文 | 李彬

風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)按照旋轉(zhuǎn)方式可分為兩類：一類是滾動(dòng)偏航系統(tǒng)，機(jī)艙通過軸承與塔筒連接，偏航時(shí)通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)，由剎車系統(tǒng)配合保持系統(tǒng)穩(wěn)定；另一類是滑動(dòng)偏航系統(tǒng)，該類系統(tǒng)沒有軸承，機(jī)艙通過三個(gè)方向的摩擦片與固定在塔筒上的偏航摩擦盤相連?；瑒?dòng)偏航系統(tǒng)是阻尼式偏航系統(tǒng)，為使機(jī)組在偏航過程中保持穩(wěn)定，不發(fā)生振動(dòng)情況，系統(tǒng)必須有一定的摩擦阻尼。不同于滾動(dòng)偏航系統(tǒng)，滑動(dòng)偏航系統(tǒng)偏航時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩必須克服摩擦阻尼。偏航停止時(shí)，機(jī)艙依靠偏航摩擦片的摩擦阻力和偏航電機(jī)尾部的電磁剎車裝置保持對(duì)風(fēng)狀態(tài)，電磁剎車裝置電源與電機(jī)電樞電源為同一路電源，通過整流橋整流后給電磁剎車供電。

滑動(dòng)偏航系統(tǒng)在早期風(fēng)電機(jī)組（如歌美颯、蘇司蘭、維斯塔斯風(fēng)電機(jī)組等）中得到了大量應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)電場運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)，在冬季低溫的情況下，偏航電機(jī)、電磁剎車及偏航減速器內(nèi)部齒輪副大量損壞，故障率為夏季的數(shù)倍之高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使齒輪嚙合出現(xiàn)偏差，損壞偏航齒圈。這一方面給風(fēng)電場增加了大量檢修工作量和維護(hù)成本，另一方面造成發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益的損失。

滑動(dòng)時(shí)電氣檢測量的缺失，使得偏航系統(tǒng)的工作狀態(tài)和損壞機(jī)理分析缺乏數(shù)據(jù)支撐，因而難于制定切實(shí)的技術(shù)運(yùn)維方案或者改造方案。鑒于此，本文研制了一種偏航故障診斷系統(tǒng)，通過對(duì)偏航工作的環(huán)境、電機(jī)參數(shù)的檢測，定量分析偏航損壞的機(jī)理，為科學(xué)維護(hù)和技改提供數(shù)據(jù)支撐和評(píng)價(jià)依據(jù)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

考慮到影響偏航電機(jī)發(fā)熱損壞的主要因素為電機(jī)功率和溫度，因此，本文所述系統(tǒng)針對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航電機(jī)電壓、電流、溫度信號(hào)進(jìn)行采集及處理，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端進(jìn)行存儲(chǔ)、篩選和分析。

如圖1所示，偏航監(jiān)控系統(tǒng)MCU單元作為核心控制單元，采用高速數(shù)字DSP作為CPU，執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及通信功能。該單元自帶高性能模擬量采集系統(tǒng)，可采集偏航電機(jī)定子電壓及定子電流，通過電壓與電流計(jì)算定子側(cè)有功功率及功率因數(shù)，并可估算電動(dòng)機(jī)效率；配備溫度采集接口，可采集環(huán)境溫度及電動(dòng)機(jī)溫度；配備大容量SD卡，可在離線情況下存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)信息；配備以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，通過風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)路由器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的下載；配備輸出IO，可作為在偏航力矩嚴(yán)重超載或者過溫情況下的急停按鈕使用。輸出IO連接在系統(tǒng)故障反饋回路上，實(shí)現(xiàn)故障時(shí)停機(jī)，避免發(fā)生設(shè)備損壞。系統(tǒng)傳感器采用外配的方式，連接在機(jī)艙相關(guān)電氣回路上，傳感器所需電源由MCU單元提供。

MCU單元采集的數(shù)據(jù)經(jīng)分析軟件處理，可用于對(duì)偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況進(jìn)行判斷，形成各種直觀的報(bào)表。

偏航分析系統(tǒng)軟件包括底層數(shù)據(jù)采集軟件和上位機(jī)服務(wù)器端數(shù)據(jù)分析軟件。數(shù)據(jù)采集軟件主要完成偏航系統(tǒng)電氣量的采集、數(shù)據(jù)調(diào)理和計(jì)算，其流程如圖2所示。上位機(jī)程序由通信服務(wù)軟件和數(shù)據(jù)分析軟件組成，如圖3所示。通信服務(wù)軟件基于dotnet core開發(fā)，通過以太網(wǎng)通信獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分析軟件基于MATLAB開發(fā)，從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，通過進(jìn)行反復(fù)的現(xiàn)場試驗(yàn)，形成優(yōu)化的維護(hù)管理方案。

系統(tǒng)應(yīng)用案例

將本文設(shè)計(jì)的偏航異常診斷分析系統(tǒng)應(yīng)用在某2.1MW風(fēng)電機(jī)組上，該機(jī)組偏航系統(tǒng)由3臺(tái)3kW鼠籠式異步電機(jī)，經(jīng)過五級(jí)行星減速器驅(qū)動(dòng)。電機(jī)銘牌如圖4所示。

該系統(tǒng)每30毫秒采集一次數(shù)據(jù)，并上傳至服務(wù)器中。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)重點(diǎn)分析了偏航電機(jī)啟動(dòng)、停止時(shí)的功率沖擊情況，電機(jī)功率平衡性，不同溫度條件下偏航電機(jī)的功率和偏航電機(jī)的功率、時(shí)間關(guān)系。

一、偏航電機(jī)啟停時(shí)的功率沖擊

由圖5可知，偏航電機(jī)在啟動(dòng)瞬間，總功率峰值約為47kW，沖擊時(shí)長約為0.5s；進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，總功率約為6～9kW，直至停止偏航，穩(wěn)態(tài)功率在電機(jī)額定功率范圍內(nèi)。

從偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路（圖6）來看，早期機(jī)組偏航系統(tǒng)的控制電路比較簡單，沒有軟啟動(dòng)器或變頻器，均為電網(wǎng)電壓通過接觸器直接加在偏航電機(jī)定子繞組上，同時(shí)又要克服較大的偏航阻尼，因此，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流較大。另外，偏航電機(jī)尾部電磁剎車與電機(jī)共用一路電源，通過整流后到達(dá)電磁剎車線圈，電磁剎車克服彈簧阻力將剎車打開—?jiǎng)x車打開存在一定的時(shí)間延遲，也會(huì)給電機(jī)啟動(dòng)帶來額外負(fù)載，造成沖擊電流增大。

雖然異步電機(jī)啟動(dòng)沖擊在7倍左右是正常現(xiàn)象，但風(fēng)電機(jī)組每年偏航達(dá)4萬次，遠(yuǎn)高于通常應(yīng)用場合，因此，電機(jī)承受高頻次的啟動(dòng)沖擊是電機(jī)加速損壞的原因之一。

二、3臺(tái)電機(jī)的功率分布

從3臺(tái)電機(jī)的功率數(shù)據(jù)（圖7）來看，穩(wěn)態(tài)情況下功率均分性較好，3臺(tái)電機(jī)的功率偏差較小。啟動(dòng)暫態(tài)時(shí)，瞬時(shí)功率達(dá)到額定功率的6倍左右，再次印證了啟動(dòng)功率沖擊電機(jī)的事實(shí)。據(jù)推測，其中一臺(tái)電機(jī)功率偏小的原因與控制電機(jī)的接觸器動(dòng)作時(shí)間存在偏差有關(guān)，屬于正常情況。

三、偏航電機(jī)功率隨溫度的變化

“功率-溫度曲線”以散點(diǎn)形式展示了不同溫度下電機(jī)的瞬時(shí)功率和穩(wěn)態(tài)功率分布。如圖8所示，溫度在-4℃附近時(shí)，電機(jī)的總功率主要集中在7～15kW，啟動(dòng)時(shí)功率沖擊最大可達(dá)54kW；穩(wěn)態(tài)功率過載達(dá)167%，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，電機(jī)過載運(yùn)行時(shí)長占比達(dá)到37%以上。在0℃附近時(shí)，電機(jī)的總功率主要集中在6～10kW，穩(wěn)態(tài)功率約為7kW，約占電機(jī)額定功率的78%，啟動(dòng)時(shí)功率最大沖擊約為49kW。在5℃以上時(shí)，電機(jī)的總功率主要集中在5～9kW，穩(wěn)態(tài)功率約為6kW，約占電機(jī)額定功率的67%，啟動(dòng)時(shí)功率最大沖擊約為50kW。

由此可知，雖然電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)功率沖擊與溫度值關(guān)系不大，但頻繁的啟動(dòng)沖擊對(duì)電機(jī)溫升及壽命是有影響的，且溫度變化對(duì)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)功率影響很大。在冬天低溫情況下，由于潤滑相對(duì)較差，有可能存在摩擦力矩增加的情況，導(dǎo)致偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩增加，引起電動(dòng)機(jī)過載。穩(wěn)態(tài)時(shí)的過載運(yùn)行及頻繁的大電流沖擊啟動(dòng)，致使偏航電機(jī)加速損壞，這與現(xiàn)場的實(shí)際工況相吻合。

四、偏航功率隨時(shí)長的變化

從圖9可以看出，偏航功率為5～8kW ，穩(wěn)態(tài)功率約為6.5kW，處于正常運(yùn)行范圍，因此，偏航時(shí)間對(duì)偏航功率的影響可以忽略不計(jì)。

根據(jù)以上特征量對(duì)偏航功率的影響，在低溫情況下，電機(jī)功率過載嚴(yán)重以及啟動(dòng)暫態(tài)過載倍率過高等情況是導(dǎo)致偏航系統(tǒng)損壞的主要原因。

結(jié)論

在風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行工作中，往往由于數(shù)據(jù)的缺乏，導(dǎo)致偏航系統(tǒng)故障機(jī)理的分析及原因定位不夠清晰，使得雖然現(xiàn)場運(yùn)維人員做了大量的維護(hù)工作，但效果并不明顯。本文所述滑動(dòng)偏航診斷分析系統(tǒng)通過對(duì)偏航系統(tǒng)電氣量的采集，能夠準(zhǔn)確檢測偏航系統(tǒng)工作時(shí)的力矩變化規(guī)律，通過數(shù)據(jù)分析結(jié)論確定偏航問題發(fā)生異常的原因，進(jìn)而可為風(fēng)電場制定技術(shù)改造方案和運(yùn)維措施提供決策依據(jù)，并可作為偏航系統(tǒng)改進(jìn)的評(píng)價(jià)工具，降低技術(shù)改造風(fēng)險(xiǎn)，提高現(xiàn)場運(yùn)維效率。本文的數(shù)據(jù)分析方法也可應(yīng)用在如葉片、發(fā)電機(jī)等其他部件上，具有一定的通用性。