風電機組滑動偏航系統故障診斷技術研究

文 | 李彬

風電機組偏航系統按照旋轉方式可分為兩類：一類是滾動偏航系統，機艙通過軸承與塔筒連接，偏航時通過驅動系統帶動軸承旋轉，由剎車系統配合保持系統穩定；另一類是滑動偏航系統，該類系統沒有軸承，機艙通過三個方向的摩擦片與固定在塔筒上的偏航摩擦盤相連。滑動偏航系統是阻尼式偏航系統，為使機組在偏航過程中保持穩定，不發生振動情況，系統必須有一定的摩擦阻尼。不同于滾動偏航系統，滑動偏航系統偏航時驅動力矩必須克服摩擦阻尼。偏航停止時，機艙依靠偏航摩擦片的摩擦阻力和偏航電機尾部的電磁剎車裝置保持對風狀態，電磁剎車裝置電源與電機電樞電源為同一路電源，通過整流橋整流后給電磁剎車供電。

滑動偏航系統在早期風電機組（如歌美颯、蘇司蘭、維斯塔斯風電機組等）中得到了大量應用。在實際應用中，風電場運維人員發現，在冬季低溫的情況下，偏航電機、電磁剎車及偏航減速器內部齒輪副大量損壞，故障率為夏季的數倍之高，嚴重時會使齒輪嚙合出現偏差，損壞偏航齒圈。這一方面給風電場增加了大量檢修工作量和維護成本，另一方面造成發電量和經濟效益的損失。

滑動時電氣檢測量的缺失，使得偏航系統的工作狀態和損壞機理分析缺乏數據支撐，因而難于制定切實的技術運維方案或者改造方案。鑒于此，本文研制了一種偏航故障診斷系統，通過對偏航工作的環境、電機參數的檢測，定量分析偏航損壞的機理，為科學維護和技改提供數據支撐和評價依據。

系統結構及功能

考慮到影響偏航電機發熱損壞的主要因素為電機功率和溫度，因此，本文所述系統針對風電機組偏航電機電壓、電流、溫度信號進行采集及處理，并通過以太網將數據傳輸到服務器端進行存儲、篩選和分析。

如圖1所示，偏航監控系統MCU單元作為核心控制單元，采用高速數字DSP作為CPU，執行數據的采集、存儲及通信功能。該單元自帶高性能模擬量采集系統，可采集偏航電機定子電壓及定子電流，通過電壓與電流計算定子側有功功率及功率因數，并可估算電動機效率；配備溫度采集接口，可采集環境溫度及電動機溫度；配備大容量SD卡，可在離線情況下存儲采集到的數據信息；配備以太網網關，通過風電機組主控系統路由器實現遠程數據的下載；配備輸出IO，可作為在偏航力矩嚴重超載或者過溫情況下的急停按鈕使用。輸出IO連接在系統故障反饋回路上，實現故障時停機，避免發生設備損壞。系統傳感器采用外配的方式，連接在機艙相關電氣回路上，傳感器所需電源由MCU單元提供。

MCU單元采集的數據經分析軟件處理，可用于對偏航執行機構的動作情況進行判斷，形成各種直觀的報表。

偏航分析系統軟件包括底層數據采集軟件和上位機服務器端數據分析軟件。數據采集軟件主要完成偏航系統電氣量的采集、數據調理和計算，其流程如圖2所示。上位機程序由通信服務軟件和數據分析軟件組成，如圖3所示。通信服務軟件基于dotnet core開發，通過以太網通信獲取數據，數據經處理后存入數據庫。數據分析軟件基于MATLAB開發，從數據庫中獲取數據，通過進行反復的現場試驗，形成優化的維護管理方案。

系統應用案例

將本文設計的偏航異常診斷分析系統應用在某2.1MW風電機組上，該機組偏航系統由3臺3kW鼠籠式異步電機，經過五級行星減速器驅動。電機銘牌如圖4所示。

該系統每30毫秒采集一次數據，并上傳至服務器中。根據采集到的數據，本系統重點分析了偏航電機啟動、停止時的功率沖擊情況，電機功率平衡性，不同溫度條件下偏航電機的功率和偏航電機的功率、時間關系。

一、偏航電機啟停時的功率沖擊

由圖5可知，偏航電機在啟動瞬間，總功率峰值約為47kW，沖擊時長約為0.5s；進入穩態后，總功率約為6～9kW，直至停止偏航，穩態功率在電機額定功率范圍內。

從偏航電機驅動回路（圖6）來看，早期機組偏航系統的控制電路比較簡單，沒有軟啟動器或變頻器，均為電網電壓通過接觸器直接加在偏航電機定子繞組上，同時又要克服較大的偏航阻尼，因此，啟動時沖擊電流較大。另外，偏航電機尾部電磁剎車與電機共用一路電源，通過整流后到達電磁剎車線圈，電磁剎車克服彈簧阻力將剎車打開—剎車打開存在一定的時間延遲，也會給電機啟動帶來額外負載，造成沖擊電流增大。

雖然異步電機啟動沖擊在7倍左右是正常現象，但風電機組每年偏航達4萬次，遠高于通常應用場合，因此，電機承受高頻次的啟動沖擊是電機加速損壞的原因之一。

二、3臺電機的功率分布

從3臺電機的功率數據（圖7）來看，穩態情況下功率均分性較好，3臺電機的功率偏差較小。啟動暫態時，瞬時功率達到額定功率的6倍左右，再次印證了啟動功率沖擊電機的事實。據推測，其中一臺電機功率偏小的原因與控制電機的接觸器動作時間存在偏差有關，屬于正常情況。

三、偏航電機功率隨溫度的變化

“功率-溫度曲線”以散點形式展示了不同溫度下電機的瞬時功率和穩態功率分布。如圖8所示，溫度在-4℃附近時，電機的總功率主要集中在7～15kW，啟動時功率沖擊最大可達54kW；穩態功率過載達167%，遠高于設計值。經數據分析，電機過載運行時長占比達到37%以上。在0℃附近時，電機的總功率主要集中在6～10kW，穩態功率約為7kW，約占電機額定功率的78%，啟動時功率最大沖擊約為49kW。在5℃以上時，電機的總功率主要集中在5～9kW，穩態功率約為6kW，約占電機額定功率的67%，啟動時功率最大沖擊約為50kW。

由此可知，雖然電機啟動時的瞬態功率沖擊與溫度值關系不大，但頻繁的啟動沖擊對電機溫升及壽命是有影響的，且溫度變化對電機運行的穩態功率影響很大。在冬天低溫情況下，由于潤滑相對較差，有可能存在摩擦力矩增加的情況，導致偏航電機驅動力矩增加，引起電動機過載。穩態時的過載運行及頻繁的大電流沖擊啟動，致使偏航電機加速損壞，這與現場的實際工況相吻合。

四、偏航功率隨時長的變化

從圖9可以看出，偏航功率為5～8kW ，穩態功率約為6.5kW，處于正常運行范圍，因此，偏航時間對偏航功率的影響可以忽略不計。

根據以上特征量對偏航功率的影響，在低溫情況下，電機功率過載嚴重以及啟動暫態過載倍率過高等情況是導致偏航系統損壞的主要原因。

結論

在風電場實際運行工作中，往往由于數據的缺乏，導致偏航系統故障機理的分析及原因定位不夠清晰，使得雖然現場運維人員做了大量的維護工作，但效果并不明顯。本文所述滑動偏航診斷分析系統通過對偏航系統電氣量的采集，能夠準確檢測偏航系統工作時的力矩變化規律，通過數據分析結論確定偏航問題發生異常的原因，進而可為風電場制定技術改造方案和運維措施提供決策依據，并可作為偏航系統改進的評價工具，降低技術改造風險，提高現場運維效率。本文的數據分析方法也可應用在如葉片、發電機等其他部件上，具有一定的通用性。