翟永杰等

摘 要： 為了掌握滑動(dòng)式偏航系統(tǒng)的運(yùn)行特性，揭示風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)故障的原因，設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的風(fēng)機(jī)偏航數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對(duì)某風(fēng)電廠的偏航系統(tǒng)進(jìn)行長達(dá)3個(gè)月的在線監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)運(yùn)行中的一些問題，如：4個(gè)電機(jī)功率不一致，差值較大，并均存在波動(dòng)；在偏航過程中，偏航系統(tǒng)的振動(dòng)比較平緩，但存在突然增大的狀況。根據(jù)分析，給出了偏航系統(tǒng)運(yùn)行的建議，從而可以大幅減少偏航系統(tǒng)故障的出現(xiàn)，提高電廠效益。

關(guān)鍵詞： 偏航系統(tǒng)； 在線監(jiān)測； 數(shù)據(jù)分析； LabVIEW

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）21?0123?04

Data analysis of on?line monitoring system for fan sliding yaw system

ZHAI Yongjie1， LI Bing1， CHANG Qicheng2

（1. North China Electric Power University， Baoding 071003， China； 2. Beijing University of Posts and Telecommunications， Beijing 100876， China）

Abstract： For mastering the operation characteristics of the sliding yaw system and looking for the fault reasons of the fan sliding yaw system， a set data acquisition system of fan yaw based on LabVIEW was designed， and the yaw system in a wind power plant was conducted with on?line monitoring for 3 months. Some problems in operation of the yaw system are discovered by data analysis， such as the different power， large power difference value and power fluctuation of the four motors， and in the yaw process， the vibration of the yaw system is gentle， and the situation of sudden increscent vibration is existed. According to the analysis， the operation suggestions of the yaw system are provided， which can reduce the fault occurrence of the yaw system significantly， and improve the efficiency of the power plant.

Keywords： yaw system； online monitoring； data analysis； LabVIEW

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過偏航系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整葉輪平面，使之與風(fēng)向垂直，正面迎風(fēng)，從而最大程度地利用風(fēng)能，提高工作效率。偏航系統(tǒng)的正常運(yùn)行與否直接影響了發(fā)電機(jī)組的功率以及風(fēng)電場的效益，是風(fēng)電機(jī)組最為重要的控制系統(tǒng)之一。偏航系統(tǒng)目前主要分為滑動(dòng)偏航和滾動(dòng)偏航。滾動(dòng)偏航系統(tǒng)相比于滑動(dòng)偏航系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)軸承要求較高，運(yùn)行維護(hù)成本較高，并有一定的維護(hù)難度。

某風(fēng)電廠有50 kW·h以上的風(fēng)機(jī)采用滑動(dòng)軸承偏航系統(tǒng)，在經(jīng)過幾年的運(yùn)行后，偏航系統(tǒng)故障問題非常突出，主要表現(xiàn)在偏航減速機(jī)損壞、驅(qū)動(dòng)電機(jī)燒損、偏航齒折斷、滑板斷裂等，為了掌握滑動(dòng)式偏航系統(tǒng)的運(yùn)行特性，揭示風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)故障的原因，本文以V80機(jī)型的偏航系統(tǒng)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于LabVIEW的風(fēng)機(jī)偏航數(shù)據(jù)采集在線監(jiān)測系統(tǒng)，獲取風(fēng)機(jī)在不同載荷、不同風(fēng)速、不同出力、不同環(huán)境溫度下的偏航系統(tǒng)受力情況，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而針對(duì)性的設(shè)計(jì)維護(hù)和調(diào)整方案，減少偏航系統(tǒng)故障的產(chǎn)生，提高風(fēng)電廠效益。

1 風(fēng)機(jī)滑動(dòng)偏航系統(tǒng)

1.1 偏航系統(tǒng)的組成與分類

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)里進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的重要部分。風(fēng)力機(jī)借風(fēng)輪葉片吸收空氣中的動(dòng)能，捕獲的動(dòng)能經(jīng)由風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。偏航系統(tǒng)也稱為調(diào)向系統(tǒng)，是水平軸風(fēng)力機(jī)不可缺少的部分[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)主要分為滾動(dòng)式偏航系統(tǒng)和滑動(dòng)式偏航系統(tǒng)，其中滑動(dòng)式偏航系統(tǒng)一般由偏航控制系統(tǒng)、偏航機(jī)構(gòu)、扭纜保護(hù)裝置三部分組成，而偏航機(jī)構(gòu)由偏航電機(jī)、偏航減速機(jī)、偏航齒輪、偏航爪組成，如圖1所示。

目前國內(nèi)大部分機(jī)型均采用滾動(dòng)軸承偏航系統(tǒng)，它有安裝方便、偏航噪音小等優(yōu)點(diǎn)，但風(fēng)機(jī)用滾動(dòng)軸承對(duì)軸承本身要求很高，制造困難，成本高、承載力較小、易損壞，造成后期維護(hù)成本較高。另外還需要安裝剎車盤來實(shí)現(xiàn)鎖緊，增加了裝配難度，同時(shí)液壓剎車系統(tǒng)還存在泄露隱患，增加了維護(hù)難度。與之相比，滑動(dòng)系統(tǒng)有自身的優(yōu)點(diǎn)，它制造相對(duì)簡單、成本低、承載能力強(qiáng)，維護(hù)費(fèi)用較低等，這種軸承在VESTAS機(jī)型和SUZLON風(fēng)機(jī)中廣泛采用。目前VESTAS公司在V52，V80，V90等機(jī)型中均采用嵌入式摩擦滑動(dòng)軸承技術(shù)，利用工程塑料PEPT作為摩擦接觸面，其有較強(qiáng)的承載和吸震能力。國內(nèi)華銳等風(fēng)機(jī)廠商也在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行一些探索。但針對(duì)滑動(dòng)軸承運(yùn)行數(shù)年后的故障處理和維護(hù)技術(shù)目前尚未見相關(guān)研究。

1.2 偏航系統(tǒng)的功能

偏航控制系統(tǒng)主要有3個(gè)功能和作用：

（1） 正常運(yùn)行時(shí)自動(dòng)對(duì)風(fēng)。工作原理為：通過風(fēng)向傳感器將風(fēng)向的變化傳送到偏航電機(jī)控制回路的處理器中，經(jīng)過判斷決定偏航的方向和角度，最終達(dá)到對(duì)風(fēng)目的。當(dāng)對(duì)風(fēng)結(jié)束以后，風(fēng)傳感器失去電信號(hào)，電機(jī)停止工作，偏航過程結(jié)束。

（2） 扭纜時(shí)自動(dòng)解纜。當(dāng)風(fēng)機(jī)到達(dá)其規(guī)定的解纜角度時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)解纜，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)立刻剎車停機(jī)，然后啟動(dòng)偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)艙向相反方向旋轉(zhuǎn)，使機(jī)艙處于電纜無纏繞狀態(tài)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)置了一個(gè)極值角度以防止出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)解纜未動(dòng)作，在扭纜到達(dá)這個(gè)極值角度時(shí)，扭纜保護(hù)器動(dòng)作，剎車停機(jī)，報(bào)扭纜故障，等待人工解纜。

（3） 失速保護(hù)時(shí)偏離風(fēng)向。當(dāng)有特大強(qiáng)風(fēng)發(fā)生時(shí)，停機(jī)，釋放葉尖阻尼板，槳距調(diào)到最大，偏航90°側(cè)風(fēng)，以保護(hù)風(fēng)輪免受損壞[2]。

2 偏航系統(tǒng)特性在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)偏航系統(tǒng)分析的需要，監(jiān)測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)偏航電機(jī)功率監(jiān)測、偏航機(jī)構(gòu)滑板壓力監(jiān)測、偏航爪振動(dòng)監(jiān)測、偏航噪聲監(jiān)測、偏航速率監(jiān)測等功能。同時(shí)要求在線監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各參數(shù)的檢測與保存，實(shí)時(shí)掌握偏航系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)潛在的故障進(jìn)行預(yù)警，對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和整理，總結(jié)受力、溫度、風(fēng)速對(duì)偏航系統(tǒng)的影響，從而為各種復(fù)雜情況下的穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

2.1 設(shè)計(jì)思路與原理

本文利用LabVIEW程序設(shè)計(jì)軟件與數(shù)據(jù)采集器、傳感器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套風(fēng)力發(fā)電機(jī)滑動(dòng)式偏航系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，采集過程從偏航電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)到偏航結(jié)束。主要思路是通過采集各偏航電機(jī)的電流、電壓數(shù)值，利用三相電機(jī)功率計(jì)算各電機(jī)在偏航過程中的功率，利用壓力傳感器檢測壓力的變化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 硬件及軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測的要求，需要對(duì)偏航過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和保存。經(jīng)過對(duì)比，選定的硬件包括：工控一體機(jī)、交流電流互感器、交流電壓互感器、三向加速度傳感器、多路數(shù)據(jù)采集器。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用LabVIEW程序設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)。并進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測與分析等功能，其中后臺(tái)數(shù)據(jù)采集及上傳軟件如圖3所示，數(shù)據(jù)自動(dòng)保存軟件如圖4所示。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言，其使用圖形化的符號(hào)來創(chuàng)建程序（通過連線把函數(shù)節(jié)點(diǎn)連接起來，數(shù)據(jù)就是在這些連線上流動(dòng)的）[3]，被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室廣泛地所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。

3 數(shù)據(jù)分析與建議

3.1 數(shù)據(jù)分析

通過風(fēng)機(jī)偏航在線監(jiān)測系統(tǒng)，在現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)際調(diào)試和應(yīng)用，該系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)多月，掌握了偏航系統(tǒng)中4個(gè)偏航電機(jī)功率和偏航爪處的振動(dòng)情況，得到了大量的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)運(yùn)行中存在以下問題（由于現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)量較大，故選擇具有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明）：

（1） 4個(gè)偏航電機(jī)在偏航過程中，功率并不一致，最大差值接近18%，偏航時(shí)3號(hào)偏航電機(jī)是4個(gè)偏航電機(jī)出力最大的電機(jī)的次數(shù)較多，這與風(fēng)機(jī)偏航過程中偏航齒圈的摩擦狀態(tài)有關(guān)，說明3號(hào)偏航電機(jī)處偏航爪摩擦較大。如圖5所示（2014年10月24日21時(shí)34分25秒的電機(jī)功率監(jiān)測圖）。

（2） 偏航過程中，各偏航電機(jī)的功率存在波動(dòng)，4個(gè)偏航電機(jī)出現(xiàn)波峰和波谷的時(shí)間是一致的。如圖5所示。

（3） 偏航過程中，偏航電機(jī)功率都是逐步增加到最大值，這與風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算時(shí)，偏航開始時(shí)，偏航力矩增大相一致，如圖5，圖6所示。

（4） 在大部分偏航過程中，偏航電機(jī)功率都小于偏航電機(jī)的額定功率2.2 kW，為圖中水平黑線。但是存在個(gè)別偏航過程偏航電機(jī)瞬時(shí)過載現(xiàn)象，如圖6所示，4號(hào)偏航電機(jī)瞬時(shí)功率超過額定功率。

（5） 在偏航過程中，偏航系統(tǒng)振動(dòng)較平緩，但是存在某些時(shí)刻振動(dòng)突然增大的狀況，如圖7所示。

（6） 在偏航系統(tǒng)啟停時(shí)，偏航系統(tǒng)振動(dòng)較大，其中[y]方向最明顯，如圖7所示。

（7） 在偏航過程中，偏航系統(tǒng)各個(gè)方向的振動(dòng)幅度并不完全一致，同時(shí)振動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，[y]方向的幅值低于0，這是由于重力加速度的原因，如圖8所示。

（8） 在偏航過程中，[x]方向的振動(dòng)幾乎不受偏航速度、偏航角度及湍流強(qiáng)度的影響，[y，z]方向的振動(dòng)幅值在湍流條件下會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，如圖8所示。

3.2 運(yùn)行規(guī)律與建議

針對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)所反映出的滑動(dòng)偏航系統(tǒng)存在的問題，提出了以下幾點(diǎn)建議：

（1） 應(yīng)對(duì)偏航電機(jī)增加過載保護(hù)裝置。在偏航過程中，偏航系統(tǒng)承受了巨大的偏航力矩，且由于采用滑動(dòng)偏航軸承，偏航系統(tǒng)也會(huì)承受較大的偏航摩擦阻尼，偏航軸承摩擦狀態(tài)復(fù)雜，很難保證各偏航爪摩擦狀態(tài)一致，因此4個(gè)偏航電機(jī)在偏航中出力存在不一致的現(xiàn)象。為了減少偏航電機(jī)及減速機(jī)嚴(yán)重故障的發(fā)生，應(yīng)為偏航電機(jī)或偏航減速機(jī)增加扭矩保護(hù)裝置，限制偏航系統(tǒng)的超載，對(duì)超過安全載荷的偏航載荷，進(jìn)行保護(hù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠。

（2） 加強(qiáng)對(duì)偏航軸承狀態(tài)的維護(hù)。定期對(duì)偏航齒面清潔情況、偏航爪緊固力矩、偏航爪間隙進(jìn)行檢查與維護(hù)，保證齒面清潔、偏航爪緊固力矩在額定值范圍內(nèi)，偏航爪間隙在限值內(nèi)，可以減少偏航系統(tǒng)摩擦阻尼，保證偏航摩擦阻尼的均勻性，提高偏航系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

（3） 對(duì)偏航電機(jī)的啟動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)。從啟動(dòng)過程功率曲線來看，偏航電機(jī)在全壓起動(dòng)過程中存在起動(dòng)沖擊電流，起動(dòng)過程電流和轉(zhuǎn)矩的震蕩劇烈，同時(shí)由于起動(dòng)應(yīng)力較大，加劇機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損，使負(fù)載設(shè)備的使用壽命降低。在停機(jī)時(shí)，偏航電機(jī)突然失去轉(zhuǎn)矩，靠系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩克服系統(tǒng)的慣性滑行停車，會(huì)對(duì)電機(jī)造成較大的機(jī)械故障。因此可采用軟啟動(dòng)方式進(jìn)行偏航電機(jī)起動(dòng)。

（4） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航軸承載荷與風(fēng)力機(jī)所在的地理位置有著很大的關(guān)系，在面對(duì)山谷，高坡地方時(shí)，應(yīng)合理調(diào)整上吹角度，使風(fēng)輪平面與來流方向盡量保持垂直方向，可以減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)的載荷，增加其壽命。

4 結(jié) 論

本文通過基于LabVIEW的偏航數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)偏航系統(tǒng)中的4個(gè)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，全面了解偏航系統(tǒng)的工作過程，準(zhǔn)確掌握了不同環(huán)境下的運(yùn)行規(guī)律。主要采集的數(shù)據(jù)為電機(jī)的加速度、功率等多種參數(shù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)存在偏航電機(jī)功率不一致、運(yùn)行過程中功率不穩(wěn)定等問題，建議在以后的運(yùn)行過程中，增加對(duì)偏航電機(jī)過載保護(hù)裝置，改進(jìn)偏航電機(jī)的啟動(dòng)方式，加強(qiáng)對(duì)偏航軸承的維護(hù)，從而減少故障發(fā)生的可能，提高風(fēng)力發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)效益。

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