王庭博

(福建平潭大唐海上風(fēng)電有限責(zé)任公司，福建 福州 350400)

0 前言

某風(fēng)場(chǎng)裝有14 臺(tái)湘電風(fēng)能的XE82-2000 型風(fēng)機(jī)，額定功率2 000 kW，額定風(fēng)速12 m/s，切入風(fēng)速3 m/s，切出風(fēng)速25 m/s。風(fēng)機(jī)偏航采用5臺(tái)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)艙制動(dòng)采用偏航電機(jī)自帶的剎車制動(dòng)和液壓站提供的液壓制動(dòng)，采用成都雷奧的LE2152 型風(fēng)速儀和LE2162 型風(fēng)向標(biāo)。受選址影響，某臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)向不穩(wěn)定，頻繁偏航，液壓系統(tǒng)密封圈頻繁損壞造成液壓油泄漏或偏航電機(jī)損壞等，因此需對(duì)偏航系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 偏航系統(tǒng)

1.1 基本原理

XE82-2000 風(fēng)機(jī)采用主動(dòng)對(duì)風(fēng)齒輪驅(qū)動(dòng)形式，與控制系統(tǒng)相配合，使風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，以充分利用風(fēng)能，提高發(fā)電效率。偏航系統(tǒng)由偏航電機(jī)、偏航減速器、偏航軸承及偏航制動(dòng)器組成。偏航電機(jī)、偏航減速器構(gòu)成偏航驅(qū)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)艙、風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)，使之迎面向風(fēng)。偏航剎車采用液壓控制摩擦片剎車，提供必要的鎖緊力矩，以保障機(jī)組安全運(yùn)行。

優(yōu)化后的偏航控制系統(tǒng)，可對(duì)偏航的路徑選擇進(jìn)行智能判斷，確保機(jī)組在風(fēng)速較小的狀態(tài)下，可自行解纜，從而避免了高風(fēng)速段偏航解纜造成的發(fā)電量損失。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

(1) 偏航驅(qū)動(dòng)。在偏航驅(qū)動(dòng)部件中，偏航電機(jī)為電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)；偏航減速器采用四級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)，具有壽命長(zhǎng)、功率大、體積小的特點(diǎn)。

(2) 偏航軸承。采用四點(diǎn)接觸球軸承，以增加整機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，增強(qiáng)抗沖擊載荷能力。風(fēng)機(jī)機(jī)艙通過偏航軸承采用內(nèi)齒圈結(jié)構(gòu)，可以在360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤風(fēng)向。

(3) 偏航制動(dòng)器。XE82-2000 風(fēng)機(jī)采用16 臺(tái)制動(dòng)器，安裝在機(jī)艙內(nèi)部。偏航剎車時(shí)，液壓系統(tǒng)提供18 MPa 壓力使剎車片緊壓在偏航軸承內(nèi)圈上提供制動(dòng)力；偏航時(shí)保持1.8 MPa 余壓，產(chǎn)生一定的阻尼力矩，使偏航運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，減小機(jī)組振動(dòng)。

1.3 控制邏輯

由可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)采集風(fēng)向標(biāo)數(shù)據(jù)并對(duì)風(fēng)向標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行25 s 的分析，若風(fēng)向標(biāo)數(shù)據(jù)值與機(jī)艙的角度偏差超過15°，風(fēng)機(jī)就會(huì)啟動(dòng)偏航系統(tǒng)，直至5 s 風(fēng)向標(biāo)數(shù)據(jù)與機(jī)艙方位角度差小于2°時(shí)停止偏航。

當(dāng)啟動(dòng)偏航時(shí)，首選釋放液壓系統(tǒng)的剎車壓力，當(dāng)壓力小于5 MPa 時(shí)，發(fā)送偏航命令。按照設(shè)計(jì)，偏航電機(jī)剎車和動(dòng)力電源命令由2 個(gè)數(shù)字輸出控制，分別發(fā)出左、右偏航命令，電機(jī)啟動(dòng)繼電器和松閘繼電器同時(shí)接受命令，而電機(jī)剎車松閘動(dòng)作更快，故對(duì)電機(jī)啟動(dòng)載荷基本無影響。

2 偏航系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

2.1 偏航運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

自投運(yùn)至2020-06-30，該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行天數(shù)、總偏航次數(shù)、日平均偏航次數(shù)及偏航剎車片與制動(dòng)缸更換情況可參考表1。

表1 偏航運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

從表1 可知，該風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)日偏航次數(shù)保持兩位數(shù)，偏航前3 位的分別是W6，W7 和W4，其中W6 風(fēng)機(jī)日偏航最多達(dá)到102 次，W7, W4 風(fēng)機(jī)分別達(dá)到76 次、74 次，W9 風(fēng)機(jī)日偏航最少，為33次；剎車片更換量前3 位的是W6，W7 和W1 風(fēng)機(jī)，其中更換最多的是W6 風(fēng)機(jī)，達(dá)到39 塊，W7，W1 風(fēng)機(jī)分別更換了20 塊、19 塊；制動(dòng)缸更換量前3 位的是W6，W7 和W14，分別更換了26 個(gè)、14 個(gè)和11 個(gè)。

結(jié)合風(fēng)場(chǎng)歷史運(yùn)營記錄來看，W1，W5，W6和W7 風(fēng)機(jī)風(fēng)速及風(fēng)向變化較大。

2.2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況分析

以W6 風(fēng)機(jī)為例，以W13 風(fēng)機(jī)為參照，分析W6 風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況。

(1) 風(fēng)速與風(fēng)向?qū)Ρ?。W6 與W13 風(fēng)機(jī)近2 個(gè)月風(fēng)速與風(fēng)向情況如圖1 所示，可知W6 風(fēng)機(jī)在風(fēng)速比W13 風(fēng)機(jī)小的情況下，風(fēng)速變化率更高。

圖1 W6 與W13 風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)比

風(fēng)向?qū)Ρ取6 與W13 風(fēng)機(jī)風(fēng)向情況如圖2所示，風(fēng)機(jī)風(fēng)向基本一致，但W6 風(fēng)機(jī)變化更頻繁。

圖2 W6 與W13 風(fēng)機(jī)風(fēng)向?qū)Ρ?/p>

偏航次數(shù)與風(fēng)向風(fēng)速的關(guān)系。以近2 個(gè)月每6 h 一組數(shù)據(jù)為例分析W6 號(hào)風(fēng)機(jī)的偏航次數(shù)與風(fēng)向、風(fēng)速的關(guān)系，分別如圖3, 4 所示。

圖3 W6 風(fēng)機(jī)偏航次數(shù)與風(fēng)向關(guān)系

從圖3 和4 可知，W6 風(fēng)機(jī)偏航次數(shù)與風(fēng)速成正比關(guān)系，在風(fēng)速波動(dòng)大時(shí)偏航次數(shù)相應(yīng)增加；在風(fēng)向頻繁變動(dòng)時(shí)段，偏航次數(shù)顯著增加；北風(fēng)時(shí)段偏航次數(shù)增加，南風(fēng)時(shí)段偏航次數(shù)較少。

圖4 W6 風(fēng)機(jī)偏航次數(shù)與風(fēng)速關(guān)系

3 偏航優(yōu)化建議

結(jié)合其他風(fēng)場(chǎng)湘電風(fēng)機(jī)偏航優(yōu)化策略，建議對(duì)本風(fēng)場(chǎng)W1，W5，W6 和W7 風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)進(jìn)行以下優(yōu)化。

(1) 增加偏航阻尼壓力監(jiān)測(cè)，將風(fēng)機(jī)偏航阻尼壓力設(shè)置在一定范圍值內(nèi)，使得風(fēng)機(jī)帶一定阻尼壓力偏航，防止偏航速度過快造成機(jī)械性竄動(dòng)。

(2) 當(dāng)風(fēng)機(jī)報(bào)T224 偏航保護(hù)空開跳閘故障時(shí)，應(yīng)保證偏航電機(jī)電磁制動(dòng)器處于不制動(dòng)狀態(tài)。

(3) 對(duì)偏航電機(jī)電磁制動(dòng)和偏航液壓剎車制動(dòng)進(jìn)行延時(shí)抱閘設(shè)定，避免風(fēng)機(jī)在未停止偏航情況下就進(jìn)行制動(dòng)。

(4) 針對(duì)現(xiàn)有偏航啟動(dòng)策略為25 s 風(fēng)向標(biāo)數(shù)據(jù)與機(jī)艙方位偏差大于15°時(shí)進(jìn)行對(duì)風(fēng)偏航，5 s 風(fēng)向標(biāo)數(shù)據(jù)與機(jī)艙方位差小于2°時(shí)停止偏航的情況，可采取統(tǒng)一偏航啟動(dòng)與偏航停止的風(fēng)向?yàn)V波常數(shù)并提高至30 s 等策略，盡可能減少偏航次數(shù)，但這類策略對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電量有一定影響。