降低4.0MW風(fēng)機(jī)偏航失敗等待告警停機(jī)率

張寧 袁振 成金鵬 周建磊 丁博

摘? 要： 隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為風(fēng)電場最重要的發(fā)電設(shè)備之一，西門子SWT4.0-130型機(jī)組頻繁報偏航失敗等待故障并導(dǎo)致停機(jī)直接影響了發(fā)電量及風(fēng)機(jī)可利用率，而且海上風(fēng)電面臨運(yùn)維難度大，設(shè)備易損耗，環(huán)境多變，海況復(fù)雜等現(xiàn)實(shí)問題，使得維護(hù)成本大大增加，降低4.0MW風(fēng)機(jī)偏航失敗等待告警停機(jī)率成為急需解決的關(guān)鍵難題，研究風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)運(yùn)行原理，改良偏航機(jī)械零部件，更新偏航邏輯運(yùn)算程序算法，優(yōu)化后臺運(yùn)行系統(tǒng)，提高風(fēng)機(jī)可利用率保障風(fēng)機(jī)健康運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 停機(jī)率;偏航邏輯;偏航失敗;

1? 課題背景：

偏航系統(tǒng)故障是風(fēng)力發(fā)電機(jī)常見的故障之一，特別是風(fēng)向變化頻率較高的天氣，風(fēng)機(jī)極易報“偏航失敗等待”停機(jī)故障。等待風(fēng)機(jī)自動復(fù)位，平均至少需要5至15分鐘時間，更長的甚至能達(dá)到45分鐘（風(fēng)向持續(xù)變化不定）。而且告警風(fēng)機(jī)自動復(fù)位啟機(jī)后，在風(fēng)向變化需要偏航時，往往會連續(xù)多次報偏航失敗等待而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)故障，該過程累計損失了大量的風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時間，而值班人員通過SCADA系統(tǒng)后臺手動復(fù)位極易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)產(chǎn)生更高層次的故障“偏航停止”而無法復(fù)位，導(dǎo)致機(jī)組徹底停運(yùn)。

該系統(tǒng)由主控發(fā)出命令，液壓剎車打開后，繼電器驅(qū)使接觸器吸合，偏航電機(jī)啟動，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過同軸聯(lián)接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒圈上，帶動機(jī)艙偏航對風(fēng)，當(dāng)對風(fēng)完成后，偏航電機(jī)停止動作，液壓制動器抱死剎車盤，偏航完成。此方式在4.0MW機(jī)組運(yùn)行期間，普遍存在偏航等待故障，風(fēng)速在8m/s以上時故障頻率偏高現(xiàn)象，而高風(fēng)速又是風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢資源，因此研究偏航故障問題，對大風(fēng)天氣風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率有重要意義。

2 要因確認(rèn)

通過右圖選取的偏航速度給定、偏航備壓、偏航負(fù)載、風(fēng)速，可看出偏航時備壓的壓力為4Bar，偏航負(fù)載在大風(fēng)的情況下會超過90%，引發(fā)偏航變頻器過載。偏航給出的是逆時針偏航信號，但機(jī)艙的角度卻順時針變大，再加上“偏航失敗等待”故障大多發(fā)生在大風(fēng)天。分析原因?yàn)椋涸诮o出偏航指令后，卡鉗不會完全松開，仍有5Bar左右的備壓，防止機(jī)艙被封吹動，但5Bar的備壓較小，機(jī)艙在大風(fēng)天氣仍然會被風(fēng)吹動，滿足故障判斷條件。剎車盤存在油污，減少了剎車時摩擦力，使剎車系統(tǒng)在偏航變頻器啟動時沒有足夠的壓力維持機(jī)艙角度，滿足故障判斷條件。按照以上方法分析了剩余11臺風(fēng)機(jī)，剎車盤普遍存在油污，減少了剎車時的摩擦力，使剎車系統(tǒng)在偏航變頻器啟動時沒有足夠的壓力維持機(jī)艙角度，且5Bar的備壓較小，機(jī)艙在大風(fēng)天氣仍然會被風(fēng)吹動，判斷該因素為要因。3 方案實(shí)施

3.1 更換偏航備壓裝置

更換風(fēng)機(jī)偏航備壓閥，拍照記錄更換過程和更換數(shù)量，以下是作業(yè)過程：

3.1.1取下 354 空濾;3.1.2如下圖松開油管固定螺絲（10mm 內(nèi)六花套裝）;松開油管接頭螺母（24mm 叉扳）;3.1.3旋轉(zhuǎn)油管，使油管不再擋住 335 閥;松開入油口處的螺母（19mm 叉扳）;3.1.4旋轉(zhuǎn)直角轉(zhuǎn)接頭，使轉(zhuǎn)接頭不影響335閥;用27mm套筒接力矩扳手套在335閥上，旋出備壓閥。（力矩扳手+27mm套筒）;3.1.5換上9bar的備壓閥，按步驟還原油管、空濾，關(guān)上泄壓閥336，合上偏航液壓站開關(guān)200F-3，用操作手柄測試風(fēng)力發(fā)電機(jī)在偏航過程中液壓站連接處是否漏油，如有漏油，則斷電、泄壓、重新安裝。如沒有漏油點(diǎn)，則收拾工具，清理油污，完成工作，如右邊圖。

3.2 優(yōu)化偏航變頻器程序

為了使卡爾曼濾波算法能夠在實(shí)際測量中發(fā)揮最優(yōu)效果，需要對初始值以及控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對于研究對象的初始值，系統(tǒng)誤差協(xié)方差的初始值、系統(tǒng)過程的噪聲方差以及系統(tǒng)測量噪聲方差，需要根據(jù)實(shí)際歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。上圖是濾波后的風(fēng)向曲線圖，相比于濾波前更為平緩，更符合實(shí)際情況。

為保證提升風(fēng)電機(jī)組的偏航控制精度，確保爬山算法的正確運(yùn)行，在控制參數(shù)時就需要進(jìn)行合理的設(shè)置，Ps1為最大功率誤差范圍，即判定發(fā)電機(jī)功率波動或功率偏差大小，判斷是否需要啟動偏航動作。Ps2為偏航誤差精度，即判定風(fēng)電機(jī)組偏航動作后發(fā)電機(jī)輸出功率是否處于理想境界最佳功率區(qū)間，風(fēng)電機(jī)組偏航控制條件如下圖所示。

首先通過超聲波傳感器對風(fēng)機(jī)外界信息進(jìn)行測量采集，然后將采集的數(shù)據(jù)通過信息傳輸通道，發(fā)送至控制器芯片，利用卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將“預(yù)測”結(jié)果保存，在偏航動作時進(jìn)行讀取調(diào)用， 其次通過控制器芯片對發(fā)電機(jī)輸出功率進(jìn)行讀取檢驗(yàn)，當(dāng)風(fēng)速、風(fēng)向發(fā)生改變時，根據(jù)去噪功能確定偏航動作狀態(tài)。如若在短時間內(nèi)風(fēng)速不變，風(fēng)向產(chǎn)生頻繁變化后依然回到原始風(fēng)向，則可以利用卡爾曼濾波算法過濾信號，忽略短時間內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向變化，避免風(fēng)機(jī)疲勞動作，使風(fēng)機(jī)保持同一方向。再根據(jù)爬山算法進(jìn)行功率檢測，逐步逼近最優(yōu)極值，保持最大發(fā)電功率。采用爬山算法進(jìn)行功率精度校驗(yàn)，利用卡爾曼濾波算法進(jìn)行風(fēng)向過濾，可以保證在經(jīng)歷短時間、小范圍的波動后，風(fēng)機(jī)依然可以處于最佳偏航位置，保證在減少偏航疲勞動作的同時，又能使風(fēng)電機(jī)組捕獲最大風(fēng)能，使風(fēng)機(jī)時刻處于計算后的最佳迎風(fēng)位置，這樣能夠顯著的提升風(fēng)機(jī)的可利用率以及經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

本文主要從課題背景、要因確認(rèn)、方案實(shí)施三方面分析，對偏航系統(tǒng)進(jìn)行升級優(yōu)化改造，對比技改前，偏航等待累計停機(jī)時間降低94.43%，損失電量降低93.93%，同時降低設(shè)備老化，提高可靠性，進(jìn)而提升風(fēng)電機(jī)組整體安全性能。目前國家正大力發(fā)展海上風(fēng)電，東臺海上風(fēng)電青年創(chuàng)新團(tuán)隊改良的優(yōu)化方案，降低4.0MW風(fēng)機(jī)偏航失敗停機(jī)率效果明顯且運(yùn)行穩(wěn)定。截至目前，單臺風(fēng)機(jī)年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益140多萬元。項(xiàng)目還形成了企業(yè)實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)指導(dǎo)書，并已在國網(wǎng)魯能集團(tuán)進(jìn)行推廣使用，我們相信，改造優(yōu)化方案在今后海上風(fēng)電行業(yè)中有較好的發(fā)展前景。

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