系列風電機組事故分析及防范措施（七）
——提高機組的整機性能與機組安全

文 | 王明軍，邵勤豐

系列風電機組事故分析及防范措施（七）
——提高機組的整機性能與機組安全

文 | 王明軍，邵勤豐

風電機組的整機性能與部件質量有著密不可分的關系，提高機組的整機性能和機組安全，必須提高機組的部件質量，尤其是關鍵部件的質量。但是，機組的部件性能好、質量高，并不等于機組的整機性能好、安全性高。只有按照整機設計要求合理地配置機組各部件，并經風電場長期試驗配套調整之后，才能達到各部件的最佳配合，整機綜合性能最優。

建立和完善質量管控體系

保證機組安全和運行質量，首先，要保證機組各部件的設計及生產質量。風電機組部件開發的測試驗證流程大致分為廠內測試、機組測試（1－3臺）和風電場測試（1－3個風電場）三個環節。其次，保證整機設計、部件配套及生產裝配的質量。最后，機組及部件的現場維護、維修和調試質量是保證機組運行、消除安全隱患的重要環節。

在機組及部件設計、生產的各個環節中，廠內工序的質量控制相對容易。保證機組的整機性能、運行安全及質量，還必須對機組及各部件的風電場試驗、驗證、現場調整及維護等現場工作進行良好的質量管控。

因風電場條件的限制，容易造成對現場工作的質量控制流于形式，或僅局限于對人員及工作流程的管理，難以對現場的實際工作直接進行管理。如能利用網絡、手機APP等現代通信手段，對機組運行狀況進行監控和管理，對風電場的關鍵工作過程實施質量管控，將有利于彌補現場管理的不足和漏洞。

為確保機組安全及運行質量，除了做好機組生產、安裝、調試、運維和備件的質量管控以外，還要搞好對機組附屬部件（箱變、塔筒等）的采購維護質量，風電場輸電線路、線路保護設施及升壓站建設的質量控制。

為了更好地進行質量控制，提高機組效率和可靠性，降低風電場的建設成本，不僅機組設備由整機廠家提供，而且風電場宏觀、微觀選址和風電場建設也均由整機廠家整體規劃和設計。依照風電管理和設備要求進行風電場及其附屬設施建設。當機組投入正常運行，或出質保后再把風電場整體交給業主，這也是一種切實可行的提高風電場建設質量，降低風電場建設成本的方案。

兼顧多個目標，提高整機性能，降低度電成本

在機組設計、生產、配套與調整時，需兼顧多個目標，達到機組的綜合性能最優，如功率控制的控制算法相對較優、機組的年利用小時數高、安全性高、故障概率低、機組效率高、部件及機組壽命長、機組保護及運行參數較優、生產和維護成本低等多個目標。而這些目標之間又時常存在矛盾，例如，機組年利用小時數與大部件損壞、機組效率與部件壽命；機組安全、故障概率與生產成本。因此，需要綜合權衡，而不是片面地追求機組效率、機組年利用小時數高及制造成本最低，以期達到整個壽命期內的機組度電成本最低。

在機組整機研發時，要以提高機組整機綜合性能為目標；在部件采購時，不僅要看各部件的技術指標，更要參考機組部件的運行業績和實際運行效果；在機組的葉片、變槳系統、主控系統、齒輪箱、發電機、變頻器、通訊控制器、后臺軟件等部件及軟件配套時，需在樣機和風電場機組運行中不斷調整，以達到最佳整機性能。

機組主控與后臺軟件統一。設備廠家在機組配套生產時，其機型可能有多種，但是，要對不同機型的主控進行統一設計，并使用同一個后臺軟件。主控在不同機型之間的差別可通過增加，或屏蔽其部分功能，或修改參數以實現與不同機型機組的配套，這樣，有利于主控的備件供應和軟件管理；有利于主控和后臺軟件的持續改進和完善；有利于減少編程人員的工作量。更重要的是：便于風電場的故障判斷；減小現場服務和運維的技術難度；有利于“集中監控，區域維修”；有利于數據上傳和功率管理；有利于通過遠程排查機組的安全隱患；并且當機組事故發生后，更便于事故分析。

基本部件統一。在機組啟機、功率控制、停機時，變槳系統（包括葉片）、變頻器與主控之間需要進行密切協調與配合，且這些部件對機組整機性能的影響相對較大。如果這些部件之間配合不佳，可能出現機組部件壽命縮短（如：主齒輪箱等）、振動超限和效率低等問題。因此，同一機型的這些基本配置應當完全一樣，即：這些部件的設計原理和生產廠家都完全相同。在進行大批量生產之前，這些基本部件和各種程序軟件應經過了長時間、多種條件的現場調整和實踐檢驗，以達到機組效率、部件壽命和故障概率等綜合性能及指標的最優。例如：當葉輪的輸入功率超過機組額定功率時，采取具體的功率調節控制方式，除考慮機組發電量的提高，還需考慮機組及部件安全，是否增加主齒輪箱、塔筒等部件的載荷和沖擊等，而不能單方面地追求發電量的提高和功率曲線的優化。因此，變槳系統、變頻器與主控之間配合和調整時，應兼顧多個目標，實現機組綜合性能的最優。

同一設備廠家的風電產品應實現標準化、系列化。不同機型主要是針對機組的不同功率和適用的條件環境做出相應變化，而機組的基本設計思路不應有較大的差別，應充分考慮不同機型之間部件的借用與互換，這樣將有利于機組的持續改進、維護和維修成本的降低；在滿足業主不同需求時，應當以不破壞設備廠家的產品標準化、系列化為基本前提。例如：某設備廠家如果決定采用直流變槳系統，那么，在重大設計變更前，設備廠家生產的所有機型應采用統一設計思路的直流變槳系統，這將有利于減少研發、服務人員的技術難度和工作量。在變槳系統采購時，盡量采購同一配套廠家的變槳系統產品，以利于與部件廠商建立長期、穩定、互信的合作關系，實現部件生產的規模經濟性，降低部件成本，同時，也有利于機組部件的持續改進。

在機組配套時，如采用了來自不同廠家的發電機、齒輪箱、潤滑油泵等，這些部件可能在現場使用上有所不同，則應根據其性能和特點進行配套及維護。依據風電場的運行實踐，確定來自不同配套廠家部件在使用上的細微差別，采取不同的參數、配套方式及維護措施。例如：在進行機組的發電機配套時，應注意不同發電機前軸承的結構形式，針對其不同特點采取不同的維護和潤滑方式，以避免機組燒毀事故的發生。

因此，設備廠家的整機配套設計思路，對機組質量、整機性能、備件供應、研發成本、技術服務難度、遠期的機組運行和維護成本等均有著重要的影響。在激烈的市場競爭條件下，整機配套的總體設計思路正確與否，還關系到設備廠家競爭的成敗。

提高機組部件性能與質量

葉片、變槳系統、主控系統、齒輪箱、發電機、變頻器、風電場環網設備、后臺軟件等每一個部件均應具備較高的性能與質量，這是生產安全可靠、整機性能優異的風電機組必要條件。由于篇幅的原因，在此僅就與整機配套最密切的變槳系統、主控系統、變頻器3個基本部件予以說明。

一、優秀機組控制器（主控）能大幅度地提高整機性能，排查機組的安全隱患

性能優異的主控系統，除了滿足保證機組正常運行和機組安全、主控本身的故障率低、控制邏輯合理，按設計要求實施功率控制等基本要求以外，還應具有以下特性：在機組維護、維修及故障檢查時，使用方便；抗干擾能力強；報故障準確；有完善的遠程故障診斷、檢查手段；其控制策略還應對保護齒輪箱、發電機及塔筒等部件有利；有完善的權限、密碼系統，便于登錄互聯網和權限管理，以滿足不同管理級別和技術層次人員在后臺上對機組實施的遠程操控。

主控系統對提升機組的整機性能至關重要。僅主控報故障不準確就可給現場機組維修帶來一系列的麻煩和問題：可造成對機組部件好壞的誤判；可能對檢測元件及傳感器接線要求太高；使機組的故障概率增加；還會使故障處理的時間、難度大大增加。

下面僅就因主控性能欠佳造成的主控誤報“振動模塊”故障和報“振動超限”不準確加以說明。

某主控與振動檢測元件之間配合不佳，在機組運行時易報“振動模塊”故障。從理論上來講，主控、振動檢測元件以及他們之間的通信接線，任何一個環節存在問題，均可能報此故障。因主控問題，對振動檢測元件以及它們之間連接線的要求也相當高。在現場處理此類故障時，需對以上的各個環節一一進行檢查，這大大增加了故障處理的難度和時間，造成振動檢測元件的大量更換；如果因主控問題造成報“振動超限”停機故障不準確，其故障判斷將更加困難，此類問題可能增加機組的故障概率，還可能造成部件損壞，甚至危及機組安全。

控制程序是主控的核心。我們使用的是主控對機組的控制性能，而不僅僅是硬件。完善的主控程序可以便捷地遠程排查機組安全隱患，對預防重大事故具有重要的意義；決定主控優劣的關鍵是完善的控制器軟件，而不是主控硬件。完善的程序及合理的控制參數對提升主控性能起到了決定性的作用。

目前，國內絕大部分兆瓦級風電機組上的主控，其硬件都是從國外進口，程序則是基于硬件廠家提供的原型進行二次開發，或自主開發。有的國產主控廠家則以國外硬件廠家作為其主控品牌。國產主控開發較晚，主控編程人員普遍缺乏現場經驗，未能把更多的機組運行經驗、維護維修經驗、遠程故障診斷和安全檢查工具等融匯到主控軟件中。與國際知名主控廠家產品相比，國產主控在安全保護（包括：機組關鍵數據的采集、儲存及主控本身等）、報故障準確、使用方便、遠程故障診斷以及遠程安全檢查等諸多方面還有相當的差距。為保證機組安全，提高整機性能，需盡快對此類主控的控制程序進行完善。綜合考慮機組安全、整機性能、部件成本、國產化以及自主知識產權等多種因素，國內開發較早且軟硬件均自主研發，程序較為完善的國產主控理應具有更大的發展實力和潛力，不應被貌似先進的國外硬件主控排擠出市場。

因此，性能優異的主控能大幅度地提高機組的整機性能及防止重大事故的發生。

二、變槳系統設計思路與質量直接關系到機組安全

部件的安全設計理念，應以簡潔可靠為基本前提，過于復雜的設計不一定是安全產品。在系統設計中，簡化系統的執行流程和控制流程有利于提高機組的安全性和降低故障概率。

在交流變槳系統中，直接影響機組安全的是伺服驅動器，應簡化其功能設計，除接受變槳指令之外，就是其本身和涉及機組安全的收槳功能。伺服驅動器硬件接口過多，更容易出現接口硬件損壞；軟件功能過多，軟件編程上也容易出現更多bug，不管軟件還是硬件故障都可能導致伺服驅動器失效。

在直流變槳系統中，正常緊急順槳執行流程最簡化。當執行緊急順槳時，在順槳的執行回路上，通過緊急順槳接觸器吸合直接把直流變槳電機與后備電源導通，不受外界的軟硬件和交流供電影響；在直流變槳系統中，變槳驅動器緊急順槳，其設計實現了控制回路的最簡化。即：當外界交流供電電源不正常，或變槳交流電源斷開時，在變槳驅動器內，直接導通后備電源與變槳電機，從而實現變槳驅動器的緊急順槳。

目前，變槳機組所采用的變槳系統主要有三種：液壓變槳系統、電動直流變槳系統、電動交流變槳系統。這三種變槳系統各有其優勢和缺點。

無論哪種變槳系統，其安全性和可靠性都應放在第一位。如造成三支葉片同時不能順槳，則可能引起機組飛車事故的發生，變槳系統設計和質量在避免機組飛車中起著最為關鍵性的作用。機組運行時，因輪轂處于運動狀態，對于變槳機組來說，在同等質量的情況下，比其他部件的故障概率要高很多。

為保證機組安全，降低變槳故障率，應著重做好以下幾方面的工作：

首先，在整機成本一路走低的情況下，不能因成本問題而隨意降低變槳系統的質量；其次，嚴格控制變槳關鍵部件的生產和運維質量；第三，完善變槳控制器程序，與主控密切配合實現冗余保護，保障機組安全；第四，在沒有充分實踐依據的情況下，不能隨意對變槳系統進行改造，或增加環節和部件，以免導致機組安全性更低，故障概率增加。

三、變頻器對機組性能的影響和作用

兆瓦級風電機組普遍都采用了變頻器，變頻器的配套選型和質量，對電網質量、機組性能、機組變頻器安全、維修方便、機組故障概率以及遠程故障診斷等具有重要的影響和作用。

第一，變頻器質量直接關系到電網質量和高、低電壓穿越的能力。因為變頻器的參與，會給電網帶來高次諧波，又會影響到機組的部件損壞及電網質量。

第二，完善的變頻器保護措施和程序，保護變頻器及機組安全。對于雙饋風電機組，通過變頻器定、轉子的電流較大，且機組并網時，定子直接與電網相連，完善的變頻器保護措施，它不僅涉及到變頻器的自身安全，還涉及到發電機、導電軌及機組安全。因此，當定、轉子對地，或相間出現小電流短路時，變頻器就迅速保護停機。通過多種措施確保在機組故障或停機時，變頻器能迅速脫網，以保護變頻器和機組安全。

第三，很好地與主控配合實現較優的功率控制，減小機組振動，提高效率，保護聯軸器、主齒輪箱等機組部件。要達到主控與變頻器等在功率控制方面良好匹配，尤其是初次與某主控配套，應在風電場對兩者進行多方測試和詳細調整。

第四，變頻器應具有完善的遠程故障診斷工具及后臺軟件；與風電場環網通訊的通訊控制器之間應有相互配套的軟硬件接口，以便對機組及變頻器實施遠程故障診斷、安全檢查等。

第五，在決定變頻器的冷卻和布置方式時，應綜合考慮機組成本、維修方便及機組安全等多個方面。

搞好現場服務，優化服務體系

不少風電企業，雖有片區，但沒能充分發揮片區的作用。在每個風電場均有常駐服務維修人員，這使得本來緊缺的技術力量和現場服務人員更加分散，直接導致了風電場及風電場之間缺乏必要的支持和協調，而使機組故障處理遲緩久拖不決。我國眾多風電場亟待實施“集中監控，區域維修”的風電管理體制，以建立更有效的風電場服務體系，加強片區、公司總部對風電場的技術支持。具體措施如下：

第一，扁平化組織結構。讓設計、服務能有效銜接；讓處于第一線的人員能有效地調動資源，快速反應。

第二，通過階段性培訓、提高一線人員的技術水平，通過報酬分配及靈活的休假制度調動和提高現場工作人員的積極性，通過信息化手段提高機組管理有效性，使公司員工能更多地了解風電場機組運行狀況，并參與機組管理，解決現場技術和服務人員短缺問題。

第三，建立行之有效的遠程故障檢查與診斷系統，集中建立風電場數據中心和云數據平臺。通過及時發現機組的潛在安全隱患，提高機組發電效率，增加機組利用小時數，真正幫助業主解決他們最為關心的問題。

第四，機組購買商、營運商的機型盡可能單一。有利于減少備件供應，降低機組維護維修成本及現場人員的要求。

結語

依照風電發展的基本規律進行整機配套和風電場管理，把有限的資源投到提高風電機組關鍵部件的性能與質量上，優化機組的整機配套，提高機組整體性能和機組安全。讓綜合性能及質量優異的風電機組具有更大的發展空間，降低機組壽命周期內的度電成本，減少和避免重大事故的發生。

（作者單位：王明軍：東方電氣風電有限公司；邵勤豐：東方電氣自控研發中心）

攝影：張旭