风电机组滑动偏航系统故障诊断技术

一、系统结构及功能

1、偏航电机启停时的功率冲击

2、3台电机的功率分布

3、偏航电机功率随温度的变化

4、偏航功率随时长的变化

在冬季低温的情况下，偏航电机、电磁刹车及偏航减速器内部齿轮副大量损坏，故障率为夏季的数倍之高，严重时会使齿轮啮合出现偏差，损坏偏航齿圈。这一方面给风电场增加了大量检修工作量和维护成本，另一方面造成发电量和经济效益的损失。滑动时电气检测量的缺失，使得偏航系统的工作状态和损坏机理分析缺乏数据支撑，因而难于制定切实的技术运维方案或者改造方案。

因此，相关人员研制了一种偏航故障诊断系统，通过对偏航工作的环境、电机参数的检测，定量分析偏航损坏的机理，为科学维护和技改提供数据支撑和评价依据。

系统结构及功能

考虑到影响偏航电机发热损坏的主要因素为电机功率和温度。

因此，系统针对风电机组偏航电机电压、电流、温度信号进行采集及处理，并通过以太网将数据传输到服务器端进行存储、筛选和分析。

偏航电机启停时的功率冲击

由图5可知，偏航电机在启动瞬间，总功率峰值约为47kW，冲击时长约为0.5s；进入稳态后，总功率约为6-9kW，直至停止偏航，稳态功率在电机额定功率范围内。从偏航电机驱动回路（图6）来看，早期机组偏航系统的控制电路比较简单，没有软启动器或变频器，均为电网电压通过接触器直接加在偏航电机定子绕组上，同时又要克服较大的偏航阻尼，因此，启动时冲击电流较大。

另外，偏航电机尾部电磁刹车与电机共用一路电源，通过整流后到达电磁刹车线圈，电磁刹车克服弹簧阻力将刹车打开—刹车打开存在一定的时间延迟，也会给电机启动带来额外负载，造成冲击电流增大。虽然异步电机启动冲击在7倍左右是正常现象，但风电机组每年偏航达4万次，远高于通常应用场合，因此，点击承受高频次的启动冲击是电机加速损坏的原因之一。

3台电机的功率分布

从3台电机的功率数据（图7)来看，稳态情况下功率均分性较好，3台电机的功率偏差较小。启动暂态时，瞬时功率达到额定功率的6倍左右，再次印证了启动功率冲击电机的事实。据推测，其中一台电机功率偏小的原因与控制电机的接触器动作时间存在偏差有关，属于正常情况。

偏航电机功率随温度的变化

“功率一温度曲线”以散点形式展示了不同温度下电机的瞬时功率和稳态功率分布。如图8所示，温度在4℃附近时，电机的总功率主要集中在7~15kW，启动时功率冲击最大可达54kW；稳态功率过载达167%，远高于设计值。经数据分析，电机过载运行时长占比达到37%以上。在0°℃附近时，电机的总功率主要集中在6~10kW，稳态功率约为7kW,约占电机额定功率的78%，启动时功率最大冲击约为49kW。在5℃以上时，电机的总功率主要集中在5~9kW，稳态功率约为6kW，约占电机额定功率的67%，启动时功率最大冲击约为50kW。

由此可知，虽然电机启动时的瞬态功率冲击与温度值关系不大，但频繁的启动冲击对电机温升及寿命是有影响的，且温度变化对电机运行的稳态功率影响很大。在冬天低温情况下，由于润滑相对较差，有可能存在摩擦力矩增加的情况，导致偏航电机驱动力矩增加，引起电动机过载。稳态时的过载运行及频繁的大电流冲击启动，致使偏航电机加速损坏，这与现场的实际工况相吻合。

偏航功率随时长的变化

从图9可以看出，偏航功率为5~8kW，稳态功率约为6.5kW，处于正常运行范围，因此，偏航时间对偏航功率的影响可以忽略不计。

根据以上特征量对偏航功率的影响，在低温情况下，电机功率过载严重以及启动暂态过载倍率过高等情况是导致偏航系统损坏的主要原因。

结论

在风电场实际运行工作中，往往由于数据的缺乏，导致偏航系统故障机理的分析及原因定位不够清晰，使得虽然现场运维人员做了大量的维护工作，但效果并不明显。本文所述滑动偏航诊断分析系统通过对偏航系统电气量的采集，能够准确检测偏航系统工作时的力矩变化规律，通过数据分析结论确定偏航问题发生异常的原因，进而可为风电场制定技术改造方案和运维措施提供决策依据，并可作为偏航系统改进的评价工具，降低技术改造风险，提高现场运维效率。本文的数据分析方法也可应用在如叶片、发电机等其他部件上，具有一定的通用性。