论风电机组维修策略与故障统计.doc

1、论风电机组维修策略与故障统计摘要：上世纪九十年代带来，我国风力发电机才开始兴建，并在此后的几年里得到飞速的发展，国家从装备制造到风电场发展都给出了许多优惠条件，欧洲同期发展水平远远超过我国。2005 年初，我国风电场发电件，开始大力鼓励风电产业发展。但由于受到法规和政策限制，我国风电发展规模始终较小量达到 1000050000kw，在这期间安装的风电机组几乎全是进口机组，平均容量不超过 850kw，国产机组没有得到大量生产。同年，相关产业政策得到完善，且新能源法颁布，我国风电产业真正开始发展。从风电场建设到风电机组制造，我国风电装机容量飞速增长，整个行业也快速发展。2004 年以前，我国大多数

2、风电场规模相对较小，风电机组机型比较多，但由于此前积累的火电厂和变电所运行经验，这些风电场也得到了很好的运行。生产厂家服务人员主要负责机组设备维护，备品备件则大多数依靠进口。随着经济的不断发展，我国各地风电场规模初步形成，但大多数风电机组设备工作时间已超出了保修期，再加上多种因素的影响，风电机组故障逐渐凸显出来。 关键词：风力发电机、设备维修、故障 中图分类号：TM315 文献标识码： A 一、前言 设备状态监测与故障诊断是先进的设备管理和维护检修的重要手段，并已得到投资运营商的广泛应用。风电场一般地处偏远，风电机组位于野外的塔顶上，目前风电场的维护多采用计划维修与事后维修方式，此种维修很难全

3、面、及时地了解运行状况，往往造成维修工作旷日持久，损失重大。对风电机组进行实时状态监测和故障诊断，可以有效的地避免上述缺陷，达到在不停机状态下对运行设备的监控。 二、电气控制系统基本结构及功能 1、电气控制系统基本结构 本风力发电机主要电气参数有：同步发电机参数为电机转速10001800r/min，电压等级 AC690V，额定功率 1500kW；功率特征为启动风速 3m/s，额定风速 12m/s，停机风速 25m/s，抗最大风速 56m/s；风轮参数为直径 70m，3 片叶片，扫风面积 3848m2，通过变桨距调节功率。机组控制系统的主要控制器安装在现场的模块上，对电网、风况及风力机组运行参数

4、进行监控，并与其他功能模块保持通信，对各方面的情况做出综合分析后，发出各种控制指令。 发电机组电气控制系统中主控器是电控系统的核心，通过各类传感器对电网、气象及风电机组运行参数进行监控，并发出各种控制指令，实现机组的自动启动/停机、手自动无扰动切换、发电机在转速范围内无扰动并网、自动偏航控制（不偏离风向10） 、机舱扭缆和自动解绕控制、自动变桨距控制、变速控制、风电机组自动除湿、加热、冷却控制、液压系统自动运行控制和运行故障监控等。电控系统首先必须确保风力发电机组本身安全可靠运行，并实现机组的变速恒频控制，此外对故障的判断处理要及时、准确。 控制器首先完成系统监控需要的气象、电网、风电机组和变

5、频器状态、参数监控和记录，以开机并网发电控制脱网安全停机位主线，分别按要求进行开机准备、偏航调整、故障处理、优化参数计算、速度和功率控制给定及系统运行管理。控制器的核心是以 DSP 为内部控制器的大功率变流器，它与主控制器组成主-从控制，控制器将根据 PLC给定的参数和控制信息独立地进行其运行管理。 2、控制系统的具体功能 （1）启动前的准备。风机在运行之前要确定风机安全链、偏航系统、刹车系统、齿轮箱系统及并网系统无故障。持续检测 10min 内风速的平均值达到启动风速，电网电压和频率持续 10min 检测正常。当风速在3m/s 以下的低风速区时，根据控制策略变桨距系统将是叶片转动到保证转轮具

6、有最大启动力矩的位置；当风速超过 3m/s 时，此时发电机叶轮慢慢转动，处于待风状态，当风速在 5m/s 以上时，风力机由待风状态进入低风速启动。 （2）启动/停机。风电机组的启动主要由 2 种情况：一是正常的风速大于切入风速后自启动；二是高于切入风速的启动并网，通常发生在紧急故障恢复后的重新开机，此时桨距角应复位置于 0，当风轮转动起来后，根据功率优化策略在重新调整桨距角，当满足并网条件后再重新进行并网。 （3）手/自动切换。机组维修时，需手动调节，要求在停机方式下可任意手动操作。 （4）自动偏航控制。 （5）机舱扭缆和自动解绕控制。由于自动偏航单元的工作，机组有可能朝一个方向进行多次对风。

7、当机舱连续朝一个方向旋转数圈后，就有可能造成机组内线缆的缠绕甚至发生断裂，因此必须应有机舱扭缆检测功能。 （6）变桨距控制。这是机组在高风速区主要的功率调节方式，它在保证机组恒功率输出目标的同时，也是保证机组安全运行的一项重要措施，并且在机组正常或紧急停机时也将发挥重要作用。 （7）变速优化控制。额定风速以前，采用最佳叶尖速比控制，以获得最大风能为控制目标。达到额定风速后，按机组转速-风速工作特性曲线进行控制，将变速控制与变桨距相结合，以保持输出功率恒定在额定功率附近。 （8）并网控制。调节控制绕组励磁电流，是功率绕组的输出功率、幅值、相位与电网同步后，发出并网指令，以保证发电机在转速范围内无

8、扰动并网。 （9）脱网关机。机组的脱网关机分三种方式。一是手动停机和发生普通故障时的脱网停机，当机组接到停机命令，首先顺桨使发电机功率接近零，然后脱网，使能机械闸直到转速降为零。二是为保证机组安全运行，当风速大于切出风速时脱网停机，与第一种方式的顺序基本一样。三是紧急故障的安全停机，当机组发生超速、振动、发电机短路等紧急故障时，顺桨闸、机械闸将辅助脱网，使机组在最短时间内安全停机。 三、状态监测及故障诊断系统概述 状态监测与故障诊断可以理解为识别机械设备运行状态的科学，也就是说利用各种检测方法和监视诊断手段，从所检测的信息特征判别系统的工况状态。它的最终目的是提高设备效率、运行可靠性，分析故障

9、形成原因，以防患于未然。 1、信号的在线检测 信号的在线检测必须满足两方面的要求。在线(on-line)，对于连续运行的机械设备是指机器运行(生产)过程(系统)中的检测。是在生产线上的进行，故属于在线检测；动态过程具有多方面的信息，没有必要都检测，所选择的信号及其在机器上的部位都要能敏感地反映工况特征信息的变化。机械故障诊断中的测试系统是 1 个动态测试系统。测试系统包含着许多环节：以适当的方式激励被测对象、信号的检测和转换、信号的调理、显示和记录，分析与处理等。信号调理环节把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。这时的转换多数是电信号之间的转换，包括滤波、限幅、隔直、解调等。

10、信号处理环节将信号进行各种运算、滤波、分析，将结果输至显示、纪录或控制系统。在这些环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系，并尽可能减小或消除各种干扰。 2、信号的特征选取分析 鉴于直接检测信号大都是随机信号，它包括了大量的与故障无关的信息，一般不宜作判别量。需要用现代信号分析和数据处理方法把直接检测信号转换为能表达工况状态的特征量。 对于某些具有 规律的信号，也可以从波形结构上提取特征量。特征分析的目的是用各种信号处理方法作为工具，找到工况状态与特征量的关系，把反映故障的特征信息和与故障无关的特征信息分离开来。实际生产中，各个特征量对工况状态变化的敏感程度不同，应当选择敏感性

11、强、规律性好的特征量，达到“去粗存精“的目的。 3、工况状态识别 工况状态识别就是状态分类问题，分类与诊断往往是一个概念。此处从生产过程不同的目的考虑，把“分类”分成监视与诊断两个问题，工况监视的目的是区分工况状态是正常还是异常，或者哪一部分不正常，便于进行运行管理，强调在线和实时性。 4、故障诊断 故障诊断首先需根据测试系统提供的信息，对当前工况状态及其发展趋势做出确切的判断。故障诊断主要任务是针对异常工况，查明故障部位、性质、程度，这就不仅需要根据机组结构和当前实际运行工况，而且还需要考虑机组的历史资料来进行精确诊断。此外，故障诊断的方法研究也是诊断过程的重点和关键工作，需要不断研究更加有

12、效的诊断方法 风电机组维修策略 大型风电机组关键部件是传动系统，同时它也是实现风能转换和传递的重要承载部件。风力发电机组部件工作时间通常为 20 年，但是由于我国风电机组多数安装在沿海和西部地区，常年工作在沙尘、低温、冰雪、雷电、风暴等恶劣环境中，再加上载荷、风速和风轮转速上下波动极大，致使机组工作时工况复杂，极易导致风电机组传动系统和叶片在寿命期内损坏或出现故障，使机组安全性和可靠性受到影响。而针对这种情况，对大部件维修的策略，我们的一个新思路是以旧换旧，主要思想是，提高维修的效率和时效，比如发电机或齿轮箱，都是大部件，为了减少库存成本，一般没有存货或库存很少，当有设备损坏时，用修好的部件，

13、迅速更换损坏的部件，风电场发电商对这个办法，很认可，这样，维修业务饱满。发电量也不会有大的损失，有几台在维修中，有几台在周转更换中。 风电场机组分布范围一般较大，故障不易被及时发现，维修起来也相当困难，这就增加了维修成本。为了确保风电机组可靠安全工作，降低维修成本，使风能资源得到高效利用，提高风电机组的可靠性和利用率、延长其使用寿命是我们必须要做好的工作。由于风电机组常年工作在恶劣的自然环境中，因此其设备部件发生故障的几率就比较高，整套风电机组可能会因某一部件出现故障而停止发电。若设备经常出现故障，不仅维修工作量大，并且随着维修次数的增多，设备精度会大大降低，更为严重的是设备不到寿命期限就会提

14、前报废。为了提高设备运行的可靠性，必须降低设备故障的发生几率，这就需要对设备故障的基本状况、发展趋势、风电机组系统及其主要问题等进行多方面的研究，发现其中隐藏的规律，再采取有效措施，从而减少或预防故障。所以，设备管理中必不可少的工作便是对故障进行统计分析，从而为制定管理目标提供重要依据。 五、各类故障统计 在设备出现故障需要进行检定时，一定要按统一规定来确定故障原因。明确了各种故障发生的原因，就可以依据故障原因的不同进行统计，以便及时解决故障问题。 1、机组故障数据统计。笔者对达里风电场在 20052009 年度所出现的风电机组故障情况进行了统计，并把故障参数分别列了出来，例如停机台次、停机时

15、间、损失电量比例等。经分析得出，设备运行初期，传感器和液压系统故障相对较多，其次是机械系统、电气系统和控制系统故障。工作一段时间之后，机械系统故障率开始增加。 2、机组液压故障统计。定桨距风电机组液压系统主要用于控制叶尖制动、机械刹车和系统动作。笔者对 20072009 年达里风电场各风电机组出现液压故障的次数进行了统计，并对多种故障原因进行分析，得出以下结论:机械刹车系统出现故障的次数比叶尖系统出现故障的次数少很多。其中，叶尖压力最大时报警次数最多，但它对电量损失的影响相对较小。电路断路器故障和叶尖液压系统故障出现的次数较多，但它们造成的电量损失都较大，因此应高度重视。 3、机组机械故障统计

16、。风电机组功能主体是机械系统，它包括了大部分零部件，在工作中承受交变载荷，所以故障率相对较高，是风电机组检修和维护的主要对象。机械系统故障会影响到机械刹车、齿轮箱、偏航系统、发电机以及叶尖机械结构等，主要故障形式是齿轮箱油温过高，其出现次数最多，造成电量损失较大。这种故障一般是由润滑油选择不合理导致，它使齿轮箱工作过程中散发出大量的热量，这就要求要选择合适的润滑油;也有可能是齿轮箱润滑系统散热装置设计不科学，致使热量不能及时排散引起的，这就要求重新设计和更换散热装置。从维护和运行角度考虑，一定要采取有效的措施，严密维护和监视齿轮箱润滑系统散热装置，减少齿轮箱油温超标故障次数，从而确保风电机组的

17、发电量。 4、机组重大问题统计。这里所说的重大问题，就是指风电机组出现了相当严重的故障，风电场现场检修人员和运行人员无法进行处理，一定要求助于综合素质较高的专业技术人员，甚至一定要把大型部件全部更换掉才能解决，这样会使机组长时间处于停机状态，从而导致电量损失较大。这类故障包括齿轮箱损坏、叶片裂纹、轮毅裂纹、主控模块损坏等，通常情况下风电场不会存储这些备件，所以一旦出现相关问题，就必须去专业公司或设备生产厂家维修或采购。整体来看，造成停机时间最长的是齿轮箱损坏，更换齿轮箱会造成相当大的电量损失。前几年，叶片裂纹故障出现次数较多，可是叶片修补相对简单，所以电量损失较小。除此之外，还存在其他重大故障

18、，比如电控柜烧毁等，不过这只是个别案例，发生几率较小。笔者通过对这类重大故障的统计得知，早期投运的风电机组主要问题是齿轮箱故障，其严重影响了风电机组的可靠经济运行，这就要求相关人员一定要对风电机组设计、制造、运行和管理的每个环节高度重视，运用特定的方法提升齿轮箱的运行监测技术和设计制造水平，进而确保风电机组齿轮箱运行的安全性和可靠性。 六、结语 综上所述，风电机组设备出现故障的事件是随机的，应该运用概率统计方法得出故障分布规律。复杂故障和复杂系统可以通过逐步分解的方法进行分析、研究，以此找到风电机组设备故障的发生机理，从而进一步得出故障发生和发展的过程。对于故障分析的详情要做好相关记录，以便为设备维修和管理提供科学依据。 参考文献： 1 王岗 林森富：电机常见故障的分析与处理 ， 数字化用户 ，2013 年 08 期 2 吕忠诚：浅谈中小型电机维修 ， 农村经济与科技 ，2009年 06 期 3 李景飞 邹立仁：电机维修技术应用研究 ， 科技资讯 ，2008 年 12 期