张基海
国投云南风电有限公司 云南昆明 650206
摘要：风力发电机是风电场运行维护的重要设备。风力发电机运行缺陷及故障对风力发电系统的影响较大，严重时还会引起发电中断的问题。因此，应全面落实运行维护的措施，积极提高风力发电机的运行效率，进而提升风力发电系统的生产效益。
关键词：风力发电机组；检修；策略
风力发电机的高效运行状态有利于提高风力发电系统的发电量及运行效率，结合风力发电机的运行现状采取运行维护的措施，降低发电机的故障发生机率，更重要的是促进风力发电机的良性运行，优化风力发电机的运行过程，体现运行维护的作用和意义。
1风力发电机运行特征
风能是当今典型的非水可再生能源之一，是目前主要的石化能源代替品。近几年，随着我国风能利用能力的提升和相关风能设备的成熟，国内各地风力发电厂不断涌现，风电机组的装机规模和单机容量也在不断扩大。面对日益增加的风力发电机组规模和数量，各种故障的发生可能性也随之增加，使得风电场发电机组的维修费用也在不断上升。经有关数据统计得出，不少风力发电厂的发电机组维护费用已经达到总成本的五分之一以上。因此为了更好的确保风力发电机组的稳定、安全、经济运行，对风力发电机运行特征进行研究势在必行。
1.1风电场的生产特征
当前我国大部分地区的风电场都处于盛行风地带，且这些地区每年约有半年以上的盛行风。这些地区的风力发电总量占当地电能总量的3/4以上，甚至在无风时期都不愁电能供应问题。就公司在云南区域项目来看，风电场发电的黄金时间为每年的一、四季度，发电量占风电场全年发电量的2/3以上。就风电场的生产经营而言，它在正式投入运行中主要的运营成本包含了设备的折旧费、人工成本、银行利息、检修费用等。其中以检修费用最为突出，但也是最容易控制的一项。
1.2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。
2风力发电机的运行现状
风力发电机质保期一般为五年，质保期内风力发电机的运行维护通常由风机厂家委托给有资质的运维队伍，由于外委队伍责任心及管理方面的问题，目前严重缺乏风力发电机的运行维护，导致发电机经常会出现故障问题，降低了发电机的运行性能。如果不能合理安排运行维护，就会引起带病作业的情况，增加了风力发电机的运行风险，容易诱发安全事故。近年来逐渐树立了运行维护的意识，致力于采用运行维护和故障诊断的方法，控制风力发电机的运行，排除发电机中的故障，并积极配置科学、合理的技术，实现技术化的运维管理。
3风力发电机组的故障诊断技术分析
3.1基于振动信号的故障诊断技术
基于振动信号的针对风力发电机组中叶片、齿轮箱、轴承等关键部件的监测与故障诊断方法在我国已经非常成熟。科研人员根据风电机组的故障特点，利用小波神经网络方法对风电机组齿轮箱进行故障诊断，主要是针对风电机组的微弱故障信号，根据集平稳子空间分析的信号分析以及连续的小波变化，总结出风电机组齿轮箱的故障特征。利用谱峭度可以诊断行星齿轮箱的故障，基于频率解调方法识别行星齿轮箱的故障情况，再对风电机组振动信号进行降噪，运用流行学习算法对风电机组的早期微弱故障进行诊断。另外，对叶片故障的诊断，是通过分析对压电陶瓷传感器监测到的振动信号完成的。
3.2基于电气信号的故障诊断方法
相对于振动信号，电气信号中与故障相关的内容往往比较弱，还时常被电机固有的电气信号等噪声掩盖。因此，要运用先进的技术，在电气信号中找出与故障相关的部分，再结合电机、转子动力学等模型，总结出风电机组的故障。电机的动力学模型可以展示出电流信号与电机系统的扭矩波动之间的关系，利用模型可以仿真分析齿轮箱故障与电流信号的关联，从而找出齿轮箱的电机传动系统的故障所在。然后，利用维纳滤波滤去除电流信号的噪声，通过分析统计过程控制图可以对电机轴承故障做到早期诊断。根据轴承故障的特点，明确地判断轴承的不同故障。直流无刷电机的转子故障，可以利用加窗Fourier变换以及Wigner-Ville分布，通过分析动态的电流信号进行诊断。专家们利用同步采样方法，从电流信号中分析出故障特征，利用关联维数分析，可以完成风电机组不同故障的定量分析。电机的定子匝间短路故障的诊断，是通过选取隐马尔可夫模型的阶次，建立HMM故障诊断模型完成的。齿轮的故障诊断，可以应用调制信号双谱分析法完成。对转子断条电机和偏心故障的诊断要求的精度相当高，利用Hilbert模量频谱分析，进行仿真实验可以实现。另外，以谱峭度法为依据，再结合利用Hilbert分析方法，可以有效地识别单一的、混合式的电机故障。
3.3基于模式识别法的故障诊断技术
基于模式识别法的故障诊断，即分析风电机组的多元化信号，在时域、频域或时频域上构建一套高维模型，进行特征的融合、降维和分类，继而进行可视化分析，得出故障特征。轴承的故障特征，可以通过对重构的高维结构进行分类分析提取，故障诊断包括以下方法：（1）基于拉普拉斯特征的映射算法，可以保留故障信号的整体几何结构，提取出内在的流形特征，用于装备的故障诊断；（2）基于非线性流形学习方法，在局部空间优化的基础上可以实现滚动轴承的故障诊断，还可以应用新的聚类算法；（3）采取线性判别分析方法，可以对电机轴承的粗糙度故障以及点故障进行诊断。
4常见的风力发电机组故障检修策略
风力发电机组的故障检修是风力发电机组维护工作的重要组成，由于风力发电机组本身装置位置特殊，往往都在位于地面几十米高的空中，且由于长期受到风力的影响这些机组不能够随时进行状态监控。一般来说，风力发电机组的检修工作都是在机组运行3年以后开展的，这就让一些简单的故障在得不到有效预防和处理的前提下迅速扩大，最终造成机组正常运行效率受到影响。
4.1日常检修
风力发电机的日常检修属于最基础的运行维护措施，风力发电机日常运行中出现的故障问题都要通过检修的方法进行处理。本文通过总结风力发电机日常检修的基本措施，解决运行中的故障问题。1）看：检修人员在风力发电机日常运行期间采用直接观察的方法评估运行状态，观察风力发电机中安全平台与构件连接的牢固性，观察连接螺栓的固定性，观察电线电缆的状态，检修人员重点观察风力发电机齿轮、旋转位置处的润滑油，不能出现漏油、干燥的情况，观察润滑位置是否需要清理。2）听：日常检修中听风力发电机的异常声音，可以判断发电机的运行状态，发电机工作时有放电、摩擦、击打等声音时表示有故障，检修人员应该熟悉掌握风力发电机正常工作时的声音，根据经验听取风力发电机的声音，重点听风力发电机的控制柜、齿轮箱、轴承、闸盘闸垫、叶片等。3）故障维护：风力发电机日常检修中发现故障后，就要采取故障维护的措施，专门解决发电机的故障，待风力发电机恢复正常后，检修人员要综合检查发电机的状态，排查发电机的连接线，防止出现连接错误的情况，除此以外检修人员还要清理风力发电机故障维护的现场，为发电机运行提供良好的工作环境。
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4.2故障检修
故障检修指的是当发电机组出现故障之后能够迅速通过相关技术展开检修工作，这种检修策略通常都需要长期的检修时间、工作量大且繁重。在这种故障检修工作中，往往都需要对发电机组内部的构件进行大量的修改，其维修费用高不说还容易导致故障的进一步扩大，因此这种检修方法在目前主要应用在大型的发电机组故障或者灾难性故障处理中，例如通讯模块、驱动模块等故障检修中。
4.3改进性检修
改进性检修即是指对发电机组的频发故障或先天性缺陷进行检修。通常当发电机组投运不久后，各个构件之间的协调性不足、设计上存在的缺陷等问题均将一一出现，还有些构件还没有通过长期的严重就直接进行大面积地推广应用，这就大大增加了构件的故障发生率，此时就可以选择运用改进性检修策略，从故障发生源上解决故障发生率高的问题。
4.4预防性检修
所谓的预防性检修即是指按照预先制定的周期，定期更换发电机组的内部构件或者对机组进行重新地局部紧固、调整，该检修策略主要是将风力发电机组的各个构件的工作状态调整到标准状态。其中预防性检修的工作核心是首先找到造成机组重复性故障或者生产损失的本质原因，并及时地清除。然而，在进行检修时，要尽量地进行规模较小的构件拆除，如果在风力发电机组的某一个构件的寿命期没有开展主动检修或者重新更换，机组内部的大部分部件将仍正常、稳定的运转，将会有效地降低故障发生率。对于构件体积较小，但是损坏了可能将导致其它的从属损坏，或者损坏需要较长的修复周期的构件，就应该定期地在弱风期进行重新更换，还应该把拆卸下来的构件进行检修保养，以便下次更换使用。对于塔尖、向叶片这些构件，就必须定期检修保养。
4.5设备状态检修
设备状态检修即是在设备状态评估的前提下，按照设备的日常监测、状态监测和诊断提供的数据信息、进而为准确判断机组的运行状况，然后分析出机组设备存在的故障，并及时地采取相应的措施进行有计划性地检修。其中，风力机组状态检修需要运用到多种手段，主要的辅助手段包括油品在线监测、振动在线监测以及热成像检查、内视镜检查、定期化检等。运用状态检修能够及时地立交机组的故障状况并快速解决，进而增加机组的利用率和完好率，提高风力发电机组的检修工作质量和降低各种费用。
5风力发电机的维护保养
5.1定期进行巡视检查，及时发现机组的故障隐患
国投云南风电公司所属的东川野牛风电场和武定三月山风电场主要位于云贵高原，自然环境比较恶劣，受到不断变化的西南季风和东南季风的共同影响，机组在工作过程中经常会出现各种异常现象及设备故障，如果不能够及时发现就很容易导致机组设备严重损坏，甚至导致其停机，因此风力发电站应安排检修人员定期巡视检查，并能够结合中控室的微机数据对机组的运行状况进行分析，对于新投入运行的、带“病”工作的、出力较高的机组应重点检查、消除隐患。
5.2落实定期维护保养工作
为了尽可能延长风力发电机组所有设备的使用寿命，发电厂设备维修人员必须要严格按照机组的使用维护手册落实定期维护保养工作，并能够根据自身的工作经验以及机组的实际工作状况有所侧重，机组运行过程中经常发生故障的部位应重点维护，工作人员必须要有责任心，定期维护工作不能敷衍了事，要确保每一项工作都落实到位，才能够真正消除安全隐患，防止意外事故。
5.3维护保养工作的注意事项
为了提高维护保养质量，尽可能延长机组的使用寿命，降低发电成本，提高电网的稳定性、安全性，实际工作过程中检修人员还需要注意以下几点问题。1）熟悉整个机组的使用维护说明，对风电机组的内部构造、工作原理、相关性能等内容必须要有一个详尽的了解，保养过程中能够及时发现安全隐患。2）风电机组运行过程中，发电机轴承是出现故障最为频繁的部位之一，一般情况下，轴承润滑不足、使用时间过长、润滑脂使用过量、润滑油型号不匹配、轴承更换时旧油没有全部排出、新轴承定位存在偏差等等原因都会导致轴承损坏，维护工作中要做好预防检测，可以通过频谱振动仪等仪器设备对齿轮箱、轴承的传动部位进行检查，防止传动失效，影响发电机的正常工作。3）变频器是风电机组的重要组成部分，它能够将电机启动时产生的冲击载荷减小，实现软启动，对于提高电动机及电网的工作效率十分有利。变频器工作时会产生高频电磁波，会干扰到附近仪器仪表的工作，严重时还可能损坏空间单元，使其失灵，因此检修人员必须定期对附近元器件的接地以及屏蔽层接地进行检查。
6风力发电机的日常维修
发电机组出现故障之后检修人员必须要能够在较短时间内迅速找出故障的原因，并采取有效的处理方法，尽可能减少故障损失，就风电机组的常见故障及检修处理方法进行简单归纳。
6.1风电机组的常见故障处理方法
风力发电机组涉及的设备及零部件十分多，各个零部件都有可能出现故障，因此整个机组的故障种类较多，简单来说，机组的故障可以分为机械故障和电气故障两种，机械故障一般情况下通过听设备的声音、测试表面温度、观察震动情况等方法就能够找出故障部位，相对而言，电气故障部位的检修就比较复杂，检修人员必须要能够熟悉整个机组的工作原理才能够找出故障原因并选择合适的处理方法。风电机组故障检查是故障检修过程中的重要环节，常见的检查方法主要有常规检查法，自诊断法，机、电、液综合分析法，电路参数测试对比法，隔离法，分段淘汰法等等几种，检查过程中要灵活选择合适的方法。常规检查就是凭借检修人员的看、闻、摸、听观察仪器是否存在温度异常、震动异常、气味异常、声音异常，查找出故障原因；自诊断法则是通过机组的控制系统及计算机控制装置中的故障诊断系统提供的自诊断提示信息分析查找出故障部位；电路参数测试对比法要求检修人员通过一定的仪表设备测量所有可疑部位的脉冲信号、电压、电阻、电流，与正常状态下的这些数值及波形进行对比，从而找出故障部位；机、电、液综合分析法指的是在同一个故障之中，同时从机、电、液3个角度进行分析，全面排查故障；风电机组涉及的仪器设备较多，实际运行中故障链可能较长，为了缩短故障排查的时间，检修人员可以由故障链中部开始分段淘汰检查；隔离法检查是缩小故障范围的有效措施，实际检修过程中要求工作人员在发现故障后立刻切断故障部位的电路或者电源，将故障部位与正常工作的仪器设备隔离开来。
6.2做好风机易损件的记录整理
风电机组维护保养过程中还需要做好检修记录工作，汇总当天的检修内容及检修结果，填写相关检修报告、进度表等，对于检修过程中出现的问题及时反馈、迅速处理，提高检修工作的效率。比如偏航系统，GE1500sle、AW1500、WD750及W2000型机组中易损器件主要有风向标、解缆开关、排行刹车、偏航电机刹车等等，后期检修中，检修人员根据这些资料可以划出检查重点，同类型故障能够迅速地大致确定故障原因，一定程度上可以缩短检修时间，提高检修工作的效率。
结论
风力发电已经成为电力能源重要的产生途径，现阶段风力发电产业发展迅速，发电机组是整个风力发电系统的核心，它的维护保养工作十分重要。
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论文作者:张基海
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第16期
论文发表时间:2018/11/12
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