（西昌飓源风电开发有限公司 四川省西昌市 615000）
摘要：随着风电装机的不断扩大，风力发电的深入应用，也带动了先进技术的发展。许多的风力发电机组生产制造商，为了争夺更好的市场，占据市场的份额，或者为配合建设单位尽快的完成项目建设投运，在设备制造、出厂检验、现场安装等环节上质量把关不严，最终导致了风力发电机组投运后的故障率居高不下，发电利用率低、检修成本增加等，不利于风力发电的持续稳定健康运行的要求。
关键词：风力发电；机组；运行与维护
引言
我国，已经成为世界上风力发电装机容量最多的国家之一，其技术应用已经相当成熟。但是，随着国家对新能源的补贴控制，以及时间控制点的设定，各个风电机组制造企业、风场开发建设单位，为了开发进度，设备的制造、安装、调试等各个环节避免不了的会出现一定的缺陷或不能完全满足质量要求，终导致了风力发电机组投运后的故障率居高不下，运行期又由于维护技术力量不足、人员紧缺等原因，造成设备缺陷长期不能被发现或者缺陷长期存在不能得以消除等，本文就风力发电机组的运行与维护进行了分析探讨。
一、风力发电机运行特征
1、风电场的生产特征
在我国，风力资源丰富，使得风力发电技术在我国得以迅猛的发展，单机容量、叶片制造技术、变桨、变流、低穿等技术得到了不断提高。为了获得更好的风力运用，机组塔筒高度也不断增加，这也增加了雷击、倒塔等方面安全运行的风险；有的风场建设在人口相对密集的平原河谷，偏航噪声、光影、集电线路密集也造成了或多或少的环境影响，周边居民的投诉、阻扰也日益突出，给生产、维护带来更多的阻力和困扰。
2、风力发电机组故障特征
对于一个风力发电厂的电力机组而言，任何一种机组每年都会发生不少于20种常见故障，这些故障有70%以上都是因为产品质量而造成的。通常来说，风力发电机组内部故障不会对从属设备构成威胁，且这种故障问题的存在对整个发电机组的安全威胁并不大，因此只有在负荷率非常低的情况下方可进行检修，甚至不少机组生产商更是明文规定只有在设备停止运行的条件下方可对这类故障进行检修。因此，风力发电机组的故障大多属于内部构件故障运行状态恶化造成的，尤其是传动系统的故障更容易恶化和扩大。这种故障如果不能经过巡检被发现，那么则只能依靠优质化验结果或者振动谱来进行分析。
二、风力发电机组控制技术
1、机械控制技术
风力发电机叶轮由水平轴和三叶片构成，通过风能带动叶轮转动驱动风力发电机，从而实现从风能向电能的转换。由于风速时刻处于变化之中，且有时风速变化较大，使风力机转速难以控制，因此，主要从机械方面考虑对风力发电机组进行机械控制。主要技术涉及以下几个方面。
（1）采用变桨距风轮
风力发电机组最初采用的是定桨距风轮，采用常规的PID控制器对风轮转速和桨叶节距角的控制调节，来进行风力机的偏航控制。其对风能的利用效率相对较低，因此在技术革新的过程中，逐渐产生了变桨距风轮，尤其是大型风力发电机组，叶片采用变桨距连接，使得风轮叶片更薄，结构更简单，风轮转动惯性小，能够根据风速的变化对叶片连接角度进行自动调节，从而使发电机组对风能的利用效率大大提高。
（2）对风力机转轴的设计
由于风力发电机组的体积大，塔筒高70-90米，机组部件重量30-60吨，受制造工艺和材料的制约，风轮的转速一般在15转/分钟左右，且机组容量越大，转速越低。为了获得更稳定的发电机组功率输出，当前风力发电机一般采用异步发电机，其采用了绕线型异步发电机，并在电能输出线路中增加变频技术，从而实现了对最佳叶尖速比的测量监控，并使机组的运行风况范围大大增加，在风速变化的过程中保证发电机效率稳定，从而获得最佳的输出功率。同时，采用变速恒频发电技术，使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，更易实现并网操作及运行。
（3）对机组的电子控制
当前很多风力发电机组采用的是直驱式风力发电机，即由风力发电机直接带动电机转子旋转。这对控制技术和监测技术提出了更高的要求。采用了变频电路技术和远程监控技术，将变论域自适应模糊控制方法应用到风力机组的转速和桨距控制系统中，对风轮朝向、故障检测、自动维护等进行自动化控制，确保机组安全运行。
2、电气控制技术
对风力发电机组进行电气控制，能够有效降低安全事故发生几率，提高发电效率机组运行稳定性。风力发电机组的电气控制系统主要由主控制器、电量采集、无功补偿、偏航与自动解缆等系统构成，使得机组在运行过程中，按照设定好的参数，对转速、功率等进行自动化控制。电气控制系统由硬件和软件两大系统组成，硬件主要是采用单片机或者是PLC技术。两者在性能方面各有优缺点，一般在设计时，根据不同的需求、环境、特点进行选择。而软件主要为模块化结构的控制程序，合理编写主控制程序、事件处理子程序、定时中断程序、紧急停机程序等，从而实现对机组正常运行、监控、故障处理等的自动化监测与控制。
三、维护工作
作为一种长时运转的机械装置，风电机组长年累月承受着叶片旋转产生的动载荷，这就需要定期检查风机，提前发现并解决问题。巡检的周期和内容按相关风力发电机组技术规范执行，通常两到三个月完成一次巡检，而每隔六个月或一年则需进行定检，即对风机包括连接螺栓在内的项目进行全面检查。
1、巡检及定检
1.1塔筒及攀爬
塔筒门：主要检查塔筒门密封与塔筒门锁。其中塔筒门密封标准为关闭有无缝隙，密封胶条有无脱落；塔筒门锁标准为锁具有无卡塞。
灭火器：主要检查压力值，内容为目测与是否欠压。
基础环：主要检查表面，进行目测、查看有无裂纹、腐蚀
塔筒連接螺栓：主要检查基础环-下段塔筒连接、下段塔筒—中段塔筒、中段塔筒—上段塔筒、上段塔筒-机舱。检查标准根据厂家选择。
爬梯连接：主要检查连接板，查看是否缺失、有无错位。
助爬器：主要检查电机，查看运转是否正常。
提升机及附件：主要检查链条/钢丝绳以及电源线插头。其中链条/钢丝绳查看是否有卡滞，电源线插头查看有无损坏。
照明系统：主要检查照明灯、应急灯，进行目测，查看是否正常工作
1.2轮毂
（详见：轮毂检查项目表）
2、故障处理
之前提到风机发电的前提是各系统检测正常，因此要想提高风机可利用率，延长元器件寿命，就要将故障处理作为维护工作的重点。故障发生的原因大致包括：电网原因、维护原因和天气原因。
2.1电网原因
当35KV供电线路保险跌落造成短路时，瞬间产生的过载电流会导致机舱控制系统相关断路器断开而引发故障。
另一方面，电网如果长时间停电，在此期间风机内部元器件因为设置了低电压穿越功能会严重馈电，而此时电池柜已无法向230V供电电源充电，所以当电网恢复供电后，230V电源就不能为PLC提供电能，机舱控制系统不工作即导致无通讯故障。此外，如果塔基温度达不到控制器设定的温度值时也会造成无通讯故障，冬季易频报。
应对该类常见且多发故障，除了保证电池电压达到额定值外，对230V辅助供电设备也要维护到位，每次巡检时须根据其使用说明书进行测试。
2.2维护原因
维护原因导致的故障是由于限功率、元器件老化、线路虚接或损坏这三大方面所引发。以下是常见故障的产生原因及其处理预防措施。
（1）主控制系统
以发电机与轮毂转速差过小故障为例，这是主控制系统引起的缺陷，机舱PLC通过超速脱口装置（Turck）检测轮毂与发电机转速差，这个值需要保持在一定范围内，否则会对轴承造成损害，通常该故障是由Turck本身问题引起的，另外，机械原因也会造成该故障，机舱检测轮毂转速信号是通过滑环及其编码器，滑环由支撑杆与轮毂相连，角度呈90°，当支撑杆连接螺栓松动或出现断裂时滑环就会空转，导致Turck检测不到轮毂信号，造成故障并停机。
再如柜体温度过高故障，它是由于温度传感器到主PLC输入端口线路损坏或PLC模块负极底座损坏造成电流过大所致，通常后者发生的概率较大，需紧固负极接线。
（2）变桨控制系统
风机轮毂属于转动部件，每时每刻都会受到来自叶片的转矩，因此故障较为频发，常见的有轮毂驱动故障。
轮毂通过滑环接收来自机舱控制系统的信号与供电，再经轮毂柜驱动变桨电机工作，每个轮毂柜控制一个叶片，信号的处理需通过变桨变频器来实现，而该过程又要经过斩波器进行保护，当变桨变频器内部出现损坏时，信号就不能继续传递，有时接触器故障也会导致信号中断，最常用的判断方法就是断电后再送电观察接触器是否吸合，或测量电阻，当电阻无穷大时就证明已经损坏。
另外，如果斩波器出现问题会导致电流过大，烧坏保险，使线路断开引发故障。这里经常要用到控制变量的方法，当无法确定故障点时，可将该部件安装到正常轮毂柜内观察运行情况，再根据故障代码判断损坏与否，例如：三个轮毂柜编号分别为1、2、3号，所报故障代号即为11、21、31，更换后故障代码即发生改变，由此可找到故障点。
（3）变频器控制系统
变频器通过硬件和软件分别对发电机、变桨系统、偏航角度进行调节，以及控制风机并网。以变频器未同步故障为例，限制功率时，由于风机之间通过环网连接，后运行的风机功率会被限制到额定功率以下，导致发电机功率过低，此时发电机侧变频器就会检测到与发电机不同步而报出该故障。另外，在并网过程中，只有定子接触器闭合，定子电压幅值、相位、频率与电网一致才能发电，所以定子接触器损坏也会造成不同步。
2.3天气原因
在气候干燥的地区，沙土尘埃常年累月的堆积在齿轮箱油冷散热器内会使齿轮箱油无法及时散热而出现限功问题，影响发电，这就需要及时清洗散热器。此外，雷击产生瞬时强大的电流同样会对风机造成损害，所以防雷系统可靠性不容忽视。
以上就是一些典型故障的产生原因和排除方法，因此，风机上的线路、元器件都需及时检查，发现松动或异常要及时紧固，元器件损坏的也应尽快更换，不能让风机带病运行。
四、风力发电机组的运行维护技术
1、日常维护检修
风力发电机组的运行维护工作，由远程操作与现场维护两部分构成。
远程操作通过风力发电机组控制进行远程控制维护和故障排除。风力发电机组的电网电压、温度控制、网速适应等可以通过远程复位和自动复位进行维护。远程控制系统还能够对发电机组的运行参数进行自动收集，对风况数据、功率输出等进行收集和远距传输，为控制人员提供维护参考数据，实现日常远程维护。同时，系统还能够对机组故障进行分析，减少停机时间，提高机组利用率。
而定期检修和日常维护工作及部分故障排除是需要到现场开展的。定期检修主要是检查风机联接件之间的螺栓力矩、传动部件的润滑测试，如发现问题要及时进行维护和修理，确保机组正常运行。日常维护则主要是针对风机内外部各部件进行检查维修，如安全平台、升降机、液压站、控制柜、刹车闸盘、轴承、风轮声音等方面，以及工作平台的清理等工作。日常维护有利于及时发现故障隐患，实施预防措施，提高设备的完好与稳定运行。
2、故障处理
风力发电机运行时间长，体积大、重量大、高度高，对维护检修工作造成一定的难度。如果一些小的问题没有及时发现，就会积累成大的故障，最终影响机组的正常运行。在此，要做好机组故障检修工作。这项工作主要分为以下几个部分。
一是状态检修，即在日常维护的基础上，准确判断机组的运行状况，及时发现故障并快速解除。状态检修是故障处理工作的重要一环，有利于提高各项检修工作的质量。
二是预防性检修。即按照风力发电机组的运行规律和技术标准，对机组各部件进行定期的紧固、调整、修复、更换工作。预防性检修一般是针对较小部件损坏或小故障，没有必要进行大部分更换和维修的情况下。如对塔尖、叶片、内部结构等进行检修。
三是故障维修。当发电机组的大型部件、电气系统等发生故障时，整个发电机组将停止运行，就必须对相关部件、模块、内部构件等进行大量修改和更换。在这种情况下，工作任务重，维修成本高，也是检修工作的重点内容。
此外，在故障维修的过程中，往往要进行改进性的检修工作。即发现机组故障时，针对硬件质量、部件协调性缺陷、系统设计缺陷等问题，进行改进性研究，从而提高部件质量和设计质量，提高机组整体的设计水平，从而在源头上降低故障的发生几率。
3、防雷维护
风力发电机组造价很高，且多位于开阔区域，加之整体高度达到几十米甚至150米，使得风机直接处于雷电威胁之下。因此，做好防雷保护工作也是机组运行维护工作的重要之一。
结束语
无论是双馈异步型还是直驱型风力发电机组，都需要及时维护，只有不断对比和摸索，在原有技术规程的基础上总结和提高，严禁凭经验操作，这样才能真正掌握风电机组的运行原理，根据实际情况制定合理的维护计划。既然安全事故可以杜绝，那么能够导致风机停机的故障也可以在工程技术人员的不懈努力下预防其发生，风机的可利用率方能提高，风力发电技术才会逐渐成熟，造福人类。
参考文献
[1]王莹，赵燕峰，袁乐.大型风电机组的防雷系统解析[J].风能，2014，（03）：92-96.
[2]康春华，张小青，王芳.风电机组的防雷问题[J].山西电力，2006，（06）：62-64.
论文作者:廖永强
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/16
标签：故障论文; 机组论文; 轮毂论文; 风机论文; 风力发电机组论文; 风轮论文; 工作论文; 《电力设备》2017年第31期论文;