偏航系統對風電機組的安全運行和發電效能至關重要，偏航減速器作為偏航驅動和制動的關鍵重要部件，提供了偏航的全部驅動力矩和部分制動力矩，其能否正常運行決定了機組偏航過程是否平穩、對風是否及時、制動是否穩定等。

偏航系統主要由控制系統、偏航電機、偏航減速器、偏航制動器、風傳感器、偏航編碼器、偏航軸承、偏航制動盤等組成。如圖1所示。

圖1：偏航系統組成

偏航過程分為偏航啟動、勻速偏航、偏航停止三個階段。當風傳感器檢測到一段時間內對風偏差達到閾值時，控制系統發出偏航指令，進入偏航啟動階段，偏航電機主回路和電磁剎車回路通電，電磁剎車片與剎車盤分離，電機定轉子通電啟動，液壓站根據電磁閥設定值釋放壓力直至偏航余壓；勻速偏航階段，機艙在偏航電機驅動力矩和偏航制動器的阻尼力矩綜合作用下，平穩偏航；偏航結束階段，偏航電機斷電，定轉子失電不再提供驅動力矩，電磁剎車抱閘制動，液壓站建壓直至達到制動壓力。

某山地風電場，自2018年并網運行以來，某臺風機頻繁發生偏航減速器損壞事故，從2018年至2020年，共損壞5個減速器。

2.1 偏航減速器拆解

2020年損壞的減速器拆解照片如圖2所示。

圖2：偏航減速器拆解

偏航減速器結構如圖3所示。

圖3：偏航減速器結構示意圖

失效過程分析：對損壞的齒輪箱進行拆解，失效的共同特征為高速輸入部裝軸承擋圈脫落變形或脫落后碎裂，擋圈從擋圈槽脫落導致一級行星軸系的齒輪斷齒以及其它級行星級部件被動失效。輪齒的斷裂及其他部件損傷失效均為二次損傷。

2.2 風機運行數據分析

對故障時刻機組數據進行分析，如圖4-圖6所示。

圖4：故障時刻風速

圖5：故障時刻風向

圖6：故障時刻偏航位置

由圖4可以發現，故障時刻風速變化非常快，1min內最大風速達到21m/s，最小風速僅有10m/s；由圖5可知，故障時刻風向變化非常劇烈，10s內風向變化超過30°；由圖6可知，在風向突變時刻9s內偏航位置由-412°到-442°，偏航速度達到3.33°/s，該機型額定偏航速度為0.39°/s，接近10倍額定偏航速度。綜上分析，故障時刻風速、風向急速變化，導致機頭發生急速偏轉。

2.3 故障原因分析

輸入部裝軸用卡簧公稱直徑60mm，根據標準《GB/T894-2017 軸用彈性擋圈國家標準》，松脫極限轉速為7620rpm。

圖7：軸用彈性擋圈國家標準

偏航速度按照以下公式計算：

其中：

該機型偏航系統主要技術參數如下表所示。

表1：偏航系統主要部件技術參數

根據以上公式計算，故障時刻偏航減速器輸入軸瞬時沖擊轉速達到n=8764>nabl=7620，超過了擋圈的極限轉速，擋圈受離心力影響從軸上脫出或者變形，掉入齒輪系中，導致齒輪損傷。

引發偏航速度超速的原因主要以下幾個方面：

（1）存在齒側間隙，減速器和偏航軸承采用齒輪傳動，由于機械誤差和機組振動，大小齒嚙合存在間隙，偏航制動器泄壓后制動力不足；

（2）偏航開始階段，電機轉矩未達到額定轉矩，外部載荷超過電機總驅動力矩，導致減速器被拖動，發生被動偏航；

（3）大風情況下偏航，風向突變超過90°，偏航過程不能及時停止，載荷從偏航阻力變為驅動力，導致減速器超速，偏航電機瞬間轉變為發電模式。

2.5 故障根本原因

綜上分析，導致偏航減速器失效的直接原因為，大風條件下風速、風向突變，偏航過程發生機械沖擊，偏航速度超過軸用彈性擋圈的極限轉速，擋圈受離心力影響脫出，擋圈脫落后進入齒輪嚙合區，發生卡齒，引發齒面損傷、斷齒等，產生的金屬碎片造成二次損壞。

圖8：機組所處風場位置

如圖8所示，左圖紅圈標示出的即為該臺風機所處機位，該風機主風向約100米處存在一個山頭，山頭海拔高度超過該臺風機輪轂中心高度。該山頭成為影響風況的主要障礙物，受障礙物影響風向發生變化，特別是大風時風向頻繁變化，是導致偏航減速器失效的根本原因。

風電平價時代，為了提高單位千瓦掃風面積，新增機組葉輪直徑增大，機組單位千瓦成本降低，山地項目增多，受到以上因素的綜合影響，個別機組偏航減速器頻繁發生損壞的情況會越來越多，針對該問題需要有效的解決方案。

3.1 伺服偏航方案介紹

針對該類偏航減速器損壞問題，協同整機廠商、第三方合作開發了一種伺服偏航驅動技術。偏航電機按功能分為兩類，一類作為驅動電機，紅色箭頭所指，一類作為阻尼電機，藍色箭頭所指，阻尼電機根據風載動態提供阻尼力矩，保證機艙平穩偏航，如圖9所示。

圖9：偏航減速器功能示意圖

圖10所示為伺服驅動的硬件拓撲圖。驅動器由機艙400V供電，驅動器的輸出端連接偏航電機。每個偏航電機尾部安裝一個編碼器，編碼器采集電機轉速數據，反饋給伺服驅動器用于閉環控制，一個伺服驅動器驅動一臺偏航電機。主控通過DP總線與驅動器連接通訊，驅動器之間通過內部總線連接通訊。4個驅動器任選一個作為驅動主機，其他三個作為從機，從機跟隨主機的指令實現偏航電機的同步控制。

圖10：伺服偏航系統硬件拓撲圖

圖11為偏航啟停的控制圖。偏航啟動過程：首先打開所有偏航電機的電磁剎車，然后主控控制驅動電機在扭矩控制模式下往偏航方向轉動，同時控制阻尼電機在扭矩控制模式下往偏航相反方向轉動，驅動電機和阻尼電機以設定的扭矩曲線進行齒隙補償，消除偏航機械傳動系統齒間隙，最后齒隙補償完成后，液壓系統泄壓，啟動偏航。偏航停止過程：首先驅動器減速，減速停止后進行齒隙補償，消除齒間隙，鎖住軸承，最后齒隙補償完成后液壓剎車和電磁剎車抱閘。偏航過程驅動電機和阻尼電機的扭矩根據風載自動調節。

 圖11：伺服偏航啟停控制邏輯

3.2 伺服偏航方案現場改造測試

在低風速（6m/s）下，1#和3#驅動電機的平均扭矩約10N·m，2#和4#阻尼電機扭矩約5N·m，在低風速下自耗電低，具有能效優勢；啟動沖擊扭矩曲線可控，啟動沖擊小，載荷曲線幾乎一致，載荷均布效果好。

圖12：低風速下的速度/扭矩曲線

在中風速（13m/s）下，1#和3#（綠色和藍色）驅動電機的平均扭矩增大，2#和4#（紅色和金色）阻尼電機扭矩幾乎為0；啟動沖擊扭矩曲線可控，啟動沖擊小，載荷曲線幾乎一致，載荷均布效果好。

圖13：中風速下的速度/扭矩曲線

在高風速（平均風速23m/s），1#和3#（綠色和藍色）驅動電機達到扭矩限值70N·m,在轉速輕微波動后，驅動自恢復穩定偏航；啟動沖擊扭矩曲線可控，啟動沖擊小，載荷曲線幾乎一致，載荷均布效果好。

圖14：高風速下的速度/扭矩曲線

對現場技改機組的數據采集分析，伺服偏航系統能夠消除齒間隙，在偏航啟動和停止階段，通過調節電機扭矩，實現平穩啟停，避免惡劣風況條件下的偏航沖擊對偏航減速器的損壞。

3.3 機組控制邏輯優化

從現場拆解減速器的情況發現，電磁剎車摩擦片磨損情況非常嚴重，如圖15所示。

圖15：電磁剎車片磨損情況

電磁剎車片異常磨損的主要原因是偏航控制策略導致，一方面偏航停止過程中，液壓站建壓滯后于電磁剎車斷電，制動能主要由電磁剎車提供，由于電機輸入端轉速較大，導致摩擦片急速磨損，甚至摩擦熱將摩擦盤燒毀，為了解決該問題，將液壓站建壓和偏航電機斷電時間點進行了優化，實現由液壓偏航制動器提供主剎車能量；另一方面，由于風向變化頻繁導致偏航頻次高，偏航電機頻繁啟停，通過調整閾值降低偏航頻次，如表2所示，日均偏航次數降低了40%。

表2：對風偏航時間調整

偏航減速器作為偏航系統的主要零部件，承擔了偏航驅動、制動的主要任務，在極端惡劣風況條件下，減速器受到偏航沖擊發生被動偏航，超過極限工況極易發生損壞，給風電場正常生產運行帶來了較大損失。

本文分析了偏航減速器損壞的一種原因，并提出了伺服偏航技改結合控制系統優化的解決方案，該方案能夠有效解決偏航沖擊造成的減速器損壞問題。

作者：中節能風力發電股份有限公司　崔奎虎 郭磊

來源：《風能產業》2021.09