張寧 袁振 成金鵬 周建磊 丁博

摘? 要： 隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為風(fēng)電場(chǎng)最重要的發(fā)電設(shè)備之一，西門子SWT4.0-130型機(jī)組頻繁報(bào)偏航失敗等待故障并導(dǎo)致停機(jī)直接影響了發(fā)電量及風(fēng)機(jī)可利用率，而且海上風(fēng)電面臨運(yùn)維難度大，設(shè)備易損耗，環(huán)境多變，海況復(fù)雜等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，使得維護(hù)成本大大增加，降低4.0MW風(fēng)機(jī)偏航失敗等待告警停機(jī)率成為急需解決的關(guān)鍵難題，研究風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)運(yùn)行原理，改良偏航機(jī)械零部件，更新偏航邏輯運(yùn)算程序算法，優(yōu)化后臺(tái)運(yùn)行系統(tǒng)，提高風(fēng)機(jī)可利用率保障風(fēng)機(jī)健康運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 停機(jī)率;偏航邏輯;偏航失敗;

1? 課題背景：

偏航系統(tǒng)故障是風(fēng)力發(fā)電機(jī)常見(jiàn)的故障之一，特別是風(fēng)向變化頻率較高的天氣，風(fēng)機(jī)極易報(bào)“偏航失敗等待”停機(jī)故障。等待風(fēng)機(jī)自動(dòng)復(fù)位，平均至少需要5至15分鐘時(shí)間，更長(zhǎng)的甚至能達(dá)到45分鐘（風(fēng)向持續(xù)變化不定）。而且告警風(fēng)機(jī)自動(dòng)復(fù)位啟機(jī)后，在風(fēng)向變化需要偏航時(shí)，往往會(huì)連續(xù)多次報(bào)偏航失敗等待而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)故障，該過(guò)程累計(jì)損失了大量的風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)間，而值班人員通過(guò)SCADA系統(tǒng)后臺(tái)手動(dòng)復(fù)位極易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)產(chǎn)生更高層次的故障“偏航停止”而無(wú)法復(fù)位，導(dǎo)致機(jī)組徹底停運(yùn)。

該系統(tǒng)由主控發(fā)出命令，液壓剎車打開(kāi)后，繼電器驅(qū)使接觸器吸合，偏航電機(jī)啟動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)同軸聯(lián)接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒圈上，帶動(dòng)機(jī)艙偏航對(duì)風(fēng)，當(dāng)對(duì)風(fēng)完成后，偏航電機(jī)停止動(dòng)作，液壓制動(dòng)器抱死剎車盤，偏航完成。此方式在4.0MW機(jī)組運(yùn)行期間，普遍存在偏航等待故障，風(fēng)速在8m/s以上時(shí)故障頻率偏高現(xiàn)象，而高風(fēng)速又是風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)資源，因此研究偏航故障問(wèn)題，對(duì)大風(fēng)天氣風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率有重要意義。

2 要因確認(rèn)

通過(guò)右圖選取的偏航速度給定、偏航備壓、偏航負(fù)載、風(fēng)速，可看出偏航時(shí)備壓的壓力為4Bar，偏航負(fù)載在大風(fēng)的情況下會(huì)超過(guò)90%，引發(fā)偏航變頻器過(guò)載。偏航給出的是逆時(shí)針偏航信號(hào)，但機(jī)艙的角度卻順時(shí)針變大，再加上“偏航失敗等待”故障大多發(fā)生在大風(fēng)天。分析原因?yàn)椋涸诮o出偏航指令后，卡鉗不會(huì)完全松開(kāi)，仍有5Bar左右的備壓，防止機(jī)艙被封吹動(dòng)，但5Bar的備壓較小，機(jī)艙在大風(fēng)天氣仍然會(huì)被風(fēng)吹動(dòng)，滿足故障判斷條件。剎車盤存在油污，減少了剎車時(shí)摩擦力，使剎車系統(tǒng)在偏航變頻器啟動(dòng)時(shí)沒(méi)有足夠的壓力維持機(jī)艙角度，滿足故障判斷條件。按照以上方法分析了剩余11臺(tái)風(fēng)機(jī)，剎車盤普遍存在油污，減少了剎車時(shí)的摩擦力，使剎車系統(tǒng)在偏航變頻器啟動(dòng)時(shí)沒(méi)有足夠的壓力維持機(jī)艙角度，且5Bar的備壓較小，機(jī)艙在大風(fēng)天氣仍然會(huì)被風(fēng)吹動(dòng)，判斷該因素為要因。3 方案實(shí)施

3.1 更換偏航備壓裝置

更換風(fēng)機(jī)偏航備壓閥，拍照記錄更換過(guò)程和更換數(shù)量，以下是作業(yè)過(guò)程：

3.1.1取下 354 空濾;3.1.2如下圖松開(kāi)油管固定螺絲（10mm 內(nèi)六花套裝）;松開(kāi)油管接頭螺母（24mm 叉扳）;3.1.3旋轉(zhuǎn)油管，使油管不再擋住 335 閥;松開(kāi)入油口處的螺母（19mm 叉扳）;3.1.4旋轉(zhuǎn)直角轉(zhuǎn)接頭，使轉(zhuǎn)接頭不影響335閥;用27mm套筒接力矩扳手套在335閥上，旋出備壓閥。（力矩扳手+27mm套筒）;3.1.5換上9bar的備壓閥，按步驟還原油管、空濾，關(guān)上泄壓閥336，合上偏航液壓站開(kāi)關(guān)200F-3，用操作手柄測(cè)試風(fēng)力發(fā)電機(jī)在偏航過(guò)程中液壓站連接處是否漏油，如有漏油，則斷電、泄壓、重新安裝。如沒(méi)有漏油點(diǎn)，則收拾工具，清理油污，完成工作，如右邊圖。

3.2 優(yōu)化偏航變頻器程序

為了使卡爾曼濾波算法能夠在實(shí)際測(cè)量中發(fā)揮最優(yōu)效果，需要對(duì)初始值以及控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于研究對(duì)象的初始值，系統(tǒng)誤差協(xié)方差的初始值、系統(tǒng)過(guò)程的噪聲方差以及系統(tǒng)測(cè)量噪聲方差，需要根據(jù)實(shí)際歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。上圖是濾波后的風(fēng)向曲線圖，相比于濾波前更為平緩，更符合實(shí)際情況。

為保證提升風(fēng)電機(jī)組的偏航控制精度，確保爬山算法的正確運(yùn)行，在控制參數(shù)時(shí)就需要進(jìn)行合理的設(shè)置，Ps1為最大功率誤差范圍，即判定發(fā)電機(jī)功率波動(dòng)或功率偏差大小，判斷是否需要啟動(dòng)偏航動(dòng)作。Ps2為偏航誤差精度，即判定風(fēng)電機(jī)組偏航動(dòng)作后發(fā)電機(jī)輸出功率是否處于理想境界最佳功率區(qū)間，風(fēng)電機(jī)組偏航控制條件如下圖所示。

首先通過(guò)超聲波傳感器對(duì)風(fēng)機(jī)外界信息進(jìn)行測(cè)量采集，然后將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)信息傳輸通道，發(fā)送至控制器芯片，利用卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將“預(yù)測(cè)”結(jié)果保存，在偏航動(dòng)作時(shí)進(jìn)行讀取調(diào)用， 其次通過(guò)控制器芯片對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率進(jìn)行讀取檢驗(yàn)，當(dāng)風(fēng)速、風(fēng)向發(fā)生改變時(shí)，根據(jù)去噪功能確定偏航動(dòng)作狀態(tài)。如若在短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速不變，風(fēng)向產(chǎn)生頻繁變化后依然回到原始風(fēng)向，則可以利用卡爾曼濾波算法過(guò)濾信號(hào)，忽略短時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向變化，避免風(fēng)機(jī)疲勞動(dòng)作，使風(fēng)機(jī)保持同一方向。再根據(jù)爬山算法進(jìn)行功率檢測(cè)，逐步逼近最優(yōu)極值，保持最大發(fā)電功率。采用爬山算法進(jìn)行功率精度校驗(yàn)，利用卡爾曼濾波算法進(jìn)行風(fēng)向過(guò)濾，可以保證在經(jīng)歷短時(shí)間、小范圍的波動(dòng)后，風(fēng)機(jī)依然可以處于最佳偏航位置，保證在減少偏航疲勞動(dòng)作的同時(shí)，又能使風(fēng)電機(jī)組捕獲最大風(fēng)能，使風(fēng)機(jī)時(shí)刻處于計(jì)算后的最佳迎風(fēng)位置，這樣能夠顯著的提升風(fēng)機(jī)的可利用率以及經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從課題背景、要因確認(rèn)、方案實(shí)施三方面分析，對(duì)偏航系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化改造，對(duì)比技改前，偏航等待累計(jì)停機(jī)時(shí)間降低94.43%，損失電量降低93.93%，同時(shí)降低設(shè)備老化，提高可靠性，進(jìn)而提升風(fēng)電機(jī)組整體安全性能。目前國(guó)家正大力發(fā)展海上風(fēng)電，東臺(tái)海上風(fēng)電青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)改良的優(yōu)化方案，降低4.0MW風(fēng)機(jī)偏航失敗停機(jī)率效果明顯且運(yùn)行穩(wěn)定。截至目前，單臺(tái)風(fēng)機(jī)年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益140多萬(wàn)元。項(xiàng)目還形成了企業(yè)實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，并已在國(guó)網(wǎng)魯能集團(tuán)進(jìn)行推廣使用，我們相信，改造優(yōu)化方案在今后海上風(fēng)電行業(yè)中有較好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄂加強(qiáng) 陳燕.兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)主動(dòng)偏航特性分析[D].湖南：湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，2014。

[2] 劉旭.風(fēng)電偏航系統(tǒng)制動(dòng)裝置的傳力研究及有限元分析[D].南昌：南昌大學(xué)， 2018.

[3] 成立峰. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)誤差與控制策略研究[D].北京：華北電力大學(xué)， 2017.

[4] 劉少榮. 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)精確對(duì)風(fēng)復(fù)合控制研究[J].燕山大學(xué)， 2015.

[5] 陳子新. 風(fēng)機(jī)滑動(dòng)軸承偏航系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)及管理方法研究[M].吉林：吉林大學(xué)，2015.