一種風電機組偏航振動故障的診斷與分析*

高俊云

(太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024)

0 引言

偏航系統(tǒng)是現(xiàn)代大型風電機組的主要構成之一，是連接機艙與塔筒的重要部件。偏航系統(tǒng)的主要作用是保持風輪對風，提高風能捕獲效率以及機艙發(fā)生扭攬時通過反向轉動進行解攬。

從工作原理區(qū)分，偏航系統(tǒng)分為主動偏航和被動偏航。目前，主流的上風向水平軸風電機組均采用主動偏航系統(tǒng)，當風輪方向與風向偏差超過一定角度時，主控系統(tǒng)啟動偏航驅動，使風輪方向與風向保持一致。由于偏航系統(tǒng)結構緊湊、維修成本高、占用時間長，因此對偏航系統(tǒng)的可靠性提出了極高的要求。

但根據(jù)風電場運維數(shù)據(jù)等相關資料統(tǒng)計，偏航系統(tǒng)故障為年均發(fā)生故障次數(shù)與單位容量年損失電量的前三位。特別是隨著采用長葉片、大功率機組的低風速風場的開發(fā)，風電機組偏航系統(tǒng)承受的載荷更為惡劣，增加了故障發(fā)生的概率。近年來，對風電機組偏航系統(tǒng)故障診斷的研究不斷受到主機制造商和相關研究機構的重視，偏航系統(tǒng)故障機理、診斷方法等成為主要的研究重點。鄧子豪等[1]分析了風電機組偏航系統(tǒng)結構的特點，并對電機驅動型主動偏航系統(tǒng)故障類型及對應的故障機理、常用的故障診斷技術及方法的研究進展進行了綜述；王朝東等[2]針對風電機組偏航系統(tǒng)在偏航過程中出現(xiàn)的振動超標、噪聲過大問題進行了研究，結合有限元分析，提出了解決方案；趙麗軍等[3]針對風輪質量不平衡和氣動不平衡兩種現(xiàn)象引起的機組不平衡載荷情況，通過GH Bladed風電機組載荷仿真軟件，對塔筒頂部的機械載荷變化及振動時域特性進行了分析；張羽[4]對風電機組葉片不平衡的原因及導致機艙振動的檢測等進行了研究。本文通過現(xiàn)場測試，結合理論和仿真分析，對一種偏航系統(tǒng)振動故障進行了診斷分析，找到了產生異常振動的原因。

1 故障現(xiàn)象描述

某風場一臺2 MW風電機組，在發(fā)電過程中發(fā)生了機艙前后方向晃動過大、偏航系統(tǒng)打滑、偏航驅動損壞等一系列故障，即使采取限功率措施，仍然存在機艙晃動較大、偏航打滑、偏航速度不穩(wěn)定的故障，導致機組無法正常發(fā)電。

2 故障原因初步診斷分析

如果機組傳動鏈上的軸承、齒輪箱、發(fā)電機等存在故障、機組控制參數(shù)不當?shù)?，都可能引起機艙振動過大，但其對偏航系統(tǒng)影響較小。由于故障發(fā)生點在偏航系統(tǒng)，且產生了偏航打滑的異?，F(xiàn)象，而通過檢查，發(fā)現(xiàn)偏航制動器壓力以及與制動盤接觸均正常，說明偏航系統(tǒng)在正常發(fā)電過程中產生了超過制動力矩的非正常偏航轉矩。找到產生這一非正常載荷的原因，成為解決這一問題的關鍵。

3 偏航產生的振動測試

對偏航過程中塔筒頂部前后方向和左右方向產生的振動速度進行測量，測量結果如圖1所示。可見，正常發(fā)電過程中由于偏航系統(tǒng)的振動和滑移，使得塔筒頂部產生了非常大的不穩(wěn)定振動，且具有很大的波動性。前后方向的振動速度最大值為128.6 mm/s，約為左右方向振動水平的2倍，遠遠超過了正常振動水平。

4 理論分析

風電機組的載荷主要來源于風輪葉片。根據(jù)空氣動力學原理，三只葉片所受載荷可以分別等效為風輪面外軸向推力Fx1、Fx2、Fx3和風輪面內切向力Ft1、Ft2、Ft3，如圖2所示。其中，風輪面外軸向推力產生偏航轉矩，并使塔筒產生傾覆彎矩載荷，風輪面內的切向力則主要產生風輪轉矩[5]。

偏航轉矩Mz主要由風輪面外軸向推力Fx1、Fx2、Fx3產生，見式(1)：

(1)

其中：a1、a2、a3為三個葉片軸向力作用點到風輪中心的距離；ω為風輪轉動角速度；t為風輪轉動時間。

不考慮風切變和葉片制造誤差的影響時，若葉片三個槳距角相同，三個葉片具有相同的氣動特性，則有Fx1=Fx2=Fx3和a1=a2=a3。由式(1)可求得偏航轉矩Mz=0。但是，若三個葉片槳距角出現(xiàn)偏差，即三個槳距角不同時，各葉片的氣動特性就有所不同，圖3為不同槳距角對應的推力系數(shù)曲線。當槳距角增大時，葉片的推力系數(shù)明顯減小，這種風輪氣動不平衡現(xiàn)象在三只葉片之間產生推力差，隨著風輪的不斷轉動會造成偏航轉矩的劇烈波動，對偏航機構產生沖擊載荷。當這一推力差產生的附加偏航轉矩動載荷超過偏航制動器的摩擦轉矩時，就會發(fā)生偏航滑移的故障，同時還會造成機組發(fā)電功率下降，振動過大和載荷增加。

5 仿真分析及故障識別

采用DNV Bladed軟件，對穩(wěn)態(tài)風速(10 m/s)下，葉片1槳距角分別為0°、5°、10°，葉片2、葉片3槳距角為0°，即葉片1與葉片2、葉片3槳距角誤差分別為0°、5°、10°三種工況進行仿真，仿真結果見圖4、圖5。

圖3 不同葉片槳距角對應的推力系數(shù)曲線圖4 不同葉片槳距角誤差產生的偏航轉矩圖5 不同葉片槳距角誤差產生的機艙前后振動速度

通過對葉片不同槳距角誤差工況的仿真，表明隨著葉片槳距角誤差的加大，機艙前后方向振動、偏航扭矩Mz等的幅值及波動顯著增加，會使機組產生較大的附加疲勞載荷，影響機組的穩(wěn)定運行。

基于理論分析及仿真結果，對機組三只葉片槳距角進行了仔細檢查。發(fā)現(xiàn)一只葉片由于0°標記誤差及現(xiàn)場標定誤差，槳距角存在約10°的偏差。對葉片槳距角重新進行校準調整后，偏航故障消除，機組運行恢復正常。

6 結論

基于現(xiàn)場測試、理論分析和仿真分析，對一種由葉片槳距角誤差造成的偏航系統(tǒng)故障進行了診斷。產生這一故障的本質是葉片槳距角偏差造成的風輪氣動不平衡，在偏航機構產生了不正常的偏航轉矩，其幅值和波動都遠遠超出了正常范圍。由于風電機組是一個剛柔耦合的多體動力學系統(tǒng)，特別是機組運行工況的多樣性及機組控制對機組運行狀況和載荷影響的復雜性，使得風電機組故障診斷需要綜合考慮多方面的因素。因此，必須采用多工況對比、多信號融合的分析方法，才能達到滿意的故障診斷效果。