风电机组偏航系统异响和振动原因分析

风电机组偏航系统异响和振动原因分析

白峰

华电甘肃能源有限公司，甘肃省兰州市，730000

摘要：当前，风电机组呈现出了智能化发展的趋势，装机容量更大、运行稳定性更强，尤其是在偏航控制算法得到优化的情况下，风电机组偏航的灵活性以及对风精度都得到了显著提升。风电机组偏航系统的运行环境复杂，经常会遇到异响和振动问题，需要技术人员对问题产生的原因进行分析和研究，为问题的应对和解决提供可供参考的依据。

关键词：风电机组；偏航系统；异响；振动

前言：风力发电具有清洁无污染的特点，在节约能源、减少污染方面有着不容忽视的作用。我国有着丰富的风能资源，其一般分布在人口稀少区域，风能的开发利用几乎不会对当地居民的正常生产生活产生影响。在风电机组中，偏航系统的稳定运行是保障发电量的关键，同时其也是实现机舱与塔筒连接的核心，要求系统中所有的零部件都必须具备很高的稳定性和可靠性，将故障发生的概率降到最低。

1 风电机组偏航系统概述

就目前而言，基本上达到一定规模（兆瓦级）的风电机组都会选择主动偏航系统，系统的功能体现在两个方面：一是在风向发生相应的变化时，准确捕捉相关信息，对叶轮的朝向做出调整，确保其能够始终正对来流风向；二是在实施对风运动的过程中，受风向持续变化的影响，机舱内发电机末端的输出电缆可能发生缠绕问题，需要在停机后，借助偏航系统带动机舱逆向旋转，将电缆缠绕问题解除。一般情况下，风电机组偏航系统采用的都是电机驱动的形式，也有部分产品借助液压系统驱动。以电机驱动偏航系统为例，在经过行星减速箱后，偏航电机的转速会有所下降，借助输出小齿轮与偏航回转支撑齿圈的啮合，实现对动力的有效传递，带动机舱旋转[1]。

偏航系统能够实现的具体功能体现在三个方面：首先是自动偏航功能。在接收到控制器发出的偏航指令后，偏航系统会对风向进行连续监测，确定好风向后，若机舱本身没有处于对风位置，则松开偏航制动，启动电机开始偏航动作；其次是自动解缆功能。在检测到电缆缠绕达到一定圈数后，如果发电机组处于停机状态，偏航系统会驱动电机逆向转动实现自动解缆；如果发电机组处于运行状态，偏航系统暂时不执行解缆动作；如果电缆状态达到了扭缆保护的极限位置，偏航计数器会向控制器发送信号，要求强制停机以完成解缆动作；然后是90°侧风功能。当风速超过切出风速（25m/s），又或者风电机组风轮的旋转速度超出设定限值后，从保障机组运行安全的角度，偏航系统会强制带动机舱完成侧风偏航动作。

2 风电机组偏航系统异响和振动原因分析

可能导致偏航系统异响和振动的原因有很多，为了对其进行研究，结合某风电场机组的实际运行情况开展讨论。

2.1运行情况

从某风电场选择3台风电机组进行测试，将机组实际偏航速度设置为0.4°/s，偏航运动半径1.0m，线速度7mm/s。

2.2检测结果

1号机组偏航系统运行中没有出现异响和振动问题，偏航声音柔和；2号机组偏航系统运行时，产生了剧烈振动，发出与敲击类似的异响。机组运行后约6s开始进行偏航操作；3号机组偏航时存在有轻微的异响和振动问题[2]。

2.3结果分析

对比三个机组的运行参数，存在有异响和振动的机组在偏航电流参数上相对较大，而对存在异响的2号和3号机组进行对比，2号机组的偏航电流要大于3号机组，其振动也更加剧烈。

结合2号机组和3号机组的加速度幅频谱曲线，在0.3Hz、2.5Hz、8.8Hz以及11.5Hz频率上，幅值相对较高，这一结果接近机舱塔筒在耦合条件下的偏航仿真结果。偏航系统中，各种零部件的振动如果接近上述几个频率值，会出现共振的情况，导致振动的进一步加大。风电机组的零部件采用的虽然是批量化生产模式，但是因为其在质量分布、安装等方面存在的差异，不同机组在振动频率上并不会完全相同[3]。

2.4理论研究

结合偏航系统的工作原理分析，当出现偏航动作时，会满足

公式中，表示偏航力矩，表示摩擦系数，p表示制动压力，数值为2.4MPa，A表示活塞截面积，f表示活塞和缸体间存在的阻力，R表示制动接触面与偏航回转中心轴线的距离，J表示构件绕塔筒中心轴线的转动惯性，α表示偏航启动角加速度，数值为0.00174rad/s2。

当偏航系统动作约3-6s后，风电机组机舱偏航速度达到0.4°/s，而在机舱转动速度固定后，的值为0。

当偏航工作压力正常时，新安装的摩擦片在磨合阶段，静摩擦系数和动摩擦系数较小，偏航力矩的数值可以很好地满足上述公式的要求。而在磨合期结束后，制动衬片能够与制动盘实现完全贴合，摩擦系数增大。制动盘转动时，静摩擦系数减少并且转变为动摩擦系数，偏航力矩变小。在减速转动环节，制动盘和制动衬块的相对速度变小，动摩擦系数逐渐转变为静摩擦系数，偏航力矩受偏航阻力矩的影响增大，带动制动盘进入到增速转动阶段，实现循环。

偏航阻力矩相对较小的情况下，电机克服阻力矩比较简单，也不容易引发异响和振动问题，偏航电流的形态相对平稳；偏航阻力矩较大的情况下，电机想要克服阻力矩难度较大，受电流三相不平衡状态的影响，就可能出现异响和振动问题

[4]。

2.5实践检验

为了对上述理论研究结果的有效性进行验证，选择2号风电机组作为对象，开展相应的偏航降压试验。试验结果见表1。

表1 2号机组降压试验偏航电机电流

对照相关数据分析，当偏航工作压力正常时，如果机组发生振动和异响，则电机在各相上的电流均值较大，三相电流不平衡。偏航压力减小时，电机电流下降，压力降为0时，偏航电机的电流数值在4.27-4.76A的范围内，与偏航压力为10bar时的电流数值接近，分析原因，可能是在部分活塞与缸体间，出现了卡滞问题。在降低偏航压力后，机组异响和振动减弱，表明了理论分析结果的可靠性。

从保障偏航系统运行安全的角度，在实践中，将偏航压力设置为24bar，不过这个压力在面对风电场所处的内陆区域时，显然并没有必要，因此可以通过适当降低偏航压力的方式，对偏航系统运行中的异响和振动进行控制[5]。

3 结论

通过理论研究和实践检验的方式，对风电机组偏航系统异响及振动问题进行了研究，得到如下结论：

（1）在偏航系统运行中，偏航阻力矩不平衡，会引发系统异响和振动问题；

（2）若偏航系统中的零部件自激振频率接近塔架典型振动频率，会引发共振，继而加剧异响和振动；

（3）通过适当降低偏航压力的方式，可以实现对于异响和振动问题的有效控制。

参考文献：

[1]徐昆.风电机组偏航误差产生机理及调整策略研究[J].太阳能,2022,(06):50-58.

[2]高俊云.一种风电机组偏航振动故障的诊断与分析[J].机械工程与自动化,2022,(02):138-139.

[3]毛江,蔡义钧,张斯翔,等.湍流风况下的风电机组偏航控制系统[J].机械工程与自动化,2022,(01):175-177.

[4]赵丽军,邢作霞,刘洋,等.基于数据分析的风电机组偏航机构异常感知方法研究[J].太阳能学报,2022,(01):108-115.

[5]彭定杰,兰杰,林淑.风力发电机组偏航系统控制算法仿真设计[J].东方汽轮机,2021,(04):70-74.