風電機組葉片掃塔故障分析與對策研究

蔡高原

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司中南電力試驗研究院,河南 鄭州 450000）

1 概述

隨著能源、環境問題日益凸顯,風光等可再生能源得到大規模的應用。2021 年,全國新增并網風電裝機4757萬千瓦,累計并網裝機容量3.28 億千瓦,同比增長16.6%,2021 年風電發電量6526 億千瓦時,同比增長40.5%,我國風電發展仍處于快速發展階段。同時,2021年全國風電平均利用小時數2246 小時,同比增加149 小時。

伴隨著風電的裝機容量的不斷增加,我國風電的發展逐漸向成熟期轉變,風電開發從分散、粗獷式的跑馬圈地向精益、集約式的科學規劃轉變,風電運維從分散、被動運維向“無人值班、少人值守、區域檢修”的智慧運維轉變。

本文針對某風電場1 號風機運行中出現的葉片掃塔故障進行分析,橫線對比各風機的運行數據,縱向對比故障時刻與歷史運行數據,分析了風輪瞬時轉速、塔筒瞬時振動及風機湍流度情況,討論了湍流度對葉片運行的影響[1-3]。

2 故障情況

某風電場安裝2MW 風機20 臺,總裝機容量40MW,風輪配備某型號2.0-52.5 葉片三支。

2021 年12 月11 日,該風電場1 號風機分別于08 時47 分46 秒和12 時38 分49 秒兩次發出主軸超速動作。立即對1 號風機進行現場檢查

現場對故障風機進行實地勘查,1 號風機南偏西方向塔筒偏下部存在葉尖刮蹭痕跡,一支葉片尖部處斷裂,其余兩支葉片葉尖處有裂紋,對風機周圍進行檢查發現,與葉尖處等高度塔筒外表面有明顯劃痕,劃痕呈紅色（葉片紅色漆）,并立即上塔檢查輪轂內無異常,槳葉蓋板密封良好,機艙無異常現象。

3 故障數據分析

故障后,立刻對1 號風機08 時47 分46 秒和12 時38 分49 秒兩次故障時刻的運行數據進行了分析。

3.1 08 時47 分超速保護動作數據

08 時47 分46 秒超速保護動作,查閱超速保護動作前一時刻運行數據記錄,發現在超速保護動作前,機組槳距角、發電機轉速、風輪轉速、功率、塔筒振動值均正常。

根據故障時刻的運行數據繪制出在超速保護動作時刻主軸速度波形圖如圖1 所示。

圖1 故障時刻的風輪轉速瞬時值波形

根據機組運行數據繪制超速保護動作時刻塔筒振動波形如圖2 所示。

圖2 故障時刻塔筒振動瞬時數據波形

從圖1 以及圖2 可以看出,圖1 中風輪轉速于08:47:46.23-08:47:47.13 時刻之間突然開始寬幅急劇震蕩,08:47:46.53 時刻轉速幅值最大接近20rpm,風輪轉速振動幅值瞬時超出15rpm 后觸發軟件超速保護動作,08:47:46.23-08:47:47.13 間風輪平均轉速值小于15rpm,且震蕩持續時間小于1 秒,應屬瞬發性超速情況。對08:47:46.23-08:47:47.13 間風機葉片槳距角、瞬時風速及瞬時電磁轉矩等數據進行分析,未發現上述參量有大幅跳變的情況,風機處于正常狀態下,沒有造成風輪轉速大幅震蕩的因素,再對圖2 機艙的振動情況進行分析,在主軸開始波動時刻起,風機塔筒x 及y 軸方向振動幅值顯著增大,尤其是y 方向振動幅值最大,最大值為0.10g,超出振動觸發值0.06g,但因持續時間較短（觸發延時3S）未能觸發風機振動保護動作。綜合分析主軸開始波動的時刻：葉片尖部出現了與塔筒刮蹭的情況,超速是由葉片在旋轉過程中與塔筒刮蹭,瞬時施加的外部力量傳遞波傳達到風輪造成激勵引起轉速瞬時寬幅波動而觸發,激勵也傳遞到機艙振動測點,造成x、y 方向振動也出現了波動,由于激勵傳遞的延遲,兩者波動時間有一定的延時,因此判斷為主軸轉速開始波動的時刻為葉片與塔筒發生了刮蹭。

3.2 12 時38 分49 秒故障記錄

12 時38 分49 秒超速保護動作,查閱超速保護動作前一時刻運行數據記錄,發現在超速保護動作前,機組槳距角、發電機轉速、風輪轉速、功率、塔筒振動值均正常。

查閱運行數據,發現1 號風機在9 時重新投入運行,并于當日12:38:49 時再次發生超速故障,對故障時風機轉速及振動進行分析后發現,其波形與08:47:46 時發生的超速故障呈現出高度相似性,表現出明顯的應激響應特性,具有高度一致性。因而認為風機在該時刻再次發生了葉片與塔筒出現刮蹭情況。

4 歷史數據分析

4.1 故障當天運行數據分析

對故障當天1 號風機運行的歷史數據進行分析,為故障當天1 號風機全天的10 分鐘運行記錄中的風速、風向、湍流度曲線圖,通過運行數據計算當天1 號風機的平均風速為11.8m/s,風向較為平穩,但當天的平均湍流度達到47.2%,最大湍流度達到141%,明顯高于其他機組的平均湍流度。一周內湍流度最大值出現在故障日,且風機發生掃塔事故時段,湍流度處于當日湍流度較大區間內,兩次掃塔事故發生時平均湍流強度為74%和75%,風機葉尖與塔筒發生刮蹭發生在湍流強度峰值時刻,因為來風的湍流度會對風機葉片的穩定性產生影響,突然增大的湍流引起葉片尖部與塔筒發生刮蹭。

4.2 故障前一個月風機運行數據分析

對1 號風機葉片損壞前一個月內風機運行數據進行分析,統計1 號風機月平均湍流強度為18.92%,通過對風機偏航各風向湍流度進行統計,將風機一周劃分為8個相等的扇區,如圖3 所示,發現風機機位坐標系中S 向風湍流度明顯大于N 向,且兩次掃塔故障時刻,風速均位于SE-SW 高湍流度區間內,因而認為湍流度與葉片掃塔關系密切。

圖3 1號風向與湍流度分布圖

4.3 風速、湍流度及振動情況分析

對1 號風機事故前一月風速、湍流度與振動進行分析結果如圖4。

圖4 1號風機風速、湍流度與X 向振動分析圖

由圖4、圖5 可以看出,風機振動值隨風速變化不太敏感,但隨湍流度增加振動值顯著增大。

圖5 1號風機風速、湍流度與Y 向振動分析圖

4.4 風電場所有風機湍流度對比分析

對風電場20 臺同型號風電機組分析,統計其長期觀測湍流度如表1 所示,表1 為投運至今的平均湍流度。

由表1 中數據可以看出,發生掃塔事件的1 號風電機組,其長期觀測湍流度位于全場最高水平,且平均湍流度是其他機組的2.5～6 倍左右。

表1 20臺風機平均湍流度統計表

5 防湍流控制措施

5.1 傳統變速變槳風機控制策略

傳統的風電機組控制主要包括轉矩控制和槳距控制。風輪轉速在額定轉速以下時,通過轉矩控制使風電機組處于最大功率運行方式,以捕獲更多的風能；風輪轉速達到額定轉速,但風速在額定風速以下時,通過轉矩控制使風電機組功率輸出功率隨著風速的增加逐步增加至額定功率；風速在額定風速以上時,通過槳距控制,使風電機組輸出功率維持在額定功率,但在額定風速附近時,若出現強陣風、大湍流風況時,將會導致轉矩控制和槳距控制存在耦合,風速從額定風速以下迅速升高至額定風速以上,轉矩控制達到最大轉矩后,槳距控制才投入運行,加上變槳動作固有延時,極容易造成風機出現超速、功率超限、振動加劇等情況。

針對以上情況,本文設計了一種復雜風況下基于風輪加速度的變槳前饋控制方法,如圖6 所示,加入風輪加速度檢測部分,并通過風輪加速度的變化反映強陣風、大湍流風的情況,從而實現快速收槳。

圖6 風機變槳控制策略

5.2 基于風輪加速度的變槳前饋控制策略

在額定風速附近,加入風輪加速度控制邏輯,風速大于設定風速時,判斷風輪加速度是否大于設定值,當出現風輪加速度超限時,機組極易引起超速、功率超限等風險,此時說明原有的槳距控制存在一定延時,無法有效控制槳葉收槳,直接在槳距控制前加入強陣風前饋控制環節,根據風輪加速度值直接計算變槳速度和角度,保證變槳機構能夠快速響應。

變槳前饋控制流程如圖7 所示。

圖7 變槳前饋控制策略流程圖

5.3 仿真驗證

以該風場2MW 風機機型為例,額定風速10m/s,額定轉速1800r/min,建立標準工況下10m/s 的陣風模型,通過仿真驗證強陣風復雜風況下葉片的控制效果。

從圖8 仿真運行結果可以看出,前饋方法能夠有效降低風機轉速的波動,抑制了轉速的增幅,通過快速收槳,從而避免了機組超速,同時減小機組載荷和塔架的振動,減小強陣風、大湍流對機組的影響。

圖8 標準工況下10m/s 陣風仿真結果

6 結論

本文基于風電機組運行數據,從機組風輪瞬時轉速、塔筒瞬時振動及風機湍流度幾個方面,分析風機葉片故障時刻、故障前一個月以及投運至今的運行數據特征。對比發現,葉片剮蹭塔筒時刻前,機組湍流度明顯增大；葉片剮蹭塔筒時刻,機組振動值明顯增大。通過橫線對比各機組投運至今湍流度,故障機組平均湍流度遠高于其他機組,可以看出較高的湍流度是此次葉片故障的誘因。并針對風機強陣風、湍流度大等復雜風況,提出了基于風輪加速度的變槳前饋控制策略,以消除湍流度大對風機超速、振動大、葉片掃塔的問題,并通過仿真驗證該方法的可行性,為該類問題的解決提供參考。