黎 焱，劉瑞兵，馬金寶，祝振鴻，楊劍秋

(北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 100176)

0 引言

風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)讓機(jī)艙繞塔架軸線旋轉(zhuǎn)及停止在指定位置。目前兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)主要由偏航電機(jī)、減速器、偏航軸承、相關(guān)電氣設(shè)備和控制系統(tǒng)等組成。偏航電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力對于風(fēng)電機(jī)組是否能夠安全可靠地偏航、降低風(fēng)電機(jī)組荷載和提升風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量非常重要。

偏航電機(jī)通常采用常規(guī)的三相異步電機(jī)[1]，其是否正常運(yùn)行與3 個(gè)非常重要的扭矩參數(shù)有關(guān)，即啟動(dòng)扭矩、最大扭矩和額定扭矩。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定偏航時(shí)，偏航電機(jī)需要克服塔頂?shù)钠脚ぞ睾奢d及偏航系統(tǒng)的摩擦阻力矩，即：

式中：Mt為偏航系統(tǒng)中所有偏航電機(jī)能提供的總驅(qū)動(dòng)扭矩；m為偏航系統(tǒng)從偏航電機(jī)到偏航軸承的總傳動(dòng)比；η為偏航系統(tǒng)的總傳動(dòng)效率；Mz為塔頂偏航扭矩荷載，該值在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中持續(xù)波動(dòng)；Md為偏航軸承及剎車阻尼系統(tǒng)的總摩擦阻力矩，其是關(guān)于Mz的函數(shù)。

如果設(shè)計(jì)時(shí)偏航電機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)扭矩不能超過最大外部荷載，則風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中會(huì)存在偏航電機(jī)無法驅(qū)動(dòng)偏航的可能性。當(dāng)塔頂?shù)钠脚ぞ睾奢d增大，偏航電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)下降，偏航系統(tǒng)中所有偏航電機(jī)能提供的總驅(qū)動(dòng)扭矩會(huì)增大并伴隨電流的增加。當(dāng)大電流導(dǎo)致的熱效應(yīng)累積到一定程度時(shí)，偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)會(huì)斷開電路以保護(hù)偏航電機(jī)，此時(shí)偏航功能喪失，風(fēng)電機(jī)組停止發(fā)電并報(bào)出故障，直到保護(hù)開關(guān)重新合閘。因此，通過對故障進(jìn)行分析，摸清偏航電機(jī)運(yùn)行特性與塔頂偏航扭矩荷載之間的關(guān)系，有助于改進(jìn)偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的評估及進(jìn)行偏航電機(jī)選型，從而降低該種故障的故障率，確保風(fēng)電機(jī)組的偏航功能安全可靠并減少發(fā)電量損失。

本文通過對上述故障進(jìn)行分析，找到一種合理的適用于風(fēng)電機(jī)組偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的評估方法。以某型兆瓦級風(fēng)電機(jī)組為例，首先分析偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際偏航電機(jī)的固有工作特性，分析產(chǎn)生故障的原因和機(jī)理；然后基于詳細(xì)的現(xiàn)場測試確定外部荷載與故障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立一套判斷偏航電機(jī)進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)刻及堵轉(zhuǎn)時(shí)長的方法；最后通過對比本文所提出評估方法的邏輯判定結(jié)果與典型故障時(shí)刻偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)大電流下的實(shí)測數(shù)據(jù)，對本文所提出的評估方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障數(shù)據(jù)分析

以某型兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)為例，實(shí)時(shí)測量偏航電機(jī)的總電流。在某次發(fā)生跳閘故障時(shí)，監(jiān)測了從偏航開始到故障報(bào)出時(shí)段偏航電機(jī)的電流，如圖1 所示。

圖1 發(fā)生偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障時(shí)偏航電機(jī)的電流Fig.1 Current of yaw motor when yaw motor protection switch trips

從圖1 可以看出：在第74 s 時(shí)刻，偏航電機(jī)啟動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的沖擊電流，這屬于偏航電機(jī)的正常啟動(dòng)特征；此后電流持續(xù)波動(dòng)，波動(dòng)的峰值超過了偏航電機(jī)的額定電流(26 A)，初步判斷在此期間外部荷載(即塔頂?shù)钠脚ぞ睾奢d與偏航軸承及剎車阻尼系統(tǒng)的總摩擦扭矩之和)的波動(dòng)導(dǎo)致偏航電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)及驅(qū)動(dòng)扭矩波動(dòng)，伴隨著電流在額定電流和較大電流之間頻繁波動(dòng)。在故障時(shí)刻(第90 s)前4 s 時(shí)刻，電流陡然增加并持續(xù)穩(wěn)定在110 A 左右，初步判斷此時(shí)外部荷載已經(jīng)超過了偏航電機(jī)的最大有效驅(qū)動(dòng)能力并持續(xù)維持在較高水平；4 s 之后，偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘，風(fēng)電機(jī)組報(bào)出偏航反饋丟失故障。在此過程中，對風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、功率、機(jī)艙加速度及葉片槳距角進(jìn)行分析，分析結(jié)果未見異常，風(fēng)電機(jī)組也未報(bào)出其他故障信號。發(fā)生該故障后，對偏航電機(jī)、減速器及偏航軸承等硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，未見異常。因此初步認(rèn)為該次故障是由于外部荷載超過了偏航電機(jī)的最大有效驅(qū)動(dòng)能力導(dǎo)致的。

2 偏航電機(jī)的運(yùn)行特性及荷載特征分析

本案例中單個(gè)偏航電機(jī)的額定功率為3 kW，對該偏航電機(jī)的運(yùn)行特性(即扭矩-轉(zhuǎn)速特性、電流-轉(zhuǎn)速特性)進(jìn)行了測量，曲線如圖2 所示。圖中：A點(diǎn)對應(yīng)偏航電機(jī)的額定扭矩點(diǎn)；B點(diǎn)對應(yīng)偏航電機(jī)的最大扭矩點(diǎn)；C點(diǎn)對應(yīng)偏航電機(jī)的啟動(dòng)扭矩點(diǎn)。

圖2 偏航電機(jī)的扭矩-轉(zhuǎn)速與電流-轉(zhuǎn)速特性曲線Fig.2 Characteristic curves of torque-speed and current-speed of yaw motor

根據(jù)式(1)，當(dāng)外部荷載與偏航電機(jī)額定扭矩所能提供的有效驅(qū)動(dòng)扭矩平衡時(shí)，偏航電機(jī)會(huì)穩(wěn)定工作在額定扭矩點(diǎn)，此時(shí)的額定電流約為6.5 A。從圖2 可以看出：當(dāng)外部荷載導(dǎo)致偏航電機(jī)工作在額定扭矩點(diǎn)到最大扭矩點(diǎn)階段(即A-B段)時(shí)，隨著偏航電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，電流增大并伴隨扭矩的增加，在該區(qū)間內(nèi)，偏航電機(jī)通過降低轉(zhuǎn)速來抵抗外部增大的扭矩負(fù)載。當(dāng)外部荷載導(dǎo)致偏航電機(jī)工作在最大扭矩點(diǎn)到啟動(dòng)扭矩點(diǎn)階段(即B-C段)時(shí)，特征與其工作在A-B段時(shí)的特征恰好相反。此階段隨著偏航電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，其驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)一步下降，導(dǎo)致偏航電機(jī)進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；只有當(dāng)外部扭矩低于偏航電機(jī)啟動(dòng)扭矩時(shí)，才有可能讓偏航電機(jī)重新加速并回到額定扭矩點(diǎn)。

由上述分析可見，圖1 中第74 s 到故障前4 s時(shí)刻偏航電機(jī)的電流狀態(tài)對應(yīng)圖2 中偏航電機(jī)運(yùn)行特性曲線的A-B段；圖1 中故障前4 s 時(shí)刻到故障時(shí)刻偏航電機(jī)的電流狀態(tài)對應(yīng)圖2 中偏航電機(jī)運(yùn)行特性曲線的B-C段。

3 塔頂偏航扭矩荷載的測試分析

為了更詳盡地分析外部荷載與偏航電機(jī)運(yùn)行特性之間的關(guān)聯(lián)性，對該型兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的塔頂偏航扭矩荷載、偏航電機(jī)的電流-轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行了在線監(jiān)測。

該型兆瓦級風(fēng)電機(jī)組配置了4 臺(tái)3 kW 的三相異步電機(jī)作為偏航電機(jī)。在克服了偏航軸承及剎車阻尼系統(tǒng)的總摩擦扭矩之后，偏航電機(jī)可提供的有效啟動(dòng)扭矩為2363 kN·m、最大有效驅(qū)動(dòng)扭矩為3836 kN·m。針對該風(fēng)電機(jī)組某次出現(xiàn)的典型偏航電機(jī)大電流過程進(jìn)行分析，測量數(shù)據(jù)如圖3 所示。圖中：塔頂偏航扭矩載荷的正、負(fù)表示扭矩方向不同。

圖3 某次偏航電機(jī)大電流過程的測量數(shù)據(jù)Fig.3 Measurement data for a yaw motor during high current process

從圖3 可以看出：在偏航一開始的階段，偏航電機(jī)的轉(zhuǎn)速在900 rpm 左右輕微波動(dòng)，4 臺(tái)偏航電機(jī)的電流同步性很好，且均在10 A上下波動(dòng)，對照圖2 的偏航電機(jī)運(yùn)行特性曲線可知，此時(shí)塔頂偏航扭矩荷載略高于偏航電機(jī)的額定有效驅(qū)動(dòng)能力。在第32 s 時(shí)刻，塔頂偏航扭矩荷載突然快速超過4000 kN·m，此時(shí)偏航電機(jī)的轉(zhuǎn)速快速下降到300 rpm 附近，偏航電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)且伴隨電流急速上升到超過30 A；此后即使塔頂偏航扭矩荷載頻繁出現(xiàn)小于3836 kN·m 的時(shí)刻，偏航電機(jī)的轉(zhuǎn)速依然維持在300 rpm 以下。在34～43 s 的時(shí)段內(nèi)，出現(xiàn)了兩次塔頂偏航扭矩荷載顯著小于3836 kN·m 的時(shí)段，但偏航電機(jī)依然無法退出堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。直到第43 s 后，出現(xiàn)一段塔頂偏航扭矩荷載小于有效啟動(dòng)扭矩(2363 kN·m)的情況，偏航電機(jī)才順利退出堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)偏航電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流也均恢復(fù)到正常狀態(tài)。

該偏航電機(jī)大電流過程的測量數(shù)據(jù)反應(yīng)了偏航電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中與其在單獨(dú)測試時(shí)體現(xiàn)出了相同的運(yùn)行特性，并且與塔頂偏航扭矩荷載變化特征具備高度相關(guān)性，驗(yàn)證了圖1 中某次偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障的分析過程和結(jié)論。

4 偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)通常參考DNV-ST-0361《Machinery for wind turbines》[2]，但是該規(guī)范中并沒有對偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)計(jì)給出明確要求。通常情況下，偏航電機(jī)的設(shè)計(jì)要求是其最大有效驅(qū)動(dòng)能力及額定有效驅(qū)動(dòng)能力分別能覆蓋一定比例的塔頂偏航扭矩荷載[3]，若設(shè)計(jì)上完全覆蓋所有可能出現(xiàn)的塔頂偏航扭矩荷載，則偏航電機(jī)及偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)過余冗余。文獻(xiàn)[4]已經(jīng)探討了一種基于塔頂偏航扭矩荷載時(shí)序進(jìn)行偏航電機(jī)選型優(yōu)化的方法，但缺乏實(shí)際測試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，同時(shí)未考慮最大外部荷載導(dǎo)致的截?cái)?，以及偏航電機(jī)退出堵轉(zhuǎn)的扭矩閾值特征。從上文分析及風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的故障情況來看，采用文獻(xiàn)[4]提出的設(shè)計(jì)思路，仍然會(huì)導(dǎo)致偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障發(fā)生。

仍以上文進(jìn)行測試的兆瓦級風(fēng)電機(jī)組為例，測試其11 個(gè)月實(shí)際運(yùn)行過程中的塔頂偏航扭矩載荷、偏航電機(jī)的電流-轉(zhuǎn)速特性等數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在此期間，偏航電機(jī)的最大有效驅(qū)動(dòng)扭矩可以覆蓋99.9%的塔頂偏航扭矩荷載，額定有效驅(qū)動(dòng)扭矩可以覆蓋96.6%的塔頂偏航扭矩荷載。這段時(shí)間風(fēng)電機(jī)組共完成26250 次偏航，偏航總時(shí)長占總運(yùn)行時(shí)長的5.6%。即使如此，該風(fēng)電機(jī)組還是出現(xiàn)了偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)和偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 某兆瓦級風(fēng)電機(jī)組實(shí)際發(fā)生的偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 1 Statistical data on actual occurrence of yaw motor locked rotor in a certain megawatt wind turbine

從表1 可以看出：該風(fēng)電機(jī)組發(fā)生了數(shù)次時(shí)長超過3 s 的堵轉(zhuǎn)，甚至發(fā)生過1 次將近14 s 的堵轉(zhuǎn)。

因此僅通過對比外部荷載的大小，即使偏航電機(jī)可以覆蓋很高比例的塔頂偏航扭矩荷載，但仍然不能充分判斷是否會(huì)導(dǎo)致偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障。這是因?yàn)閺那拔姆治隹梢钥吹?，偏航電機(jī)運(yùn)行特性是與一段時(shí)間內(nèi)的外部荷載歷程緊密相關(guān)，而不是與單個(gè)時(shí)刻外部荷載的大小相關(guān)，這是導(dǎo)致偏航電機(jī)狀態(tài)異常和偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障的根本原因。因此，結(jié)合偏航電機(jī)運(yùn)行特性，本文在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于風(fēng)電機(jī)組偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的評估方法，通過補(bǔ)充特定工況的塔頂偏航載荷時(shí)序判斷偏航電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)并統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的堵轉(zhuǎn)時(shí)長，對偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的健壯性進(jìn)行復(fù)核。該方法可應(yīng)用于偏航電機(jī)及偏航系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)和風(fēng)電機(jī)組的項(xiàng)目適應(yīng)性評估。

該風(fēng)電機(jī)組偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力評估方法的具體邏輯為：首先，針對某個(gè)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的塔頂偏航載荷時(shí)序，結(jié)合其中的風(fēng)向信息及具體風(fēng)電機(jī)組的偏航控制策略，可以篩選出發(fā)生偏航動(dòng)作的時(shí)間段。設(shè)該時(shí)間段的塔頂偏航扭矩荷載分別為Mz1、Mz2、…、Mzn(1、2、…、n表示第n個(gè)連續(xù)時(shí)刻點(diǎn))，每兩個(gè)時(shí)刻之間的間隔為Δt。在考慮了偏航軸承和剎車阻尼系統(tǒng)的總摩擦扭矩、偏航系統(tǒng)的從偏航電機(jī)到偏航軸承的總傳動(dòng)比，以及偏航系統(tǒng)的總傳動(dòng)效率之后，對比偏航電機(jī)所能提供的最大有效驅(qū)動(dòng)扭矩Mt,max、有效啟動(dòng)扭矩Mts。通過該方法可以判斷風(fēng)電機(jī)組偏航過程中是否發(fā)生偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)，并可以統(tǒng)計(jì)堵轉(zhuǎn)時(shí)長t、連續(xù)堵轉(zhuǎn)次數(shù)k及每次的堵轉(zhuǎn)時(shí)長tk，從而判定偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)判定邏輯示意圖如圖4 所示。圖中：i代表每個(gè)離散點(diǎn)序號。

圖4 偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)判定邏輯示意圖Fig.4 Logic diagram for determining locked rotor of yaw motor

針對某兆瓦級風(fēng)電機(jī)組實(shí)測的偏航電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速和塔頂偏航扭矩荷載，根據(jù)圖4 的判定邏輯對塔頂偏航載荷時(shí)序進(jìn)行滑移判斷，統(tǒng)計(jì)出邏輯判斷的偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)次數(shù)和堵轉(zhuǎn)時(shí)長，并將其與實(shí)際的偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)長進(jìn)行對比，具體如表2 所示。

表2 某兆瓦級風(fēng)電機(jī)組實(shí)際與邏輯判斷的偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)長對比Table 2 Comparison of locked rotor duration of yaw motor between actual and logic judgment of a certain megawatt wind turbine

從表2 可以看出：基于邏輯判斷，2020 年12 月30 日發(fā)生了兩次分別為0.88 s 和3.78 s 的偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)，但實(shí)際為連續(xù)5.42 s 的偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)，說明邏輯判斷結(jié)果本身在數(shù)值上與實(shí)際情況接近，但在某些特殊時(shí)刻還不能與實(shí)際情況完全一致。實(shí)際與邏輯判斷的結(jié)果非常接近，驗(yàn)證了該評估方法判定邏輯的有效性。因此，基于該邏輯結(jié)合風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的塔頂偏航載荷時(shí)序，可以準(zhǔn)確判斷出偏航電機(jī)的堵轉(zhuǎn)狀態(tài)和相應(yīng)的偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘風(fēng)險(xiǎn)，從而可更為合理地進(jìn)行偏航驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)及偏航電機(jī)選型。

5 結(jié)論

本文對風(fēng)電機(jī)組偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘的故障原因進(jìn)行了分析，建立了塔頂偏航扭矩荷載-偏航電機(jī)運(yùn)行特性-故障特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出了一種適用于風(fēng)電機(jī)組偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的評估方法，并通過實(shí)際風(fēng)電機(jī)組荷載測試及偏航電機(jī)大電流特征下的監(jiān)測對該評估方法進(jìn)行了驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1)偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)計(jì)對于防止偏航電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)乃至發(fā)生偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障非常重要，而僅通過偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力覆蓋一定比例的塔頂偏航扭矩荷載，不能完全防止發(fā)生偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障。

2)偏航電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)及偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)跳閘故障，并不是由某一時(shí)刻的外部荷載大小造成的，而是與偏航電機(jī)運(yùn)行特性密切相關(guān)的一段時(shí)間內(nèi)的外部荷載歷程有關(guān)。一旦外部荷載超過偏航電機(jī)的最大有效驅(qū)動(dòng)能力之后，將會(huì)發(fā)生偏航電機(jī)堵轉(zhuǎn)，但之后外部荷載低于偏航電機(jī)的最大有效驅(qū)動(dòng)能力后并不能讓偏航電機(jī)狀態(tài)回歸正常，而是需要外部荷載降低到偏航電機(jī)啟動(dòng)扭矩以下才可以恢復(fù)。通常這個(gè)過程會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，這是偏航馬達(dá)保護(hù)開關(guān)發(fā)生跳閘的高危時(shí)刻。

3)結(jié)合偏航電機(jī)運(yùn)行特性及偏航系統(tǒng)邏輯提出的適用于風(fēng)電機(jī)組偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的評估方法是根據(jù)塔頂偏航載荷時(shí)序?qū)ζ诫姍C(jī)堵轉(zhuǎn)次數(shù)和堵轉(zhuǎn)時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法，基于該評估方法并結(jié)合實(shí)際風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的可靠性要求，可以更為合理地進(jìn)行偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)計(jì)與偏航電機(jī)的選型，并指導(dǎo)風(fēng)電場項(xiàng)目的定制化開發(fā)，從設(shè)計(jì)和適應(yīng)性分析源頭降低偏航故障發(fā)生的概率，提升風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可靠性。