关于风电场风电机组中风力发电机的运行维护分析

2021-06-28湛福江

电子测试 2021年6期

湛福江

（中广核巴里坤风力发电有限公司，新疆哈密，839200）

0 引言

风能是一种绿色、可再生能源，在很大程度上可以解决发电产生的环境污染问题，风电机组作为风电场运行的核心装置，由于通常地处沿海区域或恶劣环境、交通不便的偏远郊区，且机舱一般位于离地面上百米的高空，因此，给风电机组日常运行维护造成一定难度。为尽量避免风电机组故障造成停机，而带来的巨大经济损失，迫切需要提高风电机组尤其是核心设备风力发电机的运行可靠性，控制风力发电机的运行维护成本。本文在分析风力发电机故障特点的基础上，具有针对性地提出运行维护策略。

1 风力发电机常见故障特点

1.1 叶片

风电机组中叶片作为风电机组感应风能的重要构件，叶片往往承受较大风能应力，且所处环境极其恶劣，即使风电机组正常运行，也会出现一些设备故障，如：叶片结构松动造成雨水通过裂纹进入叶片内部，引起叶片不平衡；环境污染等原因增加叶片表面粗糙程度；长期受到风能应力导致叶片变形、叶片结构裂纹、桨距控制失效而造成空气动力不平衡[1]。由于叶片受力出现形变或裂纹时，会释放时变的、高频的、瞬态的声发射信号，风电机组叶片损伤探测与评估常使用声发射检测技术，考虑到叶片故障引发的转子叶片受力不均会传导到机舱上而造成机舱晃动，可在机舱主轴上安装多个振动传感器，通过传感器采集低频振动信号，分析叶片转动空气动力不平衡等故障。

1.2 齿轮箱

齿轮箱通常由一级行星齿轮、两级平行齿轮传动组成，是连接风力发电机与风电机组主轴的重要构件，通过齿轮结构可使主轴上低转速变为较高转速，以此满足风电机组的正常运行转速需要，由于风电机组齿轮箱的工作运行环境非常恶劣、传输功率较大、工况较为复杂，齿轮箱的高速轴侧轴承、行星齿轮、传动侧轴承、中间轴轴承等发生故障的几率较大。由于齿轮受冲击载荷、交变应力等作用影响，很容易出现齿面擦伤、磨损、断齿等问题，造成滚道滑伤、轴承磨损、外圈跑圈、滚子打滑等故障。由于齿轮箱故障所需的部件维修时间较长，维修费用相对较高，对于齿轮箱故障诊断可利用小波神经网络方法分析其振动信号，还可检测分析润滑油温度、油液磨粒、轴承温度等信息，对齿轮箱故障进行诊断[2]。

1.3 电动机

现阶段风电机组通常采用永磁同步发电机、双馈发电机，直驱式风力发电机是直接耦合电机转子，通常使用永磁同步电机，电机转速一般较低，电机启动转矩较大，定子绕组经全功率变流器接入电网，相对于双馈发电机其运行范围较宽，但直径较大、结构相对复杂，设备成本较高。相对于永磁同步发电机技术，双馈发电机转速相对较高，会存在一定的噪音污染，且风电机组对应需要增速齿轮箱，因此机组整体重量较重。双馈发电机为异步发电机，其额定转速为1500r/min，由于变流器连接转子，可实现功率的双向流动，确保发电机在额定转速70-105%范围内的恒频变速运行，以此获得稳定的输出功率[3]。风电机组风力发电机中的电动机故障有机械故障、电气故障，机械故障主要表现为轴承损坏、过热，转轴形变磨损、转、定子间隙异常等；电气故障主要表现为绕组断路、短路、过热等。电动机故障通常分析电动机的温度、电流、振动等信号完成相应检测。双馈式异步风力发电机结构见图1所示。

图1 双馈式异步风力发电机结构

1.4 变压器和变流器

风电机组的电气系统故障虽然造成的停机时间不长，但电气系统发生故障频率较高，反复维修造成过高的维修成本，特别是近年来风电机组不断扩容，导致电气系统故障时有发生，风电机组的电气系统故障主要由变压器、变流器的过流、过压、过热、湿度过大等导致设备内部电路板、电容、功率半导体器件等电子元器件无法发挥正常功能。

1.5 控制系统和传感器

风电机组控制系统由控制器、传感器、执行装置组成，经传感器传输采集信号到控制器，实现对风电机组各运行子系统的保护与控制，确保风电机组安全稳定运行。风向标、风速仪、压力传感器等传感器，由于恶劣的运行环境，导致传感器存在较高故障问题。控制系统故障除了传感器故障外，还有软硬件故障，如：电路故障、伺服装置故障等，控制系统故障主要表现为不响应、偶发性死机等。

2 风力发电机运行维护策略

2.1 定期维护

风电场风电机组需要定期对风力发电整机进行维护，定期检查恶劣环境中的雨水、尘土、雷电等因素所造成的风力发电机运行问题，维护人员一旦发现风力发电机故障问题，应及时处理确保发电机清洁、干净，降低发电机运行故障发生率。同时，螺栓、垫圈等发电机紧固件需要及时检查其连接情况、绝缘性能等，保证风力发电机的结构件可以满足实际运行需要，风力发电机通常可通过干油润滑、稀油润滑来起到对内部机械装置的润滑作用，稀油润滑多用于齿轮箱的润滑维护，风力发电机运行维护人员应及时更换润滑油，干润滑油则多用于轴承偏航齿轮，由于这类齿轮长期运行很容易造成润滑油温度上升，因此存在变质的可能性，发电机运行维护人员则应及时补充、更换润滑油，并严格控制补充量，防止发电机电气烧坏等后果。另外，运行维护人员在维护轴承与润滑系统时，需要全面、认真检查润滑脂类型，并全面清洁油嘴及相关区域，确保润滑通道的通畅性，保证轴承用润滑油按照规定用量使用。运行维护人员需要结合发电机实际运行规律，维护定、转子绕组，通常情况下绕组干燥的新电机绝缘性能较好，只需在出现故障时进行检测工作，绝缘电阻值减小不仅受绕组温度的影响，而且在存储或运输过程中受潮等也会降低电气设备的绝缘电阻值。而对于长时间停机或者首次启用的发电机，运行维护人员应至少每年开展一次绝缘电阻测试。

2.2 日常维护

风力发电机除了需要定期维护外，对于日常运行过程中出现的各种故障问题，运行维护人员应在最快时间内解决，以免延误风电场风电机组的正常运行，在及时排除故障隐患后，风电场运维人员需要结合故障特点，有针对性地进行日常维护工作。检查梯子及安全平台的螺栓是否出现松动，逐一排查监控柜内部装置是否正常运转，有无放电或其他杂音，检查发电机夹板、电缆是否存在松动、偏移现象，排查风力发电机轴承、砸盘、齿轮、闸垫等构件是否有异响。在完成日常维护工作后，运行维护人员还要及时清理风电机组发电机，擦拭液压站的接口部位，确保发电机干净、整洁。

2.3 完善管理维护制度

风电场风力发电机的定期维护、日常维护工作以完善的管理维护制度为基础，检测维修制度可以确保发电机运行维护的有序开展，运行维护人员在管理发电机的过程中，应按照管理维护制度，全面有序地检测发电机的各个线路、元件，有针对性测试线路承受能力，采用先局部检测再整体检测的顺序，一旦元件、线路性能不达标，应及时对其进行维修更换。另外，还要完善定期维护制度，利用制度约束运行维护人员，规范维护流程，确保能够顺利开展风力发电机维护工作，明确定期维护方案、维护时间，从根本上提高发电机运行维护效率，降低风力发电机运行故障。