風機滑動偏航系統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

翟永杰等

摘 要： 為了掌握滑動式偏航系統(tǒng)的運行特性，揭示風機偏航系統(tǒng)故障的原因，設計了一套基于LabVIEW的風機偏航數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對某風電廠的偏航系統(tǒng)進行長達3個月的在線監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)運行中的一些問題，如：4個電機功率不一致，差值較大，并均存在波動；在偏航過程中，偏航系統(tǒng)的振動比較平緩，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。

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

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

風力發(fā)電機通過偏航系統(tǒng)及時調(diào)整葉輪平面，使之與風向垂直，正面迎風，從而最大程度地利用風能，提高工作效率。偏航系統(tǒng)的正常運行與否直接影響了發(fā)電機組的功率以及風電場的效益，是風電機組最為重要的控制系統(tǒng)之一。偏航系統(tǒng)目前主要分為滑動偏航和滾動偏航。滾動偏航系統(tǒng)相比于滑動偏航系統(tǒng)，對風機軸承要求較高，運行維護成本較高，并有一定的維護難度。

某風電廠有50 kW·h以上的風機采用滑動軸承偏航系統(tǒng)，在經(jīng)過幾年的運行后，偏航系統(tǒng)故障問題非常突出，主要表現(xiàn)在偏航減速機損壞、驅動電機燒損、偏航齒折斷、滑板斷裂等，為了掌握滑動式偏航系統(tǒng)的運行特性，揭示風機偏航系統(tǒng)故障的原因，本文以V80機型的偏航系統(tǒng)作為研究對象，設計基于LabVIEW的風機偏航數(shù)據(jù)采集在線監(jiān)測系統(tǒng)，獲取風機在不同載荷、不同風速、不同出力、不同環(huán)境溫度下的偏航系統(tǒng)受力情況，并對數(shù)據(jù)進行分析，從而針對性的設計維護和調(diào)整方案，減少偏航系統(tǒng)故障的產(chǎn)生，提高風電廠效益。

1 風機滑動偏航系統(tǒng)

1.1 偏航系統(tǒng)的組成與分類

風力機是風力發(fā)電系統(tǒng)里進行能量轉換的重要部分。風力機借風輪葉片吸收空氣中的動能，捕獲的動能經(jīng)由風輪旋轉轉化為機械能。偏航系統(tǒng)也稱為調(diào)向系統(tǒng)，是水平軸風力機不可缺少的部分[1]。風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)主要分為滾動式偏航系統(tǒng)和滑動式偏航系統(tǒng)，其中滑動式偏航系統(tǒng)一般由偏航控制系統(tǒng)、偏航機構、扭纜保護裝置三部分組成，而偏航機構由偏航電機、偏航減速機、偏航齒輪、偏航爪組成，如圖1所示。

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

1.2 偏航系統(tǒng)的功能

偏航控制系統(tǒng)主要有3個功能和作用：

（1） 正常運行時自動對風。工作原理為：通過風向傳感器將風向的變化傳送到偏航電機控制回路的處理器中，經(jīng)過判斷決定偏航的方向和角度，最終達到對風目的。當對風結束以后，風傳感器失去電信號，電機停止工作，偏航過程結束。

（2） 扭纜時自動解纜。當風機到達其規(guī)定的解纜角度時，控制系統(tǒng)對其進行自動解纜，此時風力發(fā)電機立刻剎車停機，然后啟動偏航電機驅動機艙向相反方向旋轉，使機艙處于電纜無纏繞狀態(tài)。風力發(fā)電機設置了一個極值角度以防止出現(xiàn)故障時自動解纜未動作，在扭纜到達這個極值角度時，扭纜保護器動作，剎車停機，報扭纜故障，等待人工解纜。

（3） 失速保護時偏離風向。當有特大強風發(fā)生時，停機，釋放葉尖阻尼板，槳距調(diào)到最大，偏航90°側風，以保護風輪免受損壞[2]。

2 偏航系統(tǒng)特性在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

根據(jù)偏航系統(tǒng)分析的需要，監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)偏航電機功率監(jiān)測、偏航機構滑板壓力監(jiān)測、偏航爪振動監(jiān)測、偏航噪聲監(jiān)測、偏航速率監(jiān)測等功能。同時要求在線監(jiān)測系統(tǒng)對風機偏航系統(tǒng)運行過程中的各參數(shù)的檢測與保存，實時掌握偏航系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對潛在的故障進行預警，對保存的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的分析和整理，總結受力、溫度、風速對偏航系統(tǒng)的影響，從而為各種復雜情況下的穩(wěn)定運行提供支持。

2.1 設計思路與原理

本文利用LabVIEW程序設計軟件與數(shù)據(jù)采集器、傳感器相結合，設計了一套風力發(fā)電機滑動式偏航系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，采集過程從偏航電機開始運轉到偏航結束。主要思路是通過采集各偏航電機的電流、電壓數(shù)值，利用三相電機功率計算各電機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)結構框圖如圖2所示。

2.2 硬件及軟件設計

根據(jù)檢測的要求，需要對偏航過程中的各項數(shù)據(jù)進行檢測和保存。經(jīng)過對比，選定的硬件包括：工控一體機、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)設計主要采用LabVIEW程序設計軟件來實現(xiàn)上位機監(jiān)控程序的設計。并進行模塊化程序設計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測與分析等功能，其中后臺數(shù)據(jù)采集及上傳軟件如圖3所示，數(shù)據(jù)自動保存軟件如圖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來創(chuàng)建程序（通過連線把函數(shù)節(jié)點連接起來，數(shù)據(jù)就是在這些連線上流動的）[3]，被工業(yè)界、學術界和研究實驗室廣泛地所接受，視為一個標準的數(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

通過風機偏航在線監(jiān)測系統(tǒng)，在現(xiàn)場進行了實際調(diào)試和應用，該系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行3個多月，掌握了偏航系統(tǒng)中4個偏航電機功率和偏航爪處的振動情況，得到了大量的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)運行中存在以下問題（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)進行說明）：

（1） 4個偏航電機在偏航過程中，功率并不一致，最大差值接近18%，偏航時3號偏航電機是4個偏航電機出力最大的電機的次數(shù)較多，這與風機偏航過程中偏航齒圈的摩擦狀態(tài)有關，說明3號偏航電機處偏航爪摩擦較大。如圖5所示（2014年10月24日21時34分25秒的電機功率監(jiān)測圖）。

（2） 偏航過程中，各偏航電機的功率存在波動，4個偏航電機出現(xiàn)波峰和波谷的時間是一致的。如圖5所示。

（3） 偏航過程中，偏航電機功率都是逐步增加到最大值，這與風機載荷計算時，偏航開始時，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，偏航電機功率都小于偏航電機的額定功率2.2 kW，為圖中水平黑線。但是存在個別偏航過程偏航電機瞬時過載現(xiàn)象，如圖6所示，4號偏航電機瞬時功率超過額定功率。

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

（6） 在偏航系統(tǒng)啟停時，偏航系統(tǒng)振動較大，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)各個方向的振動幅度并不完全一致，同時振動穩(wěn)定時，[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]方向的振動幾乎不受偏航速度、偏航角度及湍流強度的影響，[y，z]方向的振動幅值在湍流條件下會產(chǎn)生較大的波動，如圖8所示。

3.2 運行規(guī)律與建議

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

（1） 應對偏航電機增加過載保護裝置。在偏航過程中，偏航系統(tǒng)承受了巨大的偏航力矩，且由于采用滑動偏航軸承，偏航系統(tǒng)也會承受較大的偏航摩擦阻尼，偏航軸承摩擦狀態(tài)復雜，很難保證各偏航爪摩擦狀態(tài)一致，因此4個偏航電機在偏航中出力存在不一致的現(xiàn)象。為了減少偏航電機及減速機嚴重故障的發(fā)生，應為偏航電機或偏航減速機增加扭矩保護裝置，限制偏航系統(tǒng)的超載，對超過安全載荷的偏航載荷，進行保護，保證系統(tǒng)運行的安全可靠。

（2） 加強對偏航軸承狀態(tài)的維護。定期對偏航齒面清潔情況、偏航爪緊固力矩、偏航爪間隙進行檢查與維護，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)運行的可靠性。

（3） 對偏航電機的啟動方式進行改進。從啟動過程功率曲線來看，偏航電機在全壓起動過程中存在起動沖擊電流，起動過程電流和轉矩的震蕩劇烈，同時由于起動應力較大，加劇機械結構磨損，使負載設備的使用壽命降低。在停機時，偏航電機突然失去轉矩，靠系統(tǒng)的摩擦轉矩克服系統(tǒng)的慣性滑行停車，會對電機造成較大的機械故障。因此可采用軟啟動方式進行偏航電機起動。

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

4 結 論

本文通過基于LabVIEW的偏航數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對偏航系統(tǒng)中的4個電機參數(shù)進行在線監(jiān)測，全面了解偏航系統(tǒng)的工作過程，準確掌握了不同環(huán)境下的運行規(guī)律。主要采集的數(shù)據(jù)為電機的加速度、功率等多種參數(shù)。通過對數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)存在偏航電機功率不一致、運行過程中功率不穩(wěn)定等問題，建議在以后的運行過程中，增加對偏航電機過載保護裝置，改進偏航電機的啟動方式，加強對偏航軸承的維護，從而減少故障發(fā)生的可能，提高風力發(fā)電廠經(jīng)濟效益。

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