风电机组滑动偏航系统故障诊断技术研究

文 | 李彬

风电机组偏航系统按照旋转方式可分为两类：一类是滚动偏航系统，机舱通过轴承与塔筒连接，偏航时通过驱动系统带动轴承旋转，由刹车系统配合保持系统稳定；另一类是滑动偏航系统，该类系统没有轴承，机舱通过三个方向的摩擦片与固定在塔筒上的偏航摩擦盘相连。滑动偏航系统是阻尼式偏航系统，为使机组在偏航过程中保持稳定，不发生振动情况，系统必须有一定的摩擦阻尼。不同于滚动偏航系统，滑动偏航系统偏航时驱动力矩必须克服摩擦阻尼。偏航停止时，机舱依靠偏航摩擦片的摩擦阻力和偏航电机尾部的电磁刹车装置保持对风状态，电磁刹车装置电源与电机电枢电源为同一路电源，通过整流桥整流后给电磁刹车供电。

滑动偏航系统在早期风电机组（如歌美飒、苏司兰、维斯塔斯风电机组等）中得到了大量应用。在实际应用中，风电场运维人员发现，在冬季低温的情况下，偏航电机、电磁刹车及偏航减速器内部齿轮副大量损坏，故障率为夏季的数倍之高，严重时会使齿轮啮合出现偏差，损坏偏航齿圈。这一方面给风电场增加了大量检修工作量和维护成本，另一方面造成发电量和经济效益的损失。

滑动时电气检测量的缺失，使得偏航系统的工作状态和损坏机理分析缺乏数据支撑，因而难于制定切实的技术运维方案或者改造方案。鉴于此，本文研制了一种偏航故障诊断系统，通过对偏航工作的环境、电机参数的检测，定量分析偏航损坏的机理，为科学维护和技改提供数据支撑和评价依据。

系统结构及功能

考虑到影响偏航电机发热损坏的主要因素为电机功率和温度，因此，本文所述系统针对风电机组偏航电机电压、电流、温度信号进行采集及处理，并通过以太网将数据传输到服务器端进行存储、筛选和分析。

如图1所示，偏航监控系统MCU单元作为核心控制单元，采用高速数字DSP作为CPU，执行数据的采集、存储及通信功能。该单元自带高性能模拟量采集系统，可采集偏航电机定子电压及定子电流，通过电压与电流计算定子侧有功功率及功率因数，并可估算电动机效率；配备温度采集接口，可采集环境温度及电动机温度；配备大容量SD卡，可在离线情况下存储采集到的数据信息；配备以太网网关，通过风电机组主控系统路由器实现远程数据的下载；配备输出IO，可作为在偏航力矩严重超载或者过温情况下的急停按钮使用。输出IO连接在系统故障反馈回路上，实现故障时停机，避免发生设备损坏。系统传感器采用外配的方式，连接在机舱相关电气回路上，传感器所需电源由MCU单元提供。

MCU单元采集的数据经分析软件处理，可用于对偏航执行机构的动作情况进行判断，形成各种直观的报表。

偏航分析系统软件包括底层数据采集软件和上位机服务器端数据分析软件。数据采集软件主要完成偏航系统电气量的采集、数据调理和计算，其流程如图2所示。上位机程序由通信服务软件和数据分析软件组成，如图3所示。通信服务软件基于dotnet core开发，通过以太网通信获取数据，数据经处理后存入数据库。数据分析软件基于MATLAB开发，从数据库中获取数据，通过进行反复的现场试验，形成优化的维护管理方案。

系统应用案例

将本文设计的偏航异常诊断分析系统应用在某2.1MW风电机组上，该机组偏航系统由3台3kW鼠笼式异步电机，经过五级行星减速器驱动。电机铭牌如图4所示。

该系统每30毫秒采集一次数据，并上传至服务器中。根据采集到的数据，本系统重点分析了偏航电机启动、停止时的功率冲击情况，电机功率平衡性，不同温度条件下偏航电机的功率和偏航电机的功率、时间关系。

一、偏航电机启停时的功率冲击

由图5可知，偏航电机在启动瞬间，总功率峰值约为47kW，冲击时长约为0.5s；进入稳态后，总功率约为6～9kW，直至停止偏航，稳态功率在电机额定功率范围内。

从偏航电机驱动回路（图6）来看，早期机组偏航系统的控制电路比较简单，没有软启动器或变频器，均为电网电压通过接触器直接加在偏航电机定子绕组上，同时又要克服较大的偏航阻尼，因此，启动时冲击电流较大。另外，偏航电机尾部电磁刹车与电机共用一路电源，通过整流后到达电磁刹车线圈，电磁刹车克服弹簧阻力将刹车打开—刹车打开存在一定的时间延迟，也会给电机启动带来额外负载，造成冲击电流增大。

虽然异步电机启动冲击在7倍左右是正常现象，但风电机组每年偏航达4万次，远高于通常应用场合，因此，电机承受高频次的启动冲击是电机加速损坏的原因之一。

二、3台电机的功率分布

从3台电机的功率数据（图7）来看，稳态情况下功率均分性较好，3台电机的功率偏差较小。启动暂态时，瞬时功率达到额定功率的6倍左右，再次印证了启动功率冲击电机的事实。据推测，其中一台电机功率偏小的原因与控制电机的接触器动作时间存在偏差有关，属于正常情况。

三、偏航电机功率随温度的变化

“功率-温度曲线”以散点形式展示了不同温度下电机的瞬时功率和稳态功率分布。如图8所示，温度在-4℃附近时，电机的总功率主要集中在7～15kW，启动时功率冲击最大可达54kW；稳态功率过载达167%，远高于设计值。经数据分析，电机过载运行时长占比达到37%以上。在0℃附近时，电机的总功率主要集中在6～10kW，稳态功率约为7kW，约占电机额定功率的78%，启动时功率最大冲击约为49kW。在5℃以上时，电机的总功率主要集中在5～9kW，稳态功率约为6kW，约占电机额定功率的67%，启动时功率最大冲击约为50kW。

由此可知，虽然电机启动时的瞬态功率冲击与温度值关系不大，但频繁的启动冲击对电机温升及寿命是有影响的，且温度变化对电机运行的稳态功率影响很大。在冬天低温情况下，由于润滑相对较差，有可能存在摩擦力矩增加的情况，导致偏航电机驱动力矩增加，引起电动机过载。稳态时的过载运行及频繁的大电流冲击启动，致使偏航电机加速损坏，这与现场的实际工况相吻合。

四、偏航功率随时长的变化

从图9可以看出，偏航功率为5～8kW ，稳态功率约为6.5kW，处于正常运行范围，因此，偏航时间对偏航功率的影响可以忽略不计。

根据以上特征量对偏航功率的影响，在低温情况下，电机功率过载严重以及启动暂态过载倍率过高等情况是导致偏航系统损坏的主要原因。

结论

在风电场实际运行工作中，往往由于数据的缺乏，导致偏航系统故障机理的分析及原因定位不够清晰，使得虽然现场运维人员做了大量的维护工作，但效果并不明显。本文所述滑动偏航诊断分析系统通过对偏航系统电气量的采集，能够准确检测偏航系统工作时的力矩变化规律，通过数据分析结论确定偏航问题发生异常的原因，进而可为风电场制定技术改造方案和运维措施提供决策依据，并可作为偏航系统改进的评价工具，降低技术改造风险，提高现场运维效率。本文的数据分析方法也可应用在如叶片、发电机等其他部件上，具有一定的通用性。