摘要：风机偏航控制作为风电机组关键技术环节，对风电机组安全、经济运行具有重要作用。该文介绍了福家田风电场风力发电机偏航系统的结构原理，分析了偏航系统运行过程中的振动故障现象及处置方法。
关键词：风力发电机；偏航系统；控制策略
前言
偏航系统作为风机关键技术环节，在远程控制界面、现地主控柜、机舱柜均可进行风机偏航操作。加强对风机偏航系统关键环节动作原理及控制逻辑的了解，完善偏航系统故障分析，建立规范的远控处理方式，对远程集控运营的风电场提升风机运行质量，减少风机故障停机时间，提高风能利用效率，保障人身安全与风机安全具有重要意义。
1风机偏航系统主要作用及工作原理
1.1主要作用
1)根据风速风向仪的传感器检测，调节机舱风轮对风位置，使风轮自动对准风向，提高风机发电效率。
2)偏航液压刹车系统对运行风机提供必要的锁紧力矩，并吸收振动，保证风机安全运行。
3)避免风机持续朝一个方向偏航，保证风机悬垂电缆不产生过度扭绞损坏，在电缆达到设计缠绕值时，能自动解除缠绕。
1.2工作原理
1.2.1风机自动偏航动作过程
1)风机的风速风向以绝对正北方向作为基准传感信号，在运行过程中，当风速风向发生变化，风速风向传感器将风速风向变化状态分别转换成弱电信号传给PLC。同时机舱位置传感器也将机舱位置及位置变化信号转换成弱电信号传给PLC，通过进行函数计算确定风向标与机舱夹角(简称风向角)。
2)PLC根据风向角差值发出偏航指令。
3)当风向角等于0°(或360°)时，表明机舱已处于准确对风位置，若5s内风向角处于－15°～15°，属于风向最优正常运行范围，偏航系统不做任何调节。
4)当风向角大于15°或小于－15°限值时，延时20s，若风向角仍然处于持续超限，根据风向角差值进行函数计算，给出偏航指令，实现PID偏航调节。
5)为了有效地防止风机出现电缆缠绕，当风向角大于180°时，机舱顺时针自动对风偏航;当风向角小于180°时，机舱逆时针自动对风偏航(机舱6)偏航电机启动同时，偏航计时器也进行计时启动，若在偏航电机运转规定时间(按偏转360°时间整定)内，机舱对风正常，向中心控制器发出自动偏航完成信号，并复位自动偏航标志位;若计时器的计算时间超过偏转360°所需时间，偏航电机仍未停止工作，则停止偏航，向中心控制器发出安全停机信号和风向标故障信号。
7)偏航动作完成后，偏航动作时阻尼力矩半刹车状态4.5～5.0MPa液压迅速恢复至制动状态15～17MPa压力，以提供足够制动力矩，确保刹车片紧压在刹车盘上。
1.2.2自动解缆控制过程
1)在偏航调节过程中，机舱带控制信号的角位移传感器负责检测记录偏航系统旋转角度。
2)当机舱旋转位移角度上限达到540°或下限达到－540°，且发电机输出功率小于100kW及风速小于5m/s状态下，则机组停机功能动作，停机，实施停机解缆动作。
3)当机舱旋转位移角度上限达到648°或下限达到－648°，且发电机输出功率小于400kW时，则机组停机功能动作，停机，实施停机解缆动作。
4)当机舱旋转位移角度上限达到756°或下限达到－756°时，则机组停机功能立刻动作，停机，实施停机解缆动作。
2偏航余压动态控制
2.1基本原理
偏航余压的动态调节通过偏航液压站中马达、管路以及阀块作用实现。
其基本控制原理如下:
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1．油温传感器;2．偏航电机;3．驱动泵站;4．过滤器;5．单向阀;6．蓄能器;7．压力开关;8．溢流阀;
9．电磁换向阀;10．溢流阀;11．电磁阀;12．节流阀;13．活塞．
图1偏航控制原理
偏航电机(2)驱动泵站(3)的油液经过滤器(4)、溢流阀(8，其中超过16MPa溢流)进入电磁换向阀(9)位置，此时因电磁阀(11)处于右位，在偏航液压站马达驱动下偏航卡钳靠压力锁紧机舱与塔筒连接处，保证机组在风载下不发生被动偏航。卡钳处压力大于16MPa时，压力开关(7)动作，主控下发指令停止偏航液压站建压，维持机组在16MPa下的制动压力实现全压制动．在机组对风偏航时，电磁换向阀(9)切换阀块位置，活塞(13)中油液经溢流阀(10)维持1.5MPa的偏航余压，保证偏航过程中机组的稳定性．但机组零压解缆偏航时，电磁阀(11)切换至左位，此时油液直接回油箱，机组偏航制动处压力为零，维持零压偏航。通过上述原理可见，机组的控制中仅靠溢流阀(10)维持1.5MPa的偏航余压，并未对偏航余压阀的动作时间做限制，而电磁换向阀(9)可受控，因此偏航卡钳处的余压可通过设定电磁换向阀(9)的开启时间长短来进行余压限制．故机组偏航余压动态控制可以通过时间设定，维持偏航卡钳在合理的余压水平下，保证在偏航动作前、动作过程中以及偏航结束后，机组偏航稳定且偏航电机与偏航轴承齿间无频繁撞击磨损。
2.2控制方法
机组的偏航卡钳由泵站压力推动活塞实现偏航刹车片的夹紧，通过摩擦片产生的摩擦力实现机舱的稳定。当泄压时，卡钳内部弹簧实现活塞的复位。为了保证偏航余压至少为1.5MPa，弹簧复位时最小弹力大于余压阀给定的油液压力。在余压偏航动作开始，瞬时加速度最大，速度最小，单位时间内其位移也最小，导致产生的压强差ΔP变小;在活塞到达止位，余压阀作用下压力最小为1.5MPa，因受活塞位置限值，在接近活塞最大位移时，瞬时加速度接近0，速度最大，单位时间内位移最大，导致产生的压强差变大。一般情况下，机组卡钳余压的摩擦力矩足以克服小风条件下风载，但大风下因余压不足会出现不同程度机舱“跑飞”情况。因此，为了满足风机在整个运行风速区间内都能够保证机组的平稳偏航并避免振动类故障的发生和机舱“跑飞”情况，需要对实际风速进行采集分析，研究不同风速下的余压控制时间及偏航余压阀开启时间，实现对偏航余压阀余压的控制。一般风速8m•s－1左右机组会出现变桨动作，若此时偏航会出现“爬行”现象，不仅机舱会存在较大的加速度冲击，叶轮加速度出现跳变，而且偏航齿圈外齿和偏航电机减速器外齿啮合处会产生机械冲击，导致外齿磨损加剧，增加了偏航轴承和偏航电机的疲劳载荷，降低了使用寿命，严重时会发生断齿情况。而22m•s－1风速时机组出于保护一般会脱网，执行安全停机．此时桨距角处于顺桨状态，机组偏航载荷以及整机载荷较小，不需要考虑余压阀的时间控制．故在8～22m•s－1风速区间内，余压阀响应的时间最长为1s，据此构建风速－时间曲线。在风速大于8m•s－1时余压阀开启时间T0小于1s，使得偏航余压值大于余压阀溢流值1.5MPa，卡钳处余压不完全释放，实现了动态余压控制。机组偏航完成后，根据风速变化情况，当处于大风条件时，主控根据是否有偏航指令调整不同风速下余压阀开启时间，这个开启时间作为下次偏航时偏航余压响应时间;当风速变小时，主控给定余压阀一个延时时间大于5s的T1，使得卡钳完全释放以保持1.5MPa的偏航余压，下次偏航时继续前述的判定逻辑。
参考文献：
[1]曾声奎,吴际.故障预测与健康管理(PHM)技术的现状与发展[J].航空学报,2018(5):626-631.
[2]李勇东,中国风力发电的发展现状和前景[J].电气时代,2017(13):16-20.
论文作者:卢阳
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
标签：偏航论文; 机舱论文; 风速论文; 机组论文; 风机论文; 风向论文; 卡钳论文; 《电力设备》2019年第22期论文;