再生能源占英国总电力10％的目标。但这一计划遭到英国国防部的反对，并试图阻止其中5个风力发电厂的建立。理由是这5个风力发电厂，都靠近英国皇家空军基地。国防部的官员说，风力发电的涡轮机可能干扰空中管制，并为敌人的飞机提供掩护。
英国国防部认为，涡轮机叶片可能在跟踪敌方飞机的雷达显示屏上出现，影响雷达探测靠近涡轮机的敌机。风力发电学会顾问指出，空中交通管理人员在工作中经常要对付各种物体的干扰，如高大的树木和各种飞行物，国防部应该拿出风力发电对雷达构成干扰的实据。
高大的涡轮机可能构成雷达的盲区，但影响面非常小，即100m高、延伸500～700m的空域。而解决这个问题也不难，如德国和丹麦就解决了这个问题。丹麦米德尔格鲁登近海的风力发电厂离哥本哈根飞机场仅8km，他们在雷达系统中装上一种软件，就能过滤掉涡轮机的干扰信号。
利用吸波材料制造涡轮机，并调整好涡轮机之间的距离，也是降低风力发电厂干扰雷达的办法。在某些条件下（如有敌机入侵），还可停止涡轮机的运转。因此，风力发电场厂不会威胁空中安全。