XE82 直驅型風機在高風速下偏航系統可靠性分析

（福建省福能新能源有限責任公司 福建莆田 351146）

近些年，國內風電行業發展迅速。截止2019 年底，全國風電累計裝機2.1 億kW，風電裝機占全部發電裝機的10.4%。伴隨著風電行業快速發展的是風電安全事故的不斷發生，尤以風機飛車、倒塔事故經常出現［1］。風機包含偏航系統、變槳系統、變流系統及發電系統等部分，零部件眾多。風機維護人員除了做好日常巡檢、消缺和定檢外，更應監視風機在運行中的狀態、參數、反饋信號等數據是否正常，尤其是風機的主要系統。要時刻收集分析其動態數據，以便判斷是否處在健康狀態［1-3］。風機偏航系統的主要作用是對風、解纜、定位，其可靠性和穩定性除了會影響風能的利用率外，更是對機組的安全性有重要影響。現對某風電場XE82 直驅型風機在高風速天氣下偏航系統的運行數據進行分析，以判斷其可靠性。

1 XE82 直驅型風機介紹

1.1 總體簡介

XE82 風力發電機組為水平軸、三葉片、上風向、可變速、變槳距調節、直接驅動、永磁同步發電機發電并網的設計方式，葉輪直徑82.64 m，輪轂高度80 m，額定容量2 MW，切入風速3.5 m/s，額定風速12 m/s，切出風速25 m/s（10 min 均值）。

1.2 偏航系統介紹

（1）偏航系統組成。偏航系統由5 個偏航電機及減速箱、偏航軸承、16 個偏航制動器、液壓裝置、扭纜保護系統和潤滑系統等組成。液壓裝置的工作壓力有3 種工況：1.8 MPa、2.5 MPa、18.0 MPa，偏航剎車時提供18.0 MPa 的壓力，實現偏航制動器及主軸承制動器制動；機艙偏航時提供1.8 MPa 的阻尼力，保障風機安全；當電網失電時，提供2.5 MPa 阻尼壓力，保障機艙在停機狀態下有一定阻尼力。

（2）偏航系統的作用。正常運行時，主動偏航對風，根據安裝在機艙頂部的風向標提供風的方向信號，調整機艙方向，確保風輪始終在迎風方向獲取更多的風能；當風機觸發暴風停機模式，主動偏航至下風向，偏航保持剎車狀態。

解纜，當機艙至塔筒的引出電纜達到設定的扭纜角度后，風機自動解纜。

定位，當機艙完成對風動作后，提供剎車壓力，保證機組安全定位運行。

（3）自動偏航條件。風機處于自動偏航狀態，且滿足風速≥3 m/s（5 s 內）或≥2 m/s（60 s 內），偏航角度在-15°到+15°之外；停止自動偏航條件：偏航角度在-5°到+5°內；禁止自動偏航條件：偏航電機保護、扭纜保護、風向標及制動壓力低等故障觸發。

2 偏航系統在高風速下的運行狀態

2.1 風機偏航對風分析

（1）風機停機偏航對風分析。見表1，該風機故障停機中，3個槳葉收到順槳位置，氣象站檢測到的10 min 平均風速＞17 m/s，當風機偏離主風向超過±15°時，風機自動偏航對風，8∶21∶28，風機偏航到預定位置，同時偏航制動高壓力啟動，8∶21∶35，偏航制動高壓力達到設定值，液壓泵停止工作。觀察表1 中的“5 秒偏航對風平均值”可看出，偏航制動的過程中，由于風速大，機艙受外力作用繼續偏移距預定位置-16.8°，這已觸發風機自動偏航條件，將使風機再次啟動偏航對風。

（2）風機運行時偏航對風分析。見表2，該風機處于發電狀態，氣象站檢測到的10min 平均風速＞18 m/s，當風機偏離主風向超過±15°時，風機自動偏航對風，7∶01∶22，風機偏航到預定位置，同時偏航制動高壓力啟動；7∶01∶30，偏航制動高壓力達到設定值，液壓泵停止工作。從表2 中的“5 秒偏航對風平均值”可看出，此時因在偏航制動的過程中，由于風速大，機艙受外力作用繼續偏移距預定位置32.2°，已觸發風機自動偏航條件，風機再次偏航對風。

（3）小結。通過風機運行數據分析及結合現場觀察發現，XE82 直驅型風機在高風速的運行工況下，不論是在停機時偏航對風，還是在運行時偏航對風完成后，機艙方向與主風向都會存在較大偏差。當偏差角度超過-15°到+15°之外時，風機將繼續偏航對風，導致風機處于頻繁偏航狀態，影響風能利用效率，減少偏航驅動裝置和制動器的使用壽命及導致偏航電機過載，偏航電機保護開關動作，使風機自動偏航失效。偏航對風與預定位置存在較大偏差，除了受風速影響外，更主要的是偏航制動速度較慢，在機艙偏航到預定范圍時，偏航制動無法立即提供足夠的制動力，確保準確對位。

表1 風機停機時的自動偏航狀態

表2 風機發電時的自動偏航狀態

（4）改進措施。做好液壓系統定期維護，確保蓄能器壓力充足、油箱內有足夠的液壓油、系統內無空氣及內外泄漏；對液壓系統進行技改，更換電機轉速更高、泵流量更大的液壓站；增加偏航制動器的注油管路。目前偏航制動器由兩路同時注油，一路由5 個制動器串聯構成，另一路由11 個制動器串聯構成，可再增加一路注油管。改造后為兩路分別帶5 個制動器、一路帶6 個制動器，如此可縮短制動器注油時間，提高偏航制動速度，減少機艙對風偏差現象。

2.2 風機運行時自動偏航失效分析

（1）自動偏航失效分析。見表3，該風機處于發電狀態，氣象站檢測到的10 min 平均風速＞20 m/s。6∶23∶20，機艙偏離主風向-45.6°，偏航制動壓力釋放，風機開始偏航對風；6∶24∶13，偏航電機過載致電源空開跳閘，HMI 報“偏航電機保護開關故障”，槳葉收到順槳位置，機艙偏未偏航到預定位置，離主風向-47.6°，風機進入禁止自動偏航狀態，同時恢復偏航高壓制動狀態并保持至故障清除為止。

表3 風機運行時自動偏航失效

對風機的運行數據分析可發現，XE82 直驅型風機在自動偏航失效的情況下，機組將禁止主動偏航，并維持偏航高壓制動狀態。當機艙位置偏移主風向時，機艙會受到側向力的作用，使其被動往下方向移動，當風速越大，機艙受到的作用力越大。此時機艙維持在高壓制動狀態且偏航電機剎車處于制動狀態，可能導致偏航電機軸和偏航制動器損壞、剎車片和偏航軸承上端面嚴重磨損等情況。

（2）應對及改進措施。出現自動偏航失效的情況，在風速不大時立即登機處理故障點，恢復風機自動偏航；在高風速或臺風天氣，無法登機處理時只有選擇人為干預，將風機置于維護狀態，手動將偏航高壓狀態切換到低壓狀態，使機艙帶壓隨風被動轉向下風向。但人為干預及時性差，可能存在疏漏，尤其是自動偏航失效的情況往往發生在高風速或臺風天氣，維護人員到戶外作業，存在一定的安全隱患。

改進措施：升級主控程序，當風機10 min 平均風速大于設定閥值，發生自動偏航失效的情況，風機自動切換到低壓制動狀態。

3 結論

高風速天氣下，XE82 直驅型風機偏航系統在工作中會出現兩方面的問題，本文提出的相應改進措施，有一定的局限性，但切合現場實際條件、可行性高，可進一步提高風機偏航系統的可靠性。風機設計使用壽命是20 年，隨著運行年限的增加，產生缺陷和故障的部件日益增多，同時各系統在運行中也會不時出現異常現象，這就需要風機維護人員要善于觀察、善于分析，找出問題，解決問題，保證風機安全健康運行。