XE82 直驱型风机在高风速下偏航系统可靠性分析

（福建省福能新能源有限责任公司 福建莆田 351146）

近些年，国内风电行业发展迅速。截止2019 年底，全国风电累计装机2.1 亿kW，风电装机占全部发电装机的10.4%。伴随着风电行业快速发展的是风电安全事故的不断发生，尤以风机飞车、倒塔事故经常出现［1］。风机包含偏航系统、变桨系统、变流系统及发电系统等部分，零部件众多。风机维护人员除了做好日常巡检、消缺和定检外，更应监视风机在运行中的状态、参数、反馈信号等数据是否正常，尤其是风机的主要系统。要时刻收集分析其动态数据，以便判断是否处在健康状态［1-3］。风机偏航系统的主要作用是对风、解缆、定位，其可靠性和稳定性除了会影响风能的利用率外，更是对机组的安全性有重要影响。现对某风电场XE82 直驱型风机在高风速天气下偏航系统的运行数据进行分析，以判断其可靠性。

1 XE82 直驱型风机介绍

1.1 总体简介

XE82 风力发电机组为水平轴、三叶片、上风向、可变速、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机发电并网的设计方式，叶轮直径82.64 m，轮毂高度80 m，额定容量2 MW，切入风速3.5 m/s，额定风速12 m/s，切出风速25 m/s（10 min 均值）。

1.2 偏航系统介绍

（1）偏航系统组成。偏航系统由5 个偏航电机及减速箱、偏航轴承、16 个偏航制动器、液压装置、扭缆保护系统和润滑系统等组成。液压装置的工作压力有3 种工况：1.8 MPa、2.5 MPa、18.0 MPa，偏航刹车时提供18.0 MPa 的压力，实现偏航制动器及主轴承制动器制动；机舱偏航时提供1.8 MPa 的阻尼力，保障风机安全；当电网失电时，提供2.5 MPa 阻尼压力，保障机舱在停机状态下有一定阻尼力。

（2）偏航系统的作用。正常运行时，主动偏航对风，根据安装在机舱顶部的风向标提供风的方向信号，调整机舱方向，确保风轮始终在迎风方向获取更多的风能；当风机触发暴风停机模式，主动偏航至下风向，偏航保持刹车状态。

解缆，当机舱至塔筒的引出电缆达到设定的扭缆角度后，风机自动解缆。

定位，当机舱完成对风动作后，提供刹车压力，保证机组安全定位运行。

（3）自动偏航条件。风机处于自动偏航状态，且满足风速≥3 m/s（5 s 内）或≥2 m/s（60 s 内），偏航角度在-15°到+15°之外；停止自动偏航条件：偏航角度在-5°到+5°内；禁止自动偏航条件：偏航电机保护、扭缆保护、风向标及制动压力低等故障触发。

2 偏航系统在高风速下的运行状态

2.1 风机偏航对风分析

（1）风机停机偏航对风分析。见表1，该风机故障停机中，3个桨叶收到顺桨位置，气象站检测到的10 min 平均风速＞17 m/s，当风机偏离主风向超过±15°时，风机自动偏航对风，8∶21∶28，风机偏航到预定位置，同时偏航制动高压力启动，8∶21∶35，偏航制动高压力达到设定值，液压泵停止工作。观察表1 中的“5 秒偏航对风平均值”可看出，偏航制动的过程中，由于风速大，机舱受外力作用继续偏移距预定位置-16.8°，这已触发风机自动偏航条件，将使风机再次启动偏航对风。

（2）风机运行时偏航对风分析。见表2，该风机处于发电状态，气象站检测到的10min 平均风速＞18 m/s，当风机偏离主风向超过±15°时，风机自动偏航对风，7∶01∶22，风机偏航到预定位置，同时偏航制动高压力启动；7∶01∶30，偏航制动高压力达到设定值，液压泵停止工作。从表2 中的“5 秒偏航对风平均值”可看出，此时因在偏航制动的过程中，由于风速大，机舱受外力作用继续偏移距预定位置32.2°，已触发风机自动偏航条件，风机再次偏航对风。

（3）小结。通过风机运行数据分析及结合现场观察发现，XE82 直驱型风机在高风速的运行工况下，不论是在停机时偏航对风，还是在运行时偏航对风完成后，机舱方向与主风向都会存在较大偏差。当偏差角度超过-15°到+15°之外时，风机将继续偏航对风，导致风机处于频繁偏航状态，影响风能利用效率，减少偏航驱动装置和制动器的使用寿命及导致偏航电机过载，偏航电机保护开关动作，使风机自动偏航失效。偏航对风与预定位置存在较大偏差，除了受风速影响外，更主要的是偏航制动速度较慢，在机舱偏航到预定范围时，偏航制动无法立即提供足够的制动力，确保准确对位。

表1 风机停机时的自动偏航状态

表2 风机发电时的自动偏航状态

（4）改进措施。做好液压系统定期维护，确保蓄能器压力充足、油箱内有足够的液压油、系统内无空气及内外泄漏；对液压系统进行技改，更换电机转速更高、泵流量更大的液压站；增加偏航制动器的注油管路。目前偏航制动器由两路同时注油，一路由5 个制动器串联构成，另一路由11 个制动器串联构成，可再增加一路注油管。改造后为两路分别带5 个制动器、一路带6 个制动器，如此可缩短制动器注油时间，提高偏航制动速度，减少机舱对风偏差现象。

2.2 风机运行时自动偏航失效分析

（1）自动偏航失效分析。见表3，该风机处于发电状态，气象站检测到的10 min 平均风速＞20 m/s。6∶23∶20，机舱偏离主风向-45.6°，偏航制动压力释放，风机开始偏航对风；6∶24∶13，偏航电机过载致电源空开跳闸，HMI 报“偏航电机保护开关故障”，桨叶收到顺桨位置，机舱偏未偏航到预定位置，离主风向-47.6°，风机进入禁止自动偏航状态，同时恢复偏航高压制动状态并保持至故障清除为止。

表3 风机运行时自动偏航失效

对风机的运行数据分析可发现，XE82 直驱型风机在自动偏航失效的情况下，机组将禁止主动偏航，并维持偏航高压制动状态。当机舱位置偏移主风向时，机舱会受到侧向力的作用，使其被动往下方向移动，当风速越大，机舱受到的作用力越大。此时机舱维持在高压制动状态且偏航电机刹车处于制动状态，可能导致偏航电机轴和偏航制动器损坏、刹车片和偏航轴承上端面严重磨损等情况。

（2）应对及改进措施。出现自动偏航失效的情况，在风速不大时立即登机处理故障点，恢复风机自动偏航；在高风速或台风天气，无法登机处理时只有选择人为干预，将风机置于维护状态，手动将偏航高压状态切换到低压状态，使机舱带压随风被动转向下风向。但人为干预及时性差，可能存在疏漏，尤其是自动偏航失效的情况往往发生在高风速或台风天气，维护人员到户外作业，存在一定的安全隐患。

改进措施：升级主控程序，当风机10 min 平均风速大于设定阀值，发生自动偏航失效的情况，风机自动切换到低压制动状态。

3 结论

高风速天气下，XE82 直驱型风机偏航系统在工作中会出现两方面的问题，本文提出的相应改进措施，有一定的局限性，但切合现场实际条件、可行性高，可进一步提高风机偏航系统的可靠性。风机设计使用寿命是20 年，随着运行年限的增加，产生缺陷和故障的部件日益增多，同时各系统在运行中也会不时出现异常现象，这就需要风机维护人员要善于观察、善于分析，找出问题，解决问题，保证风机安全健康运行。