直驅式風機偏航控制系統優化

王庭博

(福建平潭大唐海上風電有限責任公司，福建 福州 350400)

0 前言

某風場裝有14 臺湘電風能的XE82-2000 型風機，額定功率2 000 kW，額定風速12 m/s，切入風速3 m/s，切出風速25 m/s。風機偏航采用5臺交流電機驅動，機艙制動采用偏航電機自帶的剎車制動和液壓站提供的液壓制動，采用成都雷奧的LE2152 型風速儀和LE2162 型風向標。受選址影響，某臺風機風向不穩定，頻繁偏航，液壓系統密封圈頻繁損壞造成液壓油泄漏或偏航電機損壞等，因此需對偏航系統進行優化。

1 偏航系統

1.1 基本原理

XE82-2000 風機采用主動對風齒輪驅動形式，與控制系統相配合，使風輪始終處于迎風狀態，以充分利用風能，提高發電效率。偏航系統由偏航電機、偏航減速器、偏航軸承及偏航制動器組成。偏航電機、偏航減速器構成偏航驅動，同時驅動機艙、風輪、發電機，使之迎面向風。偏航剎車采用液壓控制摩擦片剎車，提供必要的鎖緊力矩，以保障機組安全運行。

優化后的偏航控制系統，可對偏航的路徑選擇進行智能判斷，確保機組在風速較小的狀態下，可自行解纜，從而避免了高風速段偏航解纜造成的發電量損失。

1.2 機械結構

(1) 偏航驅動。在偏航驅動部件中，偏航電機為電磁制動三相異步電動機；偏航減速器采用四級行星減速機構，具有壽命長、功率大、體積小的特點。

(2) 偏航軸承。采用四點接觸球軸承，以增加整機的運轉平穩性，增強抗沖擊載荷能力。風機機艙通過偏航軸承采用內齒圈結構，可以在360°范圍內轉動，跟蹤風向。

(3) 偏航制動器。XE82-2000 風機采用16 臺制動器，安裝在機艙內部。偏航剎車時，液壓系統提供18 MPa 壓力使剎車片緊壓在偏航軸承內圈上提供制動力；偏航時保持1.8 MPa 余壓，產生一定的阻尼力矩，使偏航運動更加平穩，減小機組振動。

1.3 控制邏輯

由可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)采集風向標數據并對風向標數據進行25 s 的分析，若風向標數據值與機艙的角度偏差超過15°，風機就會啟動偏航系統，直至5 s 風向標數據與機艙方位角度差小于2°時停止偏航。

當啟動偏航時，首選釋放液壓系統的剎車壓力，當壓力小于5 MPa 時，發送偏航命令。按照設計，偏航電機剎車和動力電源命令由2 個數字輸出控制，分別發出左、右偏航命令，電機啟動繼電器和松閘繼電器同時接受命令，而電機剎車松閘動作更快，故對電機啟動載荷基本無影響。

2 偏航系統運行情況分析

2.1 偏航運行情況統計

自投運至2020-06-30，該風電場風機運行天數、總偏航次數、日平均偏航次數及偏航剎車片與制動缸更換情況可參考表1。

表1 偏航運行情況統計

從表1 可知，該風場風機日偏航次數保持兩位數，偏航前3 位的分別是W6，W7 和W4，其中W6 風機日偏航最多達到102 次，W7, W4 風機分別達到76 次、74 次，W9 風機日偏航最少，為33次；剎車片更換量前3 位的是W6，W7 和W1 風機，其中更換最多的是W6 風機，達到39 塊，W7，W1 風機分別更換了20 塊、19 塊；制動缸更換量前3 位的是W6，W7 和W14，分別更換了26 個、14 個和11 個。

結合風場歷史運營記錄來看，W1，W5，W6和W7 風機風速及風向變化較大。

2.2 風機運行工況分析

以W6 風機為例，以W13 風機為參照，分析W6 風機的運行工況。

(1) 風速與風向對比。W6 與W13 風機近2 個月風速與風向情況如圖1 所示，可知W6 風機在風速比W13 風機小的情況下，風速變化率更高。

圖1 W6 與W13 風機風速對比

風向對比。W6 與W13 風機風向情況如圖2所示，風機風向基本一致，但W6 風機變化更頻繁。

圖2 W6 與W13 風機風向對比

偏航次數與風向風速的關系。以近2 個月每6 h 一組數據為例分析W6 號風機的偏航次數與風向、風速的關系，分別如圖3, 4 所示。

圖3 W6 風機偏航次數與風向關系

從圖3 和4 可知，W6 風機偏航次數與風速成正比關系，在風速波動大時偏航次數相應增加；在風向頻繁變動時段，偏航次數顯著增加；北風時段偏航次數增加，南風時段偏航次數較少。

圖4 W6 風機偏航次數與風速關系

3 偏航優化建議

結合其他風場湘電風機偏航優化策略，建議對本風場W1，W5，W6 和W7 風機偏航系統進行以下優化。

(1) 增加偏航阻尼壓力監測，將風機偏航阻尼壓力設置在一定范圍值內，使得風機帶一定阻尼壓力偏航，防止偏航速度過快造成機械性竄動。

(2) 當風機報T224 偏航保護空開跳閘故障時，應保證偏航電機電磁制動器處于不制動狀態。

(3) 對偏航電機電磁制動和偏航液壓剎車制動進行延時抱閘設定，避免風機在未停止偏航情況下就進行制動。

(4) 針對現有偏航啟動策略為25 s 風向標數據與機艙方位偏差大于15°時進行對風偏航，5 s 風向標數據與機艙方位差小于2°時停止偏航的情況，可采取統一偏航啟動與偏航停止的風向濾波常數并提高至30 s 等策略，盡可能減少偏航次數，但這類策略對風機發電量有一定影響。