2.8 其他部件

风力发电机组的其他部件主要包括机舱、塔架、监控系统、风速仪和风向标等。

2.8.1 机舱、塔架

2.8.1.1 机舱

机舱主要放置发电机等关键设备，风力发电机组的机舱底盘上布置有风轮轴、齿轮箱、发电机、偏航驱动器等机械部件，起着定位和承载（包括静负载和动负载）的作用。维护人员通过塔架进入机舱。

为了保护风力发电机组机电设备不受外部环境的影响，减少噪声排放，机舱与轮毂均采用罩体密封。罩体包括机舱罩和轮毂罩，机舱罩是由左下部机舱罩、右下部机舱罩、左机舱罩、右机舱罩、上部机舱罩、上背板、下背板七大主要部分通过螺栓联结组合而成的壳体。机舱罩设有紧急逃生孔，紧急情况下人员可以通过逃生孔从机舱外部逃离。机舱罩内壁分布着接地电缆，作为防雷击系统的一部分。

2.8.1.2 塔架

塔架是风力发电机组的主要支撑装置，它将发电机与地面连接，为水平轴叶轮提供需要的高度，是整个风力发电机组安全运行的基础。随着风力发电机组性能的提高，对作为支撑系统的风电塔架也提出了更高的设计要求，所以在此过程中也形成了多种型式的塔架。根据塔架型式不同，主要分为锥台型塔筒和格构式塔架两种。

1．锥台型塔筒

锥台型塔筒是目前大型风力发电机组市场中最典型的结构型式。从外观看，由底向上直径逐渐减少，整体呈圆台状，因此也称此类塔架为圆台式塔架，如图2-33所示。其主要优点是美观大方、构造简单、安全性能好、占地面积小、安装、维护方便等，但目前存在的主要缺点是整体材料的利用率低、运输中易受道路条件限制、经济性差等。

2．格构式塔架

格构式塔架与输电塔架外观相似，如图2-34所示。在早期小型风力发电机组中大量使用，其主要优点是制造简单、耗材少、成本低、运输方便，但主要缺点是在施工过程中连接的零部件较多、现场施工周期长、占地面积大、通向塔顶的检修梯子不好安装等。在大型风力发电机组中逐渐被锥台型塔筒替代。不过当高度和刚度设计要求相同的情况下，格构式塔架比锥台型塔筒的材料利用率高，使其材料消耗减少约40%；同时，格构式塔架的构件尺寸小，可大幅降低运输成本。

塔架对大、中型风力机的影响不容忽视。塔架主要起着支撑机舱、发电机和叶轮的作用，并将载荷传递到基础上。塔架在法兰处用螺栓连接，塔架下端与基础环连接，塔架上端通过螺栓与偏航轴承连接；塔架侧的连接法兰分为内法兰式和外法兰式；塔架底部安装有主控制，变流柜，变压器（如有必要）或水冷柜；塔架内装有安全爬梯并一直通到塔架上平台。每段塔架上部都设有一个休息平台；塔架和机舱内都装有照明灯；所有的动力和信号电缆在塔架内布放。电缆固定在电缆夹板上，不会影响机舱的转动。发生扭缆时，风力发电机组能自动解缆。

2.8.2 监控系统

风电场计算机监控系统分中央监控系统和远程监控系统，系统主要由监控计算机、数据传输介质、信号转换模块、监控软件等组成。

2.8.2.1 中央监控系统

中央监控系统的功能是对风力发电机进行实时监测、远程控制、故障报警、数据记录、数据报表、曲线生成等。风力发电机组控制器中央监控系统结构图如图2-35所示。

目前，风电场所采用的风力发电机组都是以大型并网型机组为主，各机组有自己的控制系统，通过采集机组数据及状态，计算、分析和判断等操纵、控制机组的启动、停机、调向、刹车和开启油泵等动作，能使单台风力发电机组实现全部自动控制，无需人为干预。

目前国内监控系统的下位机是指风力发电机组的控制器。监控系统上位机一般都是工控机，即工业计算机，通过里面的软件和各种接口，如串口、以太网等采集各种设备的数据。对于每台风力发电机组说，即使没有上位机的参与，也能安全正确地工作。所以相对于整个监控系统，下位机控制系统是一个子系统，具有在各种异常工况下单独处理风力发电机组故障、保证风力发电机组安全稳定运行的能力。从整个风电场的运行管理来说，每台风力发电机组的下位控制器都应具有与上位机进行数据交换的功能，使上位机能随时了解下位机的运行状态并对其进行常规的管理性控制，为风电场的管理提供方便。因此，下位机控制器必须使各自的风力发电机组可靠地工作，同时具有与上位机通信联系的专用通信接口。

国外进口的风力发电机组控制器主机一般采用专门设计的工业计算机或单板机。也有采用可编程控制器（PLC）。国内生产的一般较多采用可编程控制器（如西门子S7-300），这样硬件的可靠性和稳定性好，尤其是对于海上风电维护不便，需要更可靠的控制器。PLC模块化的结构方便组成各种所需单元。控制器之间的连接也很方便，易于构成主从式分散控制系统。

计算机监控系统负责管理各风力发电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等。为了实现上述功能，下位机（风力发电机组控制器）控制系统应能将机组的数据、状态和故障情况等通过专用的通信装置和接口电路与中央控制器的上位计算机通信，同时上位机应能向下位机传达控制指令，由下位机的控制系统执行相应的动作，从而实现远程监控功能。

中央监控系统一般运行在位于中央控制室的一台通用计算机或工控机上，通过与分散在风电场上的每台风力发电机组就地控制系统进行通信，实现对全场风力发电机组的集群监控。风电场中央监控系统与风力发电机组就地控制系统之间的通信属于较远距离的一对多通信。国内现有的风电场中央监控系统一般采用RS485串行通信方式和4～20 mA电流环通信方式。比较先进的通信方式还有PROFIBUS通信方式、工业以太网通信方式等。

上述各种通信方式能够完成风电场中央监控系统中的通信问题，但具有各自的特点，主要通信方式简要对比见表2-1。

目前，我国各大风电场在引进国外风力发电机组的同时，一般也都配有相应的监控系统，但各有自己的设计思路和通信规约，致使风电场监控技术互不兼容。同时，控制界面全部是英文的也不利于运行人员操作。如果一个风电场中有多个厂家的多种型号的风力发电机组，就会给风电场的运行管理造成一定困难。如内蒙古辉腾锡勒风电场就有约5种监控软件。因此，国家在科技攻关计划中除了对大型风力发电机组进行攻关外，也应把风电场的监控系统列入攻关计划，以期开发出适合我国风电场运行管理的监控系统。目前也有一些国产监控系统开发成功并投入运行，如新疆风能有限责任公司的“通用风电场中央及远程监控系统”。

风电场的监控软件应具有以下功能：

（1）友好的控制界面。在编制监控软件时，应充分考虑到风电场运行管理的要求，应当使用中文菜单，使操作简单，尽可能为风电场的管理提供方便。

（2）能够显示各台机组的运行数据，比如每台机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等，将下位机的这些数据调入到上位机，在显示器上显示出来，必要时还应当用曲线或图表的形式直观地显示出来。

（3）显示各风力发电机组的运行状态。如开机、停车、调向、手动/自动控制以及发电机工作情况。通过各风力发电机组的状态了解整个风电场的运行情况，这对整个风电场的管理十分重要。

（4）能够及时显示各机组运行过程中发生的故障。在显示故障时，应能显示出故障的类型及发生时间，以便运行人员及时处理和消除故障，保证风力发电机组的安全和持续运行。

（5）能够对风力发电机组实现集中控制。值班员在集中控制室内就能对下位机进行状态设置和控制，如开机、停机、左右调向等。但这类操作必须有一定的权限，以保证整个风电场的运行安全。

（6）历史记录。监控软件应当具有运行数据的定时打印和人工即时打印以及故障自动记录的功能，以便随时查看风电场运行状况的历史记录情况。

监控软件的开发应尽可能在现有工业控制软件的基础上进行二次开发，这样：一方面，可以缩短开发周期；另一方面，由于现有的工业控制软件技术成熟、应用广泛、稳定性好，且能随着软件的升级而方便地升级。而直接从底层开发的监控软件如果没有强大的软件队伍和经验丰富的软件人员很难与之相比。

2.8.2.2 远程监控系统

远程监控系统的功能是实时查看风力发电机组的运行情况、数据记录。风力发电机组远程监控系统如图2-36所示。

实际上，只要通信网连通，理论上远程监控系统能够实现的功能和中央监控系统一样。但是为了安全起见，目前国内远程监控系统只完成监视功能，随着技术的发展，无人值班风电场的推出，远程监控系统将发挥更大作用。

通信网络是实现远程监控系统的关键环节。根据国家经济贸易委员会令（第30号）《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》，电力监控系统和电力调度数据网络均不得和互联网相连。因此，远程监控系统通常只能使用专线或电力调度数据网络。考虑到实际情况和需要，现在实现的风电场远程监控系统一般采用电话线进行通信。

2.8.3 风速仪和风向标

风速仪和风向标用于测量风速及风向。风力发电机组很多控制算法都要依靠风速和风向这两个输入量，风速测量仪主要有风杯风速计、螺旋桨式风速计、热线风速计和声学风速表等，风杯风速器较常见。风杯风速计的外形图如图2-37所示。

风向标是各种测风仪器中用以指示风向的部件。分为头部、水平杆和尾翼等三个部分。在风力的作用下，风向标绕直轴旋转，使风尾摆向下风方向，头部指向风的来向，其外形如图2-38所示。

2.8.4 防雷接地系统

1．雷电对风力发电机组的危害

风力发电机组通常位于开阔的区域，而且很高，所以整个机组是暴露在直接雷击的威胁之下，被雷电直接击中的概率与物体高度的平方成正比。兆瓦级风力发电机组的叶片高度达到150m以上，因此其叶片部分特别容易被雷电击中。风力发电机组内部集成了大量的电气、电子设备，如开关柜、电机、驱动装置、变频器、传感器、执行机构，以及相应的总线系统等，这些设备都集中在一个很小的区域内。毫无疑问，电涌会给风力发电机组带来相当严重的损坏。

风力发电机组遭雷击损坏后，由于故障损害分析和后续维修会有一段时间的停工期。对于风电场经营者来说，设备长时间停机会造成很大的经济损失。风力发电机组高昂的首次投资费用必须在有限的时间内收回，因此必须采取措施保证设备的长期稳定运行。根据雷暴活动水平这一指标可以知道某一地区一年中云对地闪击的次数。

当暴露在雷电直击范围内的物体高度超过60m时，除了云对地闪击之外，地对云的闪击也会出现。地对云闪击也称为向上闪击，它从地面先导，伴随更大的雷击能量。地对云闪击的影响对于风力发电机组叶片的防雷设计和第一级防雷器设计非常重要。根据长期观察，雷击除了机械损坏之外，风力发电机组的电子控制部分也常常损坏，主要有变频器、过程控制计算机、转速表传感器、测风装置。

2．防雷保护区

防雷保护区概念是规划风力发电机组综合防雷保护的基础。它是一种对结构空间的设计方法，以便在构筑物内创建一个稳定的电磁兼容性环境，构筑物内不同电气设备的抗电磁干扰能力的大小决定了对这一空间电磁环境的要求。

作为一种保护措施，防雷保护区应在防雷保护区的边界之内，将电磁干扰（传导性干扰和辐射性干扰）降低到可接受的范围内。因此，被保护的构筑物的不同部分被细分为不同的防雷保护区。防雷保护区的具体划分结果与风力发电机组的结构有关，也要考虑该保护区的结构型式和材料。通过设置屏蔽装置和安装电涌保护器，雷电在防雷保护区LPZ0A区的影响在进入PLZ1区时被大大缩减，风力发电机组内的电气和电子设备就可以正常工作，不受干扰。按照防雷保护分区的概念，一个综合防雷系统包括外部防雷保护系统和内部防雷保护系统。

（1）外部防雷保护系统。由接闪器、引下线和接地系统组成，它的作用是防止雷击对风力发电机组结构的损坏以及火灾危险。

1）接闪器。雷击风力发电机组的落雷点一般是在机组的桨叶上，因此接闪器应预先布置在桨叶的预计雷击点处以接闪雷击电流。为了以可控的方式传导雷电流入地，桨叶上的接闪器通过金属连接带连接到中间部位，金属连接带可采用30mm×3.5mm镀锌扁钢。对于机舱内的滚珠轴承，为了避免雷电在通过轴承时引起焊接效应，应将其两端通过炭刷或者放电间隙桥接起来。对于位于机舱顶部设施（如风速计）的防雷保护，采用避雷针的方式安装在机舱顶部，保护该设备不受直接雷击。

2）引下线。如果是金属塔，可以直接将塔架作为引下线使用；如果是混凝土塔身，则采用内置引下线（镀锌圆钢φ8～10mm，或者镀锌扁钢30mm×3.5mm）。

3）接地系统。风力发电机组的接地由塔基的基础接地极提供，塔基的基础接地网应与周围操作室的基础接地极相连构成一个网状接地体。这样就形成了一个等电位连接区，当雷击发生时可以消除不同点的电位差。

（2）内部防雷保护系统。由所有在该区域内缩减雷电电磁效应的设施组成。主要包括防雷击等电位连接、屏蔽措施和电涌保护。

1）防雷击等电位连接。它是内部防雷保护系统的重要组成部分。等电位连接可以有效抑制雷电引起的电位差。在防雷击等电位连接系统内，所有导电的部件都被相互连接，以减小电位差。在设计等电位连接时，应按照标准考虑其最小连接横截面积。一个完整的等电位连接网络也包括金属管线和电源、信号线路的等电位连接，这些线路应通过雷电流保护器与主接地汇流排相连。

2）屏蔽措施。屏蔽装置可以减少电磁干扰。由于风力发电机组结构的特殊性，如果能在设计阶段就考虑到屏蔽措施，则屏蔽装置就可以以较低成本实现。机舱应该制成一个封闭的金属壳体，相关的电气和电子器件都装在开关柜，开关柜和控制柜的柜体应具备良好的屏蔽效果。在塔基和机舱不同设备之间的线缆应带有外部金属屏蔽层。只有当线缆屏蔽的两端都连接到等电位连接带时，屏蔽层对电磁干扰的抑制才是有效的。

3）电涌保护。除了使用屏蔽措施来抑制辐射干扰源以外，对于防雷保护区边界处的传导性干扰也需要有相应的保护措施，这样才能让电气和电子设备可靠的工作。在防雷保护区LPZ0A进入LPZ1区的边界处必须使用防雷器，它可以导走大量的雷电流而不会损坏设备。这种防雷器也称为雷电流保护器（Ⅰ级防雷器），它们可以限制接地的金属设施和电源、信号线路之间由雷电引起的高电位差在安全的范围之内。雷电流保护器的最重要的特性是按照10/350μs脉冲波形测试，可以承受雷击电流。对风力发电机组来说，电源线路LPZ0A进入LPZ1区边界处的防雷保护是在400/690V电源侧完成的。

在防雷保护区以及后续防雷区，仅有能量较小的脉冲电流存在，这类脉冲电流由外部的感应过电压产生，或者是从系统内部产生的电涌。对这一类脉冲电流的保护设备称为电涌保护器（Ⅱ级防雷器）。用8/20μs脉冲电流波形进行测试，从能量协调的角度来说，电涌保护器需要安装在雷电流保护器的下游。在数据处理系统安装的电涌保护器与电源系统上安装的电涌保护器不同，需要特别注意电涌保护器与测控系统的兼容性以及测控系统本身的工作特性。在数据处理系统安装的电涌保护器与数据线串联连接，而且必须将干扰水平限制在被保护设备的耐受能力以内。

3．接地系统

（1）TN系统，风力发电机组采用TN系统接地，可以较好地保护风力发电机组电气系统及人员的安全。

TN系统中，T表示系统中有一点（一般是电源的中性点）直接接大地，称为系统接地；N表示与系统直接接地点连接而间接接地，称为保护接地。TN系统就是风力发电机组宜设一共用接地装置，供所有设备接地之用，对于其他原因必须分开装设到接地装置，应采取等电位连接，连到共用接地装置上。

（2）TT系统，前一个T表示系统接地是直接接地；后一个T表示用电设备外壳的保护接地是经PE线接单独的接地板直接接大地，与电源中的N线线路和系统接地点毫无关联。

风力发电机组的接地系统应包括一个围绕风机基础的环状导体，此环状导体埋设在距风机基础1m远的地面下1m处，采用50mm2铜导体或直径更大些的铜导体；每隔一定距离打入地下镀铜接地棒，作为铜导体电环的补充；铜导电环连接到塔架两个相反位置，地面的控制器连接到连接点之一。有的设计是在铜环导体与塔基中间加上两个环导体，以改善跨步电压。

4．风力发电机组的接地电阻

为了将雷电流流散入大地而不会产生危险的过电压，风力发电机组的工频接地电阻一般应小于4Ω，在土壤电阻率很大的地方可放宽到10Ω。

如果风力发电机组放置在接地电阻率高的区域，要延伸接地网以保证接地电阻达到标准要求。若测得接地网电阻值大于要求的值，则必须采取降阻措施，直至达到标准要求。可以将多台风力发电机组的接地网相互连接，这样就可以通过延伸机组的接地网进一步降低接地电阻，使雷电流迅速流散入大地而不产生危险的过电压。