降低4.0MW风机偏航失败等待告警停机率

张宁 袁振 成金鹏 周建磊 丁博

摘  要： 随着海上风电的快速发展，风力发电机组为风电场最重要的发电设备之一，西门子SWT4.0-130型机组频繁报偏航失败等待故障并导致停机直接影响了发电量及风机可利用率，而且海上风电面临运维难度大，设备易损耗，环境多变，海况复杂等现实问题，使得维护成本大大增加，降低4.0MW风机偏航失败等待告警停机率成为急需解决的关键难题，研究风机偏航系统运行原理，改良偏航机械零部件，更新偏航逻辑运算程序算法，优化后台运行系统，提高风机可利用率保障风机健康运行。

关键词： 停机率;偏航逻辑;偏航失败;

1  课题背景：

偏航系统故障是风力发电机常见的故障之一，特别是风向变化频率较高的天气，风机极易报“偏航失败等待”停机故障。等待风机自动复位，平均至少需要5至15分钟时间，更长的甚至能达到45分钟（风向持续变化不定）。而且告警风机自动复位启机后，在风向变化需要偏航时，往往会连续多次报偏航失败等待而导致风机停机故障，该过程累计损失了大量的风机正常运行时间，而值班人员通过SCADA系统后台手动复位极易导致风机产生更高层次的故障“偏航停止”而无法复位，导致机组彻底停运。

该系统由主控发出命令，液压刹车打开后，继电器驱使接触器吸合，偏航电机启动，电机转速通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿圈上，带动机舱偏航对风，当对风完成后，偏航电机停止动作，液压制动器抱死刹车盘，偏航完成。此方式在4.0MW机组运行期间，普遍存在偏航等待故障，风速在8m/s以上时故障频率偏高现象，而高风速又是风力发电的优势资源，因此研究偏航故障问题，对大风天气风机运行效率有重要意义。

2 要因确认

通过右图选取的偏航速度给定、偏航备压、偏航负载、风速，可看出偏航时备压的压力为4Bar，偏航负载在大风的情况下会超过90%，引发偏航变频器过载。偏航给出的是逆时针偏航信号，但机舱的角度却顺时针变大，再加上“偏航失败等待”故障大多发生在大风天。分析原因为：在给出偏航指令后，卡钳不会完全松开，仍有5Bar左右的备压，防止机舱被封吹动，但5Bar的备压较小，机舱在大风天气仍然会被风吹动，满足故障判断条件。刹车盘存在油污，减少了刹车时摩擦力，使刹车系统在偏航变频器启动时没有足够的压力维持机舱角度，满足故障判断条件。按照以上方法分析了剩余11台风机，刹车盘普遍存在油污，减少了刹车时的摩擦力，使刹车系统在偏航变频器启动时没有足够的压力维持机舱角度，且5Bar的备压较小，机舱在大风天气仍然会被风吹动，判断该因素为要因。3 方案实施

3.1 更换偏航备压装置

更换风机偏航备压阀，拍照记录更换过程和更换数量，以下是作业过程：

3.1.1取下 354 空滤;3.1.2如下图松开油管固定螺丝（10mm 内六花套装）;松开油管接头螺母（24mm 叉扳）;3.1.3旋转油管，使油管不再挡住 335 阀;松开入油口处的螺母（19mm 叉扳）;3.1.4旋转直角转接头，使转接头不影响335阀;用27mm套筒接力矩扳手套在335阀上，旋出备压阀。（力矩扳手+27mm套筒）;3.1.5换上9bar的备压阀，按步骤还原油管、空滤，关上泄压阀336，合上偏航液压站开关200F-3，用操作手柄测试风力发电机在偏航过程中液压站连接处是否漏油，如有漏油，则断电、泄压、重新安装。如没有漏油点，则收拾工具，清理油污，完成工作，如右边图。

3.2 优化偏航变频器程序

为了使卡尔曼滤波算法能够在实际测量中发挥最优效果，需要对初始值以及控制参数进行设置，对于研究对象的初始值，系统误差协方差的初始值、系统过程的噪声方差以及系统测量噪声方差，需要根据实际历史数据进行设定。上图是滤波后的风向曲线图，相比于滤波前更为平缓，更符合实际情况。

为保证提升风电机组的偏航控制精度，确保爬山算法的正确运行，在控制参数时就需要进行合理的设置，Ps1为最大功率误差范围，即判定发电机功率波动或功率偏差大小，判断是否需要启动偏航动作。Ps2为偏航误差精度，即判定风电机组偏航动作后发电机输出功率是否处于理想境界最佳功率区间，风电机组偏航控制条件如下图所示。

首先通过超声波传感器对风机外界信息进行测量采集，然后将采集的数据通过信息传输通道，发送至控制器芯片，利用卡尔曼滤波算法进行数据分析，将“预测”结果保存，在偏航动作时进行读取调用， 其次通过控制器芯片对发电机输出功率进行读取检验，当风速、风向发生改变时，根据去噪功能确定偏航动作状态。如若在短时间内风速不变，风向产生频繁变化后依然回到原始风向，则可以利用卡尔曼滤波算法过滤信号，忽略短时间内的风速、风向变化，避免风机疲劳动作，使风机保持同一方向。再根据爬山算法进行功率检测，逐步逼近最优极值，保持最大发电功率。采用爬山算法进行功率精度校验，利用卡尔曼滤波算法进行风向过滤，可以保证在经历短时间、小范围的波动后，风机依然可以处于最佳偏航位置，保證在减少偏航疲劳动作的同时，又能使风电机组捕获最大风能，使风机时刻处于计算后的最佳迎风位置，这样能够显著的提升风机的可利用率以及经济效益。

4 结语

本文主要从课题背景、要因确认、方案实施三方面分析，对偏航系统进行升级优化改造，对比技改前，偏航等待累计停机时间降低94.43%，损失电量降低93.93%，同时降低设备老化，提高可靠性，进而提升风电机组整体安全性能。目前国家正大力发展海上风电，东台海上风电青年创新团队改良的优化方案，降低4.0MW风机偏航失败停机率效果明显且运行稳定。截至目前，单台风机年创造经济效益140多万元。项目还形成了企业实用标准和作业指导书，并已在国网鲁能集团进行推广使用，我们相信，改造优化方案在今后海上风电行业中有较好的发展前景。

参考文献

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