黎 焱，劉瑞兵，馬金寶，祝振鴻，楊劍秋

(北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司，北京 100176)

0 引言

風電機組偏航系統(tǒng)主要負責讓機艙繞塔架軸線旋轉及停止在指定位置。目前兆瓦級風電機組的偏航系統(tǒng)主要由偏航電機、減速器、偏航軸承、相關電氣設備和控制系統(tǒng)等組成。偏航電機的驅(qū)動能力對于風電機組是否能夠安全可靠地偏航、降低風電機組荷載和提升風電機組的發(fā)電量非常重要。

偏航電機通常采用常規(guī)的三相異步電機[1]，其是否正常運行與3 個非常重要的扭矩參數(shù)有關，即啟動扭矩、最大扭矩和額定扭矩。當風電機組穩(wěn)定偏航時，偏航電機需要克服塔頂?shù)钠脚ぞ睾奢d及偏航系統(tǒng)的摩擦阻力矩，即：

式中：Mt為偏航系統(tǒng)中所有偏航電機能提供的總驅(qū)動扭矩；m為偏航系統(tǒng)從偏航電機到偏航軸承的總傳動比；η為偏航系統(tǒng)的總傳動效率；Mz為塔頂偏航扭矩荷載，該值在風電機組運行過程中持續(xù)波動；Md為偏航軸承及剎車阻尼系統(tǒng)的總摩擦阻力矩，其是關于Mz的函數(shù)。

如果設計時偏航電機的最大驅(qū)動扭矩不能超過最大外部荷載，則風電機組實際運行中會存在偏航電機無法驅(qū)動偏航的可能性。當塔頂?shù)钠脚ぞ睾奢d增大，偏航電機轉速會下降，偏航系統(tǒng)中所有偏航電機能提供的總驅(qū)動扭矩會增大并伴隨電流的增加。當大電流導致的熱效應累積到一定程度時，偏航馬達保護開關會斷開電路以保護偏航電機，此時偏航功能喪失，風電機組停止發(fā)電并報出故障，直到保護開關重新合閘。因此，通過對故障進行分析，摸清偏航電機運行特性與塔頂偏航扭矩荷載之間的關系，有助于改進偏航電機驅(qū)動能力的評估及進行偏航電機選型，從而降低該種故障的故障率，確保風電機組的偏航功能安全可靠并減少發(fā)電量損失。

本文通過對上述故障進行分析，找到一種合理的適用于風電機組偏航電機驅(qū)動能力的評估方法。以某型兆瓦級風電機組為例，首先分析偏航馬達保護開關跳閘故障數(shù)據(jù)，結合實際偏航電機的固有工作特性，分析產(chǎn)生故障的原因和機理；然后基于詳細的現(xiàn)場測試確定外部荷載與故障之間的關聯(lián)關系，建立一套判斷偏航電機進入堵轉狀態(tài)的時刻及堵轉時長的方法；最后通過對比本文所提出評估方法的邏輯判定結果與典型故障時刻偏航電機堵轉狀態(tài)大電流下的實測數(shù)據(jù)，對本文所提出的評估方法進行驗證。

1 偏航馬達保護開關跳閘故障數(shù)據(jù)分析

以某型兆瓦級風電機組的偏航系統(tǒng)為例，實時測量偏航電機的總電流。在某次發(fā)生跳閘故障時，監(jiān)測了從偏航開始到故障報出時段偏航電機的電流，如圖1 所示。

圖1 發(fā)生偏航馬達保護開關跳閘故障時偏航電機的電流Fig.1 Current of yaw motor when yaw motor protection switch trips

從圖1 可以看出：在第74 s 時刻，偏航電機啟動，產(chǎn)生一個瞬時的沖擊電流，這屬于偏航電機的正常啟動特征；此后電流持續(xù)波動，波動的峰值超過了偏航電機的額定電流(26 A)，初步判斷在此期間外部荷載(即塔頂?shù)钠脚ぞ睾奢d與偏航軸承及剎車阻尼系統(tǒng)的總摩擦扭矩之和)的波動導致偏航電機的轉速波動及驅(qū)動扭矩波動，伴隨著電流在額定電流和較大電流之間頻繁波動。在故障時刻(第90 s)前4 s 時刻，電流陡然增加并持續(xù)穩(wěn)定在110 A 左右，初步判斷此時外部荷載已經(jīng)超過了偏航電機的最大有效驅(qū)動能力并持續(xù)維持在較高水平；4 s 之后，偏航馬達保護開關跳閘，風電機組報出偏航反饋丟失故障。在此過程中，對風電機組轉速、功率、機艙加速度及葉片槳距角進行分析，分析結果未見異常，風電機組也未報出其他故障信號。發(fā)生該故障后，對偏航電機、減速器及偏航軸承等硬件結構進行檢查，未見異常。因此初步認為該次故障是由于外部荷載超過了偏航電機的最大有效驅(qū)動能力導致的。

2 偏航電機的運行特性及荷載特征分析

本案例中單個偏航電機的額定功率為3 kW，對該偏航電機的運行特性(即扭矩-轉速特性、電流-轉速特性)進行了測量，曲線如圖2 所示。圖中：A點對應偏航電機的額定扭矩點；B點對應偏航電機的最大扭矩點；C點對應偏航電機的啟動扭矩點。

圖2 偏航電機的扭矩-轉速與電流-轉速特性曲線Fig.2 Characteristic curves of torque-speed and current-speed of yaw motor

根據(jù)式(1)，當外部荷載與偏航電機額定扭矩所能提供的有效驅(qū)動扭矩平衡時，偏航電機會穩(wěn)定工作在額定扭矩點，此時的額定電流約為6.5 A。從圖2 可以看出：當外部荷載導致偏航電機工作在額定扭矩點到最大扭矩點階段(即A-B段)時，隨著偏航電機轉速的降低，電流增大并伴隨扭矩的增加，在該區(qū)間內(nèi)，偏航電機通過降低轉速來抵抗外部增大的扭矩負載。當外部荷載導致偏航電機工作在最大扭矩點到啟動扭矩點階段(即B-C段)時，特征與其工作在A-B段時的特征恰好相反。此階段隨著偏航電機轉速的降低，其驅(qū)動能力進一步下降，導致偏航電機進入堵轉狀態(tài)；只有當外部扭矩低于偏航電機啟動扭矩時，才有可能讓偏航電機重新加速并回到額定扭矩點。

由上述分析可見，圖1 中第74 s 到故障前4 s時刻偏航電機的電流狀態(tài)對應圖2 中偏航電機運行特性曲線的A-B段；圖1 中故障前4 s 時刻到故障時刻偏航電機的電流狀態(tài)對應圖2 中偏航電機運行特性曲線的B-C段。

3 塔頂偏航扭矩荷載的測試分析

為了更詳盡地分析外部荷載與偏航電機運行特性之間的關聯(lián)性，對該型兆瓦級風電機組的塔頂偏航扭矩荷載、偏航電機的電流-轉速特性進行了在線監(jiān)測。

該型兆瓦級風電機組配置了4 臺3 kW 的三相異步電機作為偏航電機。在克服了偏航軸承及剎車阻尼系統(tǒng)的總摩擦扭矩之后，偏航電機可提供的有效啟動扭矩為2363 kN·m、最大有效驅(qū)動扭矩為3836 kN·m。針對該風電機組某次出現(xiàn)的典型偏航電機大電流過程進行分析，測量數(shù)據(jù)如圖3 所示。圖中：塔頂偏航扭矩載荷的正、負表示扭矩方向不同。

圖3 某次偏航電機大電流過程的測量數(shù)據(jù)Fig.3 Measurement data for a yaw motor during high current process

從圖3 可以看出：在偏航一開始的階段，偏航電機的轉速在900 rpm 左右輕微波動，4 臺偏航電機的電流同步性很好，且均在10 A上下波動，對照圖2 的偏航電機運行特性曲線可知，此時塔頂偏航扭矩荷載略高于偏航電機的額定有效驅(qū)動能力。在第32 s 時刻，塔頂偏航扭矩荷載突然快速超過4000 kN·m，此時偏航電機的轉速快速下降到300 rpm 附近，偏航電機出現(xiàn)堵轉且伴隨電流急速上升到超過30 A；此后即使塔頂偏航扭矩荷載頻繁出現(xiàn)小于3836 kN·m 的時刻，偏航電機的轉速依然維持在300 rpm 以下。在34～43 s 的時段內(nèi)，出現(xiàn)了兩次塔頂偏航扭矩荷載顯著小于3836 kN·m 的時段，但偏航電機依然無法退出堵轉狀態(tài)。直到第43 s 后，出現(xiàn)一段塔頂偏航扭矩荷載小于有效啟動扭矩(2363 kN·m)的情況，偏航電機才順利退出堵轉狀態(tài)，此時偏航電機的轉速和電流也均恢復到正常狀態(tài)。

該偏航電機大電流過程的測量數(shù)據(jù)反應了偏航電機在實際運行中與其在單獨測試時體現(xiàn)出了相同的運行特性，并且與塔頂偏航扭矩荷載變化特征具備高度相關性，驗證了圖1 中某次偏航馬達保護開關跳閘故障的分析過程和結論。

4 偏航電機驅(qū)動能力的設計

風電機組設計通常參考DNV-ST-0361《Machinery for wind turbines》[2]，但是該規(guī)范中并沒有對偏航電機驅(qū)動能力的設計給出明確要求。通常情況下，偏航電機的設計要求是其最大有效驅(qū)動能力及額定有效驅(qū)動能力分別能覆蓋一定比例的塔頂偏航扭矩荷載[3]，若設計上完全覆蓋所有可能出現(xiàn)的塔頂偏航扭矩荷載，則偏航電機及偏航系統(tǒng)的設計會過余冗余。文獻[4]已經(jīng)探討了一種基于塔頂偏航扭矩荷載時序進行偏航電機選型優(yōu)化的方法，但缺乏實際測試數(shù)據(jù)的驗證，同時未考慮最大外部荷載導致的截斷，以及偏航電機退出堵轉的扭矩閾值特征。從上文分析及風電機組實際運行的故障情況來看，采用文獻[4]提出的設計思路，仍然會導致偏航馬達保護開關跳閘故障發(fā)生。

仍以上文進行測試的兆瓦級風電機組為例，測試其11 個月實際運行過程中的塔頂偏航扭矩載荷、偏航電機的電流-轉速特性等數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計。在此期間，偏航電機的最大有效驅(qū)動扭矩可以覆蓋99.9%的塔頂偏航扭矩荷載，額定有效驅(qū)動扭矩可以覆蓋96.6%的塔頂偏航扭矩荷載。這段時間風電機組共完成26250 次偏航，偏航總時長占總運行時長的5.6%。即使如此，該風電機組還是出現(xiàn)了偏航電機堵轉和偏航馬達保護開關跳閘故障，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 某兆瓦級風電機組實際發(fā)生的偏航電機堵轉統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 1 Statistical data on actual occurrence of yaw motor locked rotor in a certain megawatt wind turbine

從表1 可以看出：該風電機組發(fā)生了數(shù)次時長超過3 s 的堵轉，甚至發(fā)生過1 次將近14 s 的堵轉。

因此僅通過對比外部荷載的大小，即使偏航電機可以覆蓋很高比例的塔頂偏航扭矩荷載，但仍然不能充分判斷是否會導致偏航馬達保護開關跳閘故障。這是因為從前文分析可以看到，偏航電機運行特性是與一段時間內(nèi)的外部荷載歷程緊密相關，而不是與單個時刻外部荷載的大小相關，這是導致偏航電機狀態(tài)異常和偏航馬達保護開關跳閘故障的根本原因。因此，結合偏航電機運行特性，本文在常規(guī)設計的基礎上，提出了一種適用于風電機組偏航電機驅(qū)動能力的評估方法，通過補充特定工況的塔頂偏航載荷時序判斷偏航電機是否堵轉并統(tǒng)計相應的堵轉時長，對偏航電機驅(qū)動能力的健壯性進行復核。該方法可應用于偏航電機及偏航系統(tǒng)的選型設計和風電機組的項目適應性評估。

該風電機組偏航電機驅(qū)動能力評估方法的具體邏輯為：首先，針對某個風電機組設計的塔頂偏航載荷時序，結合其中的風向信息及具體風電機組的偏航控制策略，可以篩選出發(fā)生偏航動作的時間段。設該時間段的塔頂偏航扭矩荷載分別為Mz1、Mz2、…、Mzn(1、2、…、n表示第n個連續(xù)時刻點)，每兩個時刻之間的間隔為Δt。在考慮了偏航軸承和剎車阻尼系統(tǒng)的總摩擦扭矩、偏航系統(tǒng)的從偏航電機到偏航軸承的總傳動比，以及偏航系統(tǒng)的總傳動效率之后，對比偏航電機所能提供的最大有效驅(qū)動扭矩Mt,max、有效啟動扭矩Mts。通過該方法可以判斷風電機組偏航過程中是否發(fā)生偏航電機堵轉，并可以統(tǒng)計堵轉時長t、連續(xù)堵轉次數(shù)k及每次的堵轉時長tk，從而判定偏航馬達保護開關跳閘的風險。偏航電機堵轉判定邏輯示意圖如圖4 所示。圖中：i代表每個離散點序號。

圖4 偏航電機堵轉判定邏輯示意圖Fig.4 Logic diagram for determining locked rotor of yaw motor

針對某兆瓦級風電機組實測的偏航電機電流、轉速和塔頂偏航扭矩荷載，根據(jù)圖4 的判定邏輯對塔頂偏航載荷時序進行滑移判斷，統(tǒng)計出邏輯判斷的偏航電機堵轉次數(shù)和堵轉時長，并將其與實際的偏航電機堵轉時長進行對比，具體如表2 所示。

表2 某兆瓦級風電機組實際與邏輯判斷的偏航電機堵轉時長對比Table 2 Comparison of locked rotor duration of yaw motor between actual and logic judgment of a certain megawatt wind turbine

從表2 可以看出：基于邏輯判斷，2020 年12 月30 日發(fā)生了兩次分別為0.88 s 和3.78 s 的偏航電機堵轉，但實際為連續(xù)5.42 s 的偏航電機堵轉，說明邏輯判斷結果本身在數(shù)值上與實際情況接近，但在某些特殊時刻還不能與實際情況完全一致。實際與邏輯判斷的結果非常接近，驗證了該評估方法判定邏輯的有效性。因此，基于該邏輯結合風電機組設計的塔頂偏航載荷時序，可以準確判斷出偏航電機的堵轉狀態(tài)和相應的偏航馬達保護開關跳閘風險，從而可更為合理地進行偏航驅(qū)動能力設計及偏航電機選型。

5 結論

本文對風電機組偏航馬達保護開關跳閘的故障原因進行了分析，建立了塔頂偏航扭矩荷載-偏航電機運行特性-故障特征之間的關聯(lián)關系，提出了一種適用于風電機組偏航電機驅(qū)動能力的評估方法，并通過實際風電機組荷載測試及偏航電機大電流特征下的監(jiān)測對該評估方法進行了驗證，得到以下結論：

1)偏航電機驅(qū)動能力的設計對于防止偏航電機出現(xiàn)堵轉乃至發(fā)生偏航馬達保護開關跳閘故障非常重要，而僅通過偏航電機驅(qū)動能力覆蓋一定比例的塔頂偏航扭矩荷載，不能完全防止發(fā)生偏航馬達保護開關跳閘故障。

2)偏航電機發(fā)生堵轉及偏航馬達保護開關跳閘故障，并不是由某一時刻的外部荷載大小造成的，而是與偏航電機運行特性密切相關的一段時間內(nèi)的外部荷載歷程有關。一旦外部荷載超過偏航電機的最大有效驅(qū)動能力之后，將會發(fā)生偏航電機堵轉，但之后外部荷載低于偏航電機的最大有效驅(qū)動能力后并不能讓偏航電機狀態(tài)回歸正常，而是需要外部荷載降低到偏航電機啟動扭矩以下才可以恢復。通常這個過程會持續(xù)一段時間，這是偏航馬達保護開關發(fā)生跳閘的高危時刻。

3)結合偏航電機運行特性及偏航系統(tǒng)邏輯提出的適用于風電機組偏航電機驅(qū)動能力的評估方法是根據(jù)塔頂偏航載荷時序?qū)ζ诫姍C堵轉次數(shù)和堵轉時長進行統(tǒng)計的方法，基于該評估方法并結合實際風電機組設計的可靠性要求，可以更為合理地進行偏航電機驅(qū)動能力的設計與偏航電機的選型，并指導風電場項目的定制化開發(fā)，從設計和適應性分析源頭降低偏航故障發(fā)生的概率，提升風電機組運行可靠性。