雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高速剎車閘改進(jìn)對(duì)降低機(jī)組維護(hù)成本的影響

彭定杰

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

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雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高速剎車閘改進(jìn)對(duì)降低機(jī)組維護(hù)成本的影響

彭定杰

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

摘要：文章針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組高速剎車閘在風(fēng)機(jī)控制中的功能進(jìn)行探討，結(jié)合直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組剎車方式，改進(jìn)現(xiàn)有剎車方式以降低機(jī)組維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：高速剎車閘，制動(dòng)，經(jīng)濟(jì)性

0　引言

風(fēng)力發(fā)電是目前世界清潔能源之一，是全球未來發(fā)電的主力軍。近年來，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。隨著國家大力倡導(dǎo)可再生能源，風(fēng)電裝機(jī)容量在不斷地增加，截止到2014年底，全國累計(jì)裝機(jī)容量已經(jīng)突破108kW。隨著時(shí)間的推移，目前進(jìn)入機(jī)組售后期的風(fēng)機(jī)數(shù)量逐漸增加。在保證機(jī)組安全性的前提下，如何降低機(jī)組維護(hù)成本，是風(fēng)機(jī)整機(jī)廠家和客戶都較為關(guān)心的問題。針對(duì)目前雙饋機(jī)組的部分設(shè)計(jì)進(jìn)行功能優(yōu)化，有利于降低機(jī)組維護(hù)成本，提高機(jī)組競爭力。

1　制動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)在該領(lǐng)域有2種路線：雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（簡稱雙饋風(fēng)機(jī)）和永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（簡稱直驅(qū)風(fēng)機(jī)）。采用雙饋技術(shù)的代表企業(yè)為東方風(fēng)電、華銳風(fēng)電等公司。采用直驅(qū)技術(shù)的代表企業(yè)為東方風(fēng)電、金風(fēng)科技、湘電股份等風(fēng)電公司。

2種技術(shù)在制動(dòng)停機(jī)方面主要區(qū)別在于：雙饋風(fēng)機(jī)靠葉片氣動(dòng)剎車和高速剎車閘進(jìn)行制動(dòng)停機(jī)；而直驅(qū)風(fēng)機(jī)靠葉片氣動(dòng)剎車和手動(dòng)維護(hù)剎車閘進(jìn)行制動(dòng)停機(jī)。

根據(jù)“IEC-61400-1第一部分：風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)”的8.4中規(guī)范，風(fēng)機(jī)需要1套以上的制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，其要求第一制動(dòng)系統(tǒng)推薦為氣動(dòng)剎車，如果氣動(dòng)剎車無法作為第一制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，第一制動(dòng)系統(tǒng)需要采用制動(dòng)裝置作用在風(fēng)輪軸上或風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪上。對(duì)于風(fēng)機(jī)第二制動(dòng)系統(tǒng)需提供何種制動(dòng)方式?jīng)]有明確要求。

目前風(fēng)電行業(yè)兆瓦級(jí)以上機(jī)組都采用了變速變槳距控制方式來控制風(fēng)機(jī)功率輸出。變槳距控制方式很容易讓機(jī)組的制動(dòng)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)第一制動(dòng)系統(tǒng)的要求；而第二制動(dòng)系統(tǒng)采用何種制動(dòng)保護(hù)裝置沒有明確要求，各個(gè)風(fēng)機(jī)廠家根據(jù)自身技術(shù)和結(jié)合機(jī)組自身的特點(diǎn)對(duì)第二制動(dòng)系統(tǒng)有不同的設(shè)計(jì)方式。直驅(qū)技術(shù)和雙饋技術(shù)這2種技術(shù)路線機(jī)組所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比如表1所示。

從表1可以看出，直驅(qū)機(jī)組只有通過氣動(dòng)制動(dòng)方式（獨(dú)立控制）來讓機(jī)組轉(zhuǎn)速降低到安全轉(zhuǎn)速內(nèi)，而雙饋機(jī)組除了氣動(dòng)制動(dòng)方式（不一定獨(dú)立控制）外，還在觸發(fā)某些特定故障時(shí)，剎車閘直接作用在高速軸剎車盤上讓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低到安全轉(zhuǎn)速內(nèi)。

高速剎車閘作為機(jī)組安全停機(jī)裝置的重要組成部分，從設(shè)計(jì)理論方面來看，該部件的投運(yùn)頻率會(huì)非常低，只有在機(jī)組出現(xiàn)重大安全故障時(shí)才投入使用，使機(jī)組在最短時(shí)間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，防止機(jī)組出現(xiàn)更嚴(yán)重后果。而在雙饋風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)該部件投運(yùn)頻率非常高，經(jīng)過長期研究分析，高速剎車閘頻繁動(dòng)作是引起機(jī)組安全故障事件頻發(fā)的主要原因，包括國內(nèi)風(fēng)場地形復(fù)雜引起的超速、風(fēng)機(jī)異常震動(dòng)，國產(chǎn)風(fēng)機(jī)零部件的穩(wěn)定性、操作人員因素等方面。

從現(xiàn)有控制方式分析，雙饋機(jī)組的高速剎車閘頻繁運(yùn)行會(huì)造成一系列連鎖問題，主要問題為：

（1）剎車閘片磨損過快，造成維護(hù)成本增加；

（2）齒輪箱瞬間從高速狀態(tài)變成堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，使齒輪箱承受過度沖擊，造成疲勞衰減厲害；

（3）風(fēng)機(jī)機(jī)械部件頻繁承受劇烈振動(dòng)，引起機(jī)械疲勞損傷。

如何防止以上問題出現(xiàn)，降低機(jī)組維護(hù)成本是風(fēng)機(jī)整機(jī)廠家后續(xù)面臨的嚴(yán)峻問題。

2　制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比

從目前制動(dòng)系統(tǒng)方式來看，雙饋機(jī)組的制動(dòng)系統(tǒng)看似更加有利于機(jī)組快速停機(jī)。對(duì)比使用功能，這2種方式能讓機(jī)組完全停止下來的概率幾乎一致，唯一區(qū)別只是機(jī)組轉(zhuǎn)速降低到安全轉(zhuǎn)速下的時(shí)間稍微不一樣而已。但從存在的安全隱患和維護(hù)成本角度來說，雙饋機(jī)組劣勢(shì)較大，詳細(xì)對(duì)比見表2。

表2　制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比

2.1安全性對(duì)比分析

從防止飛車的概率來看，直驅(qū)機(jī)組目前的制動(dòng)系統(tǒng)和雙饋機(jī)組的制動(dòng)系統(tǒng)概率基本一樣。但是使用高速剎車閘作為制動(dòng)保護(hù)裝置的雙饋機(jī)組存在其他的安全風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于直驅(qū)機(jī)組。

極端情況下（風(fēng)速過大），如果風(fēng)機(jī)出現(xiàn)3個(gè)葉片都在零度附近。無論采用氣動(dòng)制動(dòng)還是氣動(dòng)+剎車閘方式制動(dòng)，都無法防止風(fēng)機(jī)飛車的風(fēng)險(xiǎn)。即使剎車閘抱住高速剎車盤，也無法頂住葉輪受風(fēng)速影響的作用力，最后磨完剎車閘片后再飛車，也有可能在沒有飛車前因?yàn)殚l片磨損引起的火災(zāi)燒毀機(jī)組。

對(duì)于采用氣動(dòng)+剎車閘方式制動(dòng)的機(jī)組，在IEC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)制動(dòng)器保護(hù)要求如下：“如果制動(dòng)器能在最小制動(dòng)水平滑動(dòng)至靜止?fàn)顟B(tài)，則當(dāng)制動(dòng)器要維持風(fēng)機(jī)在一個(gè)固定狀態(tài)，制動(dòng)器在湍流風(fēng)時(shí)的滑動(dòng)時(shí)間必須足夠短，以避免過熱、制動(dòng)器性能損傷和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)?！蹦壳半p饋機(jī)組一旦出現(xiàn)觸發(fā)需要?jiǎng)x車閘制動(dòng)的故障時(shí)，剎車閘將立即制動(dòng)于剎車盤上，正常情況時(shí)，可以將葉輪抱死；但當(dāng)出現(xiàn)葉片沒回到暴風(fēng)位置的情況時(shí)，葉輪在風(fēng)的作用力下，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)力一旦出現(xiàn)大于制動(dòng)力時(shí)，將出現(xiàn)剎車閘和剎車盤滑動(dòng)摩擦，如果沒有及時(shí)維護(hù)該故障，該摩擦狀態(tài)會(huì)一直持續(xù)，直至剎車閘磨損完畢，磨損過程中會(huì)出現(xiàn)局部高溫，并存在可能引起火災(zāi)的隱患。

2.2經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

雙饋機(jī)組第二制動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)成本將是直驅(qū)機(jī)組第二制動(dòng)系統(tǒng)的6～12倍，直驅(qū)機(jī)組10年約需1組閘片，雙饋機(jī)組10年約需6～12組閘片。（不包括人工成本和停機(jī)時(shí)間造成的損失）。

目前直驅(qū)機(jī)組采用的第二制動(dòng)系統(tǒng)，除需要維護(hù)機(jī)組時(shí)使用外，一直都不參與機(jī)組制動(dòng)保護(hù)；該裝置的閘片損耗極少，如果機(jī)組穩(wěn)定性高的話，一般10年左右才可能更換一次閘片。

雙饋機(jī)組采用的第二制動(dòng)系統(tǒng)除了需要維護(hù)機(jī)組外，還具有在特定故障下將風(fēng)機(jī)快速停止的功能。高速剎車閘在機(jī)組接到剎車閘動(dòng)作指令時(shí)，剎車閘就立即投入運(yùn)行將剎車盤抱死。如果機(jī)組頻繁出現(xiàn)使用剎車閘停機(jī)的故障，閘片磨損會(huì)非常嚴(yán)重。從目前某采用雙饋技術(shù)整機(jī)廠家投運(yùn)的機(jī)組磨損情況來看，1臺(tái)機(jī)組的剎車片使用壽命一般在2年左右。

目前1臺(tái)機(jī)組年硬件成本為0.2萬元/臺(tái)，人工成本為0.03萬元/臺(tái)，合計(jì)成本為0.23萬元/臺(tái)（硬件成本+人工成本），改造1臺(tái)機(jī)組人工成本為0.06萬元/臺(tái)。若對(duì)機(jī)組進(jìn)行改造，3年質(zhì)保期內(nèi)1臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)約成本為0.21萬元/臺(tái)=（0.23萬元/臺(tái)× 3-0.06萬元/臺(tái)）/3。以1.5 MW機(jī)組，5萬裝機(jī)容量裝配33臺(tái)機(jī)組計(jì)算，年均節(jié)約成本6.93萬元= 0.21萬元/臺(tái)×33臺(tái)。

以上計(jì)算不含制動(dòng)系統(tǒng)其他配套硬件損壞的成本，比如液壓電池閥、制動(dòng)閘片底座等。

2.3對(duì)其余部件的影響

根據(jù)現(xiàn)有雙饋機(jī)組控制策略，若出現(xiàn)最高級(jí)別安全鏈故障時(shí)，不管機(jī)組轉(zhuǎn)速多大，都會(huì)立即投入高速剎車閘對(duì)機(jī)組進(jìn)行制動(dòng)。如果機(jī)組處于額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，葉輪的作用力矩和高速剎車閘的制動(dòng)力矩進(jìn)行相互疊加，此時(shí)齒輪箱內(nèi)部承受近似于2倍的正常負(fù)載力矩，并且該沖擊力瞬間加載在嚙合齒上，多次沖擊加重了嚙合齒的疲勞損傷。如果采用1個(gè)機(jī)械剎車或者沒有軸對(duì)稱布置，還會(huì)產(chǎn)生較大橫向力作用在嚙合齒和軸承上。一旦機(jī)組頻繁出現(xiàn)最高級(jí)別安全故障，該風(fēng)機(jī)的齒輪箱壽命會(huì)比其他機(jī)組壽命短，也會(huì)短于齒輪箱的設(shè)計(jì)壽命。

其余機(jī)組部件在高速閘瞬間制動(dòng)力矩作用下也會(huì)出現(xiàn)一定沖擊力，造成機(jī)組機(jī)械零部件疲勞損壞。

3　改進(jìn)建議

（1）針對(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)3只葉片獨(dú)立變槳的雙饋機(jī)組，建議取消現(xiàn)有高速剎車閘作為停機(jī)的制動(dòng)功能，只在機(jī)組維護(hù)時(shí)使用該剎車閘進(jìn)行機(jī)組維護(hù)停機(jī)（從最經(jīng)濟(jì)和安全的角度考慮）。

（2）針對(duì)未實(shí)現(xiàn)3只葉片獨(dú)立變槳的雙饋機(jī)組，建議修改剎車閘動(dòng)作模式，在最高級(jí)別安全故障出現(xiàn)后，一定時(shí)間內(nèi)3個(gè)葉片角度未回收到一定位置時(shí)，不管此時(shí)轉(zhuǎn)速多少，高速剎車閘立即投入，該控制方式也符合安全認(rèn)證要求（第一制動(dòng)系統(tǒng)失效后，第二制動(dòng)系統(tǒng)投入，沒有要求最高級(jí)別安全故障時(shí)必須同時(shí)2套制動(dòng)系統(tǒng)投入使用）。該方式可以降低高速剎車動(dòng)作在額定轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)機(jī)組齒輪箱的沖擊，也能降低閘片的磨損程度，增加閘片的使用壽命。

（3）為防止發(fā)生火災(zāi)，建議機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速降低到安全轉(zhuǎn)速后，剎車閘自動(dòng)處于松開狀態(tài)。在維護(hù)檢修模式時(shí)，手動(dòng)控制剎車閘制動(dòng)或松開狀態(tài)。

4　結(jié)語

對(duì)于目前雙饋機(jī)組數(shù)量龐大，維護(hù)成本逐漸增加的趨勢(shì)，本文提出的高速剎車閘改進(jìn)方案在實(shí)際風(fēng)場驗(yàn)證后，對(duì)降低機(jī)組維護(hù)成本有很好的經(jīng)濟(jì)效益并增大了機(jī)組市場競爭力。

參考文獻(xiàn)

［1］左然，施明恒，王希麟.可再生能源概論:第一版［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］葉杭治.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

Effect of Improvement of High Speed Brake on Reducing Unit Maintenance Cost for Doubly-fed Wind Turbine

Peng Dingjie
（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:In this paper，the function of the high speed brake in the controlling of the doubly-fed wind turbine is discussed.Combined with the direct-driven wind turbine，the existing brake mode is improved to reduce the unit maintenance cost.

Key words:high speed brake，braking，economy

中圖分類號(hào)：TK262

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9987（2016）02-0064-04

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.015

作者簡介：彭定杰（1981-），男，助理工程師，現(xiàn)主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)服務(wù)、工程技術(shù)工作。