雙饋風力發電機組高速剎車閘改進對降低機組維護成本的影響

彭定杰

（東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000）

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雙饋風力發電機組高速剎車閘改進對降低機組維護成本的影響

彭定杰

（東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000）

摘要：文章針對雙饋風電機組高速剎車閘在風機控制中的功能進行探討，結合直驅風電機組剎車方式，改進現有剎車方式以降低機組維護成本。

關鍵詞：高速剎車閘，制動，經濟性

0　引言

風力發電是目前世界清潔能源之一，是全球未來發電的主力軍。近年來，我國風電產業發展勢頭迅猛。隨著國家大力倡導可再生能源，風電裝機容量在不斷地增加，截止到2014年底，全國累計裝機容量已經突破108kW。隨著時間的推移，目前進入機組售后期的風機數量逐漸增加。在保證機組安全性的前提下，如何降低機組維護成本，是風機整機廠家和客戶都較為關心的問題。針對目前雙饋機組的部分設計進行功能優化，有利于降低機組維護成本，提高機組競爭力。

1　制動系統現狀

風力發電機技術在該領域有2種路線：雙饋式異步風力發電機（簡稱雙饋風機）和永磁同步直驅風力發電機（簡稱直驅風機）。采用雙饋技術的代表企業為東方風電、華銳風電等公司。采用直驅技術的代表企業為東方風電、金風科技、湘電股份等風電公司。

2種技術在制動停機方面主要區別在于：雙饋風機靠葉片氣動剎車和高速剎車閘進行制動停機；而直驅風機靠葉片氣動剎車和手動維護剎車閘進行制動停機。

根據“IEC-61400-1第一部分：風機設計”的8.4中規范，風機需要1套以上的制動系統對風機進行保護，其要求第一制動系統推薦為氣動剎車，如果氣動剎車無法作為第一制動系統時，第一制動系統需要采用制動裝置作用在風輪軸上或風機的風輪上。對于風機第二制動系統需提供何種制動方式沒有明確要求。

目前風電行業兆瓦級以上機組都采用了變速變槳距控制方式來控制風機功率輸出。變槳距控制方式很容易讓機組的制動系統滿足設計規范中對第一制動系統的要求；而第二制動系統采用何種制動保護裝置沒有明確要求，各個風機廠家根據自身技術和結合機組自身的特點對第二制動系統有不同的設計方式。直驅技術和雙饋技術這2種技術路線機組所對應的制動系統對比如表1所示。

從表1可以看出，直驅機組只有通過氣動制動方式（獨立控制）來讓機組轉速降低到安全轉速內，而雙饋機組除了氣動制動方式（不一定獨立控制）外，還在觸發某些特定故障時，剎車閘直接作用在高速軸剎車盤上讓風機轉速降低到安全轉速內。

高速剎車閘作為機組安全停機裝置的重要組成部分，從設計理論方面來看，該部件的投運頻率會非常低，只有在機組出現重大安全故障時才投入使用，使機組在最短時間內停止轉動，防止機組出現更嚴重后果。而在雙饋風機實際運行過程中，發現該部件投運頻率非常高，經過長期研究分析，高速剎車閘頻繁動作是引起機組安全故障事件頻發的主要原因，包括國內風場地形復雜引起的超速、風機異常震動，國產風機零部件的穩定性、操作人員因素等方面。

從現有控制方式分析，雙饋機組的高速剎車閘頻繁運行會造成一系列連鎖問題，主要問題為：

（1）剎車閘片磨損過快，造成維護成本增加；

（2）齒輪箱瞬間從高速狀態變成堵轉狀態，使齒輪箱承受過度沖擊，造成疲勞衰減厲害；

（3）風機機械部件頻繁承受劇烈振動，引起機械疲勞損傷。

如何防止以上問題出現，降低機組維護成本是風機整機廠家后續面臨的嚴峻問題。

2　制動系統對比

從目前制動系統方式來看，雙饋機組的制動系統看似更加有利于機組快速停機。對比使用功能，這2種方式能讓機組完全停止下來的概率幾乎一致，唯一區別只是機組轉速降低到安全轉速下的時間稍微不一樣而已。但從存在的安全隱患和維護成本角度來說，雙饋機組劣勢較大，詳細對比見表2。

表2　制動系統對比

2.1安全性對比分析

從防止飛車的概率來看，直驅機組目前的制動系統和雙饋機組的制動系統概率基本一樣。但是使用高速剎車閘作為制動保護裝置的雙饋機組存在其他的安全風險遠大于直驅機組。

極端情況下（風速過大），如果風機出現3個葉片都在零度附近。無論采用氣動制動還是氣動+剎車閘方式制動，都無法防止風機飛車的風險。即使剎車閘抱住高速剎車盤，也無法頂住葉輪受風速影響的作用力，最后磨完剎車閘片后再飛車，也有可能在沒有飛車前因為閘片磨損引起的火災燒毀機組。

對于采用氣動+剎車閘方式制動的機組，在IEC標準中對制動器保護要求如下：“如果制動器能在最小制動水平滑動至靜止狀態，則當制動器要維持風機在一個固定狀態，制動器在湍流風時的滑動時間必須足夠短，以避免過熱、制動器性能損傷和火災風險。”目前雙饋機組一旦出現觸發需要剎車閘制動的故障時，剎車閘將立即制動于剎車盤上，正常情況時，可以將葉輪抱死；但當出現葉片沒回到暴風位置的情況時，葉輪在風的作用力下，葉輪轉動力一旦出現大于制動力時，將出現剎車閘和剎車盤滑動摩擦，如果沒有及時維護該故障，該摩擦狀態會一直持續，直至剎車閘磨損完畢，磨損過程中會出現局部高溫，并存在可能引起火災的隱患。

2.2經濟性對比分析

雙饋機組第二制動系統的維護成本將是直驅機組第二制動系統的6～12倍，直驅機組10年約需1組閘片，雙饋機組10年約需6～12組閘片。（不包括人工成本和停機時間造成的損失）。

目前直驅機組采用的第二制動系統，除需要維護機組時使用外，一直都不參與機組制動保護；該裝置的閘片損耗極少，如果機組穩定性高的話，一般10年左右才可能更換一次閘片。

雙饋機組采用的第二制動系統除了需要維護機組外，還具有在特定故障下將風機快速停止的功能。高速剎車閘在機組接到剎車閘動作指令時，剎車閘就立即投入運行將剎車盤抱死。如果機組頻繁出現使用剎車閘停機的故障，閘片磨損會非常嚴重。從目前某采用雙饋技術整機廠家投運的機組磨損情況來看，1臺機組的剎車片使用壽命一般在2年左右。

目前1臺機組年硬件成本為0.2萬元/臺，人工成本為0.03萬元/臺，合計成本為0.23萬元/臺（硬件成本+人工成本），改造1臺機組人工成本為0.06萬元/臺。若對機組進行改造，3年質保期內1臺機組每年可節約成本為0.21萬元/臺=（0.23萬元/臺× 3-0.06萬元/臺）/3。以1.5 MW機組，5萬裝機容量裝配33臺機組計算，年均節約成本6.93萬元= 0.21萬元/臺×33臺。

以上計算不含制動系統其他配套硬件損壞的成本，比如液壓電池閥、制動閘片底座等。

2.3對其余部件的影響

根據現有雙饋機組控制策略，若出現最高級別安全鏈故障時，不管機組轉速多大，都會立即投入高速剎車閘對機組進行制動。如果機組處于額定轉速附近時，葉輪的作用力矩和高速剎車閘的制動力矩進行相互疊加，此時齒輪箱內部承受近似于2倍的正常負載力矩，并且該沖擊力瞬間加載在嚙合齒上，多次沖擊加重了嚙合齒的疲勞損傷。如果采用1個機械剎車或者沒有軸對稱布置，還會產生較大橫向力作用在嚙合齒和軸承上。一旦機組頻繁出現最高級別安全故障，該風機的齒輪箱壽命會比其他機組壽命短，也會短于齒輪箱的設計壽命。

其余機組部件在高速閘瞬間制動力矩作用下也會出現一定沖擊力，造成機組機械零部件疲勞損壞。

3　改進建議

（1）針對已經實現3只葉片獨立變槳的雙饋機組，建議取消現有高速剎車閘作為停機的制動功能，只在機組維護時使用該剎車閘進行機組維護停機（從最經濟和安全的角度考慮）。

（2）針對未實現3只葉片獨立變槳的雙饋機組，建議修改剎車閘動作模式，在最高級別安全故障出現后，一定時間內3個葉片角度未回收到一定位置時，不管此時轉速多少，高速剎車閘立即投入，該控制方式也符合安全認證要求（第一制動系統失效后，第二制動系統投入，沒有要求最高級別安全故障時必須同時2套制動系統投入使用）。該方式可以降低高速剎車動作在額定轉速時對機組齒輪箱的沖擊，也能降低閘片的磨損程度，增加閘片的使用壽命。

（3）為防止發生火災，建議機組葉輪轉速降低到安全轉速后，剎車閘自動處于松開狀態。在維護檢修模式時，手動控制剎車閘制動或松開狀態。

4　結語

對于目前雙饋機組數量龐大，維護成本逐漸增加的趨勢，本文提出的高速剎車閘改進方案在實際風場驗證后，對降低機組維護成本有很好的經濟效益并增大了機組市場競爭力。

參考文獻

［1］左然，施明恒，王希麟.可再生能源概論:第一版［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］葉杭治.風力發電機組控制技術［M］.北京:機械工業出版社，2002.

Effect of Improvement of High Speed Brake on Reducing Unit Maintenance Cost for Doubly-fed Wind Turbine

Peng Dingjie
（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:In this paper，the function of the high speed brake in the controlling of the doubly-fed wind turbine is discussed.Combined with the direct-driven wind turbine，the existing brake mode is improved to reduce the unit maintenance cost.

Key words:high speed brake，braking，economy

中圖分類號：TK262

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）02-0064-04

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.015

作者簡介：彭定杰（1981-），男，助理工程師，現主要從事風力發電機組技術服務、工程技術工作。