XE82 直驅(qū)型風(fēng)機(jī)在高風(fēng)速下偏航系統(tǒng)可靠性分析

（福建省福能新能源有限責(zé)任公司 福建莆田 351146）

近些年，國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速。截止2019 年底，全國風(fēng)電累計裝機(jī)2.1 億kW，風(fēng)電裝機(jī)占全部發(fā)電裝機(jī)的10.4%。伴隨著風(fēng)電行業(yè)快速發(fā)展的是風(fēng)電安全事故的不斷發(fā)生，尤以風(fēng)機(jī)飛車、倒塔事故經(jīng)常出現(xiàn)［1］。風(fēng)機(jī)包含偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、變流系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)等部分，零部件眾多。風(fēng)機(jī)維護(hù)人員除了做好日常巡檢、消缺和定檢外，更應(yīng)監(jiān)視風(fēng)機(jī)在運行中的狀態(tài)、參數(shù)、反饋信號等數(shù)據(jù)是否正常，尤其是風(fēng)機(jī)的主要系統(tǒng)。要時刻收集分析其動態(tài)數(shù)據(jù)，以便判斷是否處在健康狀態(tài)［1-3］。風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)的主要作用是對風(fēng)、解纜、定位，其可靠性和穩(wěn)定性除了會影響風(fēng)能的利用率外，更是對機(jī)組的安全性有重要影響?，F(xiàn)對某風(fēng)電場XE82 直驅(qū)型風(fēng)機(jī)在高風(fēng)速天氣下偏航系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷其可靠性。

1 XE82 直驅(qū)型風(fēng)機(jī)介紹

1.1 總體簡介

XE82 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為水平軸、三葉片、上風(fēng)向、可變速、變槳距調(diào)節(jié)、直接驅(qū)動、永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電并網(wǎng)的設(shè)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(fēng)速3.5 m/s，額定風(fēng)速12 m/s，切出風(fēng)速25 m/s（10 min 均值）。

1.2 偏航系統(tǒng)介紹

（1）偏航系統(tǒng)組成。偏航系統(tǒng)由5 個偏航電機(jī)及減速箱、偏航軸承、16 個偏航制動器、液壓裝置、扭纜保護(hù)系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)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(xiàn)偏航制動器及主軸承制動器制動；機(jī)艙偏航時提供1.8 MPa 的阻尼力，保障風(fēng)機(jī)安全；當(dāng)電網(wǎng)失電時，提供2.5 MPa 阻尼壓力，保障機(jī)艙在停機(jī)狀態(tài)下有一定阻尼力。

（2）偏航系統(tǒng)的作用。正常運行時，主動偏航對風(fēng)，根據(jù)安裝在機(jī)艙頂部的風(fēng)向標(biāo)提供風(fēng)的方向信號，調(diào)整機(jī)艙方向，確保風(fēng)輪始終在迎風(fēng)方向獲取更多的風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)機(jī)觸發(fā)暴風(fēng)停機(jī)模式，主動偏航至下風(fēng)向，偏航保持剎車狀態(tài)。

解纜，當(dāng)機(jī)艙至塔筒的引出電纜達(dá)到設(shè)定的扭纜角度后，風(fēng)機(jī)自動解纜。

定位，當(dāng)機(jī)艙完成對風(fēng)動作后，提供剎車壓力，保證機(jī)組安全定位運行。

（3）自動偏航條件。風(fēng)機(jī)處于自動偏航狀態(tài)，且滿足風(fēng)速≥3 m/s（5 s 內(nèi)）或≥2 m/s（60 s 內(nèi)），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(nèi)；禁止自動偏航條件：偏航電機(jī)保護(hù)、扭纜保護(hù)、風(fēng)向標(biāo)及制動壓力低等故障觸發(fā)。

2 偏航系統(tǒng)在高風(fēng)速下的運行狀態(tài)

2.1 風(fēng)機(jī)偏航對風(fēng)分析

（1）風(fēng)機(jī)停機(jī)偏航對風(fēng)分析。見表1，該風(fēng)機(jī)故障停機(jī)中，3個槳葉收到順槳位置，氣象站檢測到的10 min 平均風(fēng)速＞17 m/s，當(dāng)風(fēng)機(jī)偏離主風(fēng)向超過±15°時，風(fēng)機(jī)自動偏航對風(fēng)，8∶21∶28，風(fēng)機(jī)偏航到預(yù)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(dá)到設(shè)定值，液壓泵停止工作。觀察表1 中的“5 秒偏航對風(fēng)平均值”可看出，偏航制動的過程中，由于風(fēng)速大，機(jī)艙受外力作用繼續(xù)偏移距預(yù)定位置-16.8°，這已觸發(fā)風(fēng)機(jī)自動偏航條件，將使風(fēng)機(jī)再次啟動偏航對風(fēng)。

（2）風(fēng)機(jī)運行時偏航對風(fēng)分析。見表2，該風(fēng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，氣象站檢測到的10min 平均風(fēng)速＞18 m/s，當(dāng)風(fēng)機(jī)偏離主風(fēng)向超過±15°時，風(fēng)機(jī)自動偏航對風(fēng)，7∶01∶22，風(fēng)機(jī)偏航到預(yù)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(dá)到設(shè)定值，液壓泵停止工作。從表2 中的“5 秒偏航對風(fēng)平均值”可看出，此時因在偏航制動的過程中，由于風(fēng)速大，機(jī)艙受外力作用繼續(xù)偏移距預(yù)定位置32.2°，已觸發(fā)風(fēng)機(jī)自動偏航條件，風(fēng)機(jī)再次偏航對風(fēng)。

（3）小結(jié)。通過風(fēng)機(jī)運行數(shù)據(jù)分析及結(jié)合現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，XE82 直驅(qū)型風(fēng)機(jī)在高風(fēng)速的運行工況下，不論是在停機(jī)時偏航對風(fēng)，還是在運行時偏航對風(fēng)完成后，機(jī)艙方向與主風(fēng)向都會存在較大偏差。當(dāng)偏差角度超過-15°到+15°之外時，風(fēng)機(jī)將繼續(xù)偏航對風(fēng)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)處于頻繁偏航狀態(tài)，影響風(fēng)能利用效率，減少偏航驅(qū)動裝置和制動器的使用壽命及導(dǎo)致偏航電機(jī)過載，偏航電機(jī)保護(hù)開關(guān)動作，使風(fēng)機(jī)自動偏航失效。偏航對風(fēng)與預(yù)定位置存在較大偏差，除了受風(fēng)速影響外，更主要的是偏航制動速度較慢，在機(jī)艙偏航到預(yù)定范圍時，偏航制動無法立即提供足夠的制動力，確保準(zhǔn)確對位。

表1 風(fēng)機(jī)停機(jī)時的自動偏航狀態(tài)

表2 風(fēng)機(jī)發(fā)電時的自動偏航狀態(tài)

（4）改進(jìn)措施。做好液壓系統(tǒng)定期維護(hù)，確保蓄能器壓力充足、油箱內(nèi)有足夠的液壓油、系統(tǒng)內(nèi)無空氣及內(nèi)外泄漏；對液壓系統(tǒng)進(jìn)行技改，更換電機(jī)轉(zhuǎn)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(lián)構(gòu)成，另一路由11 個制動器串聯(lián)構(gòu)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(jī)艙對風(fēng)偏差現(xiàn)象。

2.2 風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，氣象站檢測到的10 min 平均風(fēng)速＞20 m/s。6∶23∶20，機(jī)艙偏離主風(fēng)向-45.6°，偏航制動壓力釋放，風(fēng)機(jī)開始偏航對風(fēng)；6∶24∶13，偏航電機(jī)過載致電源空開跳閘，HMI 報“偏航電機(jī)保護(hù)開關(guān)故障”，槳葉收到順槳位置，機(jī)艙偏未偏航到預(yù)定位置，離主風(fēng)向-47.6°，風(fēng)機(jī)進(jìn)入禁止自動偏航狀態(tài)，同時恢復(fù)偏航高壓制動狀態(tài)并保持至故障清除為止。

表3 風(fēng)機(jī)運行時自動偏航失效

對風(fēng)機(jī)的運行數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，XE82 直驅(qū)型風(fēng)機(jī)在自動偏航失效的情況下，機(jī)組將禁止主動偏航，并維持偏航高壓制動狀態(tài)。當(dāng)機(jī)艙位置偏移主風(fēng)向時，機(jī)艙會受到側(cè)向力的作用，使其被動往下方向移動，當(dāng)風(fēng)速越大，機(jī)艙受到的作用力越大。此時機(jī)艙維持在高壓制動狀態(tài)且偏航電機(jī)剎車處于制動狀態(tài)，可能導(dǎo)致偏航電機(jī)軸和偏航制動器損壞、剎車片和偏航軸承上端面嚴(yán)重磨損等情況。

（2）應(yīng)對及改進(jìn)措施。出現(xiàn)自動偏航失效的情況，在風(fēng)速不大時立即登機(jī)處理故障點，恢復(fù)風(fēng)機(jī)自動偏航；在高風(fēng)速或臺風(fēng)天氣，無法登機(jī)處理時只有選擇人為干預(yù)，將風(fēng)機(jī)置于維護(hù)狀態(tài)，手動將偏航高壓狀態(tài)切換到低壓狀態(tài)，使機(jī)艙帶壓隨風(fēng)被動轉(zhuǎn)向下風(fēng)向。但人為干預(yù)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(fā)生在高風(fēng)速或臺風(fēng)天氣，維護(hù)人員到戶外作業(yè)，存在一定的安全隱患。

改進(jìn)措施：升級主控程序，當(dāng)風(fēng)機(jī)10 min 平均風(fēng)速大于設(shè)定閥值，發(fā)生自動偏航失效的情況，風(fēng)機(jī)自動切換到低壓制動狀態(tài)。

3 結(jié)論

高風(fēng)速天氣下，XE82 直驅(qū)型風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)在工作中會出現(xiàn)兩方面的問題，本文提出的相應(yīng)改進(jìn)措施，有一定的局限性，但切合現(xiàn)場實際條件、可行性高，可進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)的可靠性。風(fēng)機(jī)設(shè)計使用壽命是20 年，隨著運行年限的增加，產(chǎn)生缺陷和故障的部件日益增多，同時各系統(tǒng)在運行中也會不時出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，這就需要風(fēng)機(jī)維護(hù)人員要善于觀察、善于分析，找出問題，解決問題，保證風(fēng)機(jī)安全健康運行。