直驱式风机偏航控制系统优化

王庭博

(福建平潭大唐海上风电有限责任公司，福建 福州 350400)

0 前言

某风场装有14 台湘电风能的XE82-2000 型风机，额定功率2 000 kW，额定风速12 m/s，切入风速3 m/s，切出风速25 m/s。风机偏航采用5台交流电机驱动，机舱制动采用偏航电机自带的刹车制动和液压站提供的液压制动，采用成都雷奥的LE2152 型风速仪和LE2162 型风向标。受选址影响，某台风机风向不稳定，频繁偏航，液压系统密封圈频繁损坏造成液压油泄漏或偏航电机损坏等，因此需对偏航系统进行优化。

1 偏航系统

1.1 基本原理

XE82-2000 风机采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使风轮始终处于迎风状态，以充分利用风能，提高发电效率。偏航系统由偏航电机、偏航减速器、偏航轴承及偏航制动器组成。偏航电机、偏航减速器构成偏航驱动，同时驱动机舱、风轮、发电机，使之迎面向风。偏航刹车采用液压控制摩擦片刹车，提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。

优化后的偏航控制系统，可对偏航的路径选择进行智能判断，确保机组在风速较小的状态下，可自行解缆，从而避免了高风速段偏航解缆造成的发电量损失。

1.2 机械结构

(1) 偏航驱动。在偏航驱动部件中，偏航电机为电磁制动三相异步电动机；偏航减速器采用四级行星减速机构，具有寿命长、功率大、体积小的特点。

(2) 偏航轴承。采用四点接触球轴承，以增加整机的运转平稳性，增强抗冲击载荷能力。风机机舱通过偏航轴承采用内齿圈结构，可以在360°范围内转动，跟踪风向。

(3) 偏航制动器。XE82-2000 风机采用16 台制动器，安装在机舱内部。偏航刹车时，液压系统提供18 MPa 压力使刹车片紧压在偏航轴承内圈上提供制动力；偏航时保持1.8 MPa 余压，产生一定的阻尼力矩，使偏航运动更加平稳，减小机组振动。

1.3 控制逻辑

由可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)采集风向标数据并对风向标数据进行25 s 的分析，若风向标数据值与机舱的角度偏差超过15°，风机就会启动偏航系统，直至5 s 风向标数据与机舱方位角度差小于2°时停止偏航。

当启动偏航时，首选释放液压系统的刹车压力，当压力小于5 MPa 时，发送偏航命令。按照设计，偏航电机刹车和动力电源命令由2 个数字输出控制，分别发出左、右偏航命令，电机启动继电器和松闸继电器同时接受命令，而电机刹车松闸动作更快，故对电机启动载荷基本无影响。

2 偏航系统运行情况分析

2.1 偏航运行情况统计

自投运至2020-06-30，该风电场风机运行天数、总偏航次数、日平均偏航次数及偏航刹车片与制动缸更换情况可参考表1。

表1 偏航运行情况统计

从表1 可知，该风场风机日偏航次数保持两位数，偏航前3 位的分别是W6，W7 和W4，其中W6 风机日偏航最多达到102 次，W7, W4 风机分别达到76 次、74 次，W9 风机日偏航最少，为33次；刹车片更换量前3 位的是W6，W7 和W1 风机，其中更换最多的是W6 风机，达到39 块，W7，W1 风机分别更换了20 块、19 块；制动缸更换量前3 位的是W6，W7 和W14，分别更换了26 个、14 个和11 个。

结合风场历史运营记录来看，W1，W5，W6和W7 风机风速及风向变化较大。

2.2 风机运行工况分析

以W6 风机为例，以W13 风机为参照，分析W6 风机的运行工况。

(1) 风速与风向对比。W6 与W13 风机近2 个月风速与风向情况如图1 所示，可知W6 风机在风速比W13 风机小的情况下，风速变化率更高。

图1 W6 与W13 风机风速对比

风向对比。W6 与W13 风机风向情况如图2所示，风机风向基本一致，但W6 风机变化更频繁。

图2 W6 与W13 风机风向对比

偏航次数与风向风速的关系。以近2 个月每6 h 一组数据为例分析W6 号风机的偏航次数与风向、风速的关系，分别如图3, 4 所示。

图3 W6 风机偏航次数与风向关系

从图3 和4 可知，W6 风机偏航次数与风速成正比关系，在风速波动大时偏航次数相应增加；在风向频繁变动时段，偏航次数显著增加；北风时段偏航次数增加，南风时段偏航次数较少。

图4 W6 风机偏航次数与风速关系

3 偏航优化建议

结合其他风场湘电风机偏航优化策略，建议对本风场W1，W5，W6 和W7 风机偏航系统进行以下优化。

(1) 增加偏航阻尼压力监测，将风机偏航阻尼压力设置在一定范围值内，使得风机带一定阻尼压力偏航，防止偏航速度过快造成机械性窜动。

(2) 当风机报T224 偏航保护空开跳闸故障时，应保证偏航电机电磁制动器处于不制动状态。

(3) 对偏航电机电磁制动和偏航液压刹车制动进行延时抱闸设定，避免风机在未停止偏航情况下就进行制动。

(4) 针对现有偏航启动策略为25 s 风向标数据与机舱方位偏差大于15°时进行对风偏航，5 s 风向标数据与机舱方位差小于2°时停止偏航的情况，可采取统一偏航启动与偏航停止的风向滤波常数并提高至30 s 等策略，尽可能减少偏航次数，但这类策略对风机发电量有一定影响。