降低4.0MW風機偏航失敗等待告警停機率

張寧 袁振 成金鵬 周建磊 丁博

摘? 要： 隨著海上風電的快速發展，風力發電機組為風電場最重要的發電設備之一，西門子SWT4.0-130型機組頻繁報偏航失敗等待故障并導致停機直接影響了發電量及風機可利用率，而且海上風電面臨運維難度大，設備易損耗，環境多變，海況復雜等現實問題，使得維護成本大大增加，降低4.0MW風機偏航失敗等待告警停機率成為急需解決的關鍵難題，研究風機偏航系統運行原理，改良偏航機械零部件，更新偏航邏輯運算程序算法，優化后臺運行系統，提高風機可利用率保障風機健康運行。

關鍵詞： 停機率;偏航邏輯;偏航失敗;

1? 課題背景：

偏航系統故障是風力發電機常見的故障之一，特別是風向變化頻率較高的天氣，風機極易報“偏航失敗等待”停機故障。等待風機自動復位，平均至少需要5至15分鐘時間，更長的甚至能達到45分鐘（風向持續變化不定）。而且告警風機自動復位啟機后，在風向變化需要偏航時，往往會連續多次報偏航失敗等待而導致風機停機故障，該過程累計損失了大量的風機正常運行時間，而值班人員通過SCADA系統后臺手動復位極易導致風機產生更高層次的故障“偏航停止”而無法復位，導致機組徹底停運。

該系統由主控發出命令，液壓剎車打開后，繼電器驅使接觸器吸合，偏航電機啟動，電機轉速通過同軸聯接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉體大齒圈上，帶動機艙偏航對風，當對風完成后，偏航電機停止動作，液壓制動器抱死剎車盤，偏航完成。此方式在4.0MW機組運行期間，普遍存在偏航等待故障，風速在8m/s以上時故障頻率偏高現象，而高風速又是風力發電的優勢資源，因此研究偏航故障問題，對大風天氣風機運行效率有重要意義。

2 要因確認

通過右圖選取的偏航速度給定、偏航備壓、偏航負載、風速，可看出偏航時備壓的壓力為4Bar，偏航負載在大風的情況下會超過90%，引發偏航變頻器過載。偏航給出的是逆時針偏航信號，但機艙的角度卻順時針變大，再加上“偏航失敗等待”故障大多發生在大風天。分析原因為：在給出偏航指令后，卡鉗不會完全松開，仍有5Bar左右的備壓，防止機艙被封吹動，但5Bar的備壓較小，機艙在大風天氣仍然會被風吹動，滿足故障判斷條件。剎車盤存在油污，減少了剎車時摩擦力，使剎車系統在偏航變頻器啟動時沒有足夠的壓力維持機艙角度，滿足故障判斷條件。按照以上方法分析了剩余11臺風機，剎車盤普遍存在油污，減少了剎車時的摩擦力，使剎車系統在偏航變頻器啟動時沒有足夠的壓力維持機艙角度，且5Bar的備壓較小，機艙在大風天氣仍然會被風吹動，判斷該因素為要因。3 方案實施

3.1 更換偏航備壓裝置

更換風機偏航備壓閥，拍照記錄更換過程和更換數量，以下是作業過程：

3.1.1取下 354 空濾;3.1.2如下圖松開油管固定螺絲（10mm 內六花套裝）;松開油管接頭螺母（24mm 叉扳）;3.1.3旋轉油管，使油管不再擋住 335 閥;松開入油口處的螺母（19mm 叉扳）;3.1.4旋轉直角轉接頭，使轉接頭不影響335閥;用27mm套筒接力矩扳手套在335閥上，旋出備壓閥。（力矩扳手+27mm套筒）;3.1.5換上9bar的備壓閥，按步驟還原油管、空濾，關上泄壓閥336，合上偏航液壓站開關200F-3，用操作手柄測試風力發電機在偏航過程中液壓站連接處是否漏油，如有漏油，則斷電、泄壓、重新安裝。如沒有漏油點，則收拾工具，清理油污，完成工作，如右邊圖。

3.2 優化偏航變頻器程序

為了使卡爾曼濾波算法能夠在實際測量中發揮最優效果，需要對初始值以及控制參數進行設置，對于研究對象的初始值，系統誤差協方差的初始值、系統過程的噪聲方差以及系統測量噪聲方差，需要根據實際歷史數據進行設定。上圖是濾波后的風向曲線圖，相比于濾波前更為平緩，更符合實際情況。

為保證提升風電機組的偏航控制精度，確保爬山算法的正確運行，在控制參數時就需要進行合理的設置，Ps1為最大功率誤差范圍，即判定發電機功率波動或功率偏差大小，判斷是否需要啟動偏航動作。Ps2為偏航誤差精度，即判定風電機組偏航動作后發電機輸出功率是否處于理想境界最佳功率區間，風電機組偏航控制條件如下圖所示。

首先通過超聲波傳感器對風機外界信息進行測量采集，然后將采集的數據通過信息傳輸通道，發送至控制器芯片，利用卡爾曼濾波算法進行數據分析，將“預測”結果保存，在偏航動作時進行讀取調用， 其次通過控制器芯片對發電機輸出功率進行讀取檢驗，當風速、風向發生改變時，根據去噪功能確定偏航動作狀態。如若在短時間內風速不變，風向產生頻繁變化后依然回到原始風向，則可以利用卡爾曼濾波算法過濾信號，忽略短時間內的風速、風向變化，避免風機疲勞動作，使風機保持同一方向。再根據爬山算法進行功率檢測，逐步逼近最優極值，保持最大發電功率。采用爬山算法進行功率精度校驗，利用卡爾曼濾波算法進行風向過濾，可以保證在經歷短時間、小范圍的波動后，風機依然可以處于最佳偏航位置，保證在減少偏航疲勞動作的同時，又能使風電機組捕獲最大風能，使風機時刻處于計算后的最佳迎風位置，這樣能夠顯著的提升風機的可利用率以及經濟效益。

4 結語

本文主要從課題背景、要因確認、方案實施三方面分析，對偏航系統進行升級優化改造，對比技改前，偏航等待累計停機時間降低94.43%，損失電量降低93.93%，同時降低設備老化，提高可靠性，進而提升風電機組整體安全性能。目前國家正大力發展海上風電，東臺海上風電青年創新團隊改良的優化方案，降低4.0MW風機偏航失敗停機率效果明顯且運行穩定。截至目前，單臺風機年創造經濟效益140多萬元。項目還形成了企業實用標準和作業指導書，并已在國網魯能集團進行推廣使用，我們相信，改造優化方案在今后海上風電行業中有較好的發展前景。

參考文獻

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