風力發電機組運行安全及控制措施的探索

包樺

摘 要 風電機組作為風電場運行的核心裝置，通常由于地處沿海區域或惡劣環境、交通不便的偏遠郊區，因此，給風電機組日常運行安全及控制造成了一定難度。為盡量避免風電機組故障造成停機，迫切需要提高風電機組尤其是核心設備風力發電機的運行可靠性，控制風力發電機的運行維護成本。本文在分析風力發電機故障特點的基礎上，具有針對性地提出運行安全及控制策略。

關鍵詞 風力發電機組 風力發電機運行 參數分析 日常維護

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）07-0016-02

由于風力發電場的艱難運行條件，風力發電機出現故障的可能性增加。風能是自然界中常見的自然現象，特別是在經濟不發達，風能資源豐富的山地地區。增加本地風力發電機的數量不僅可以增加我國的經濟價值，而且可以提供本地能源供應。[1]考慮到風能對當前社會結構的重要性，加強風力發電機組運行安全及控制措施可以提高風力發電機運行的可靠性，并允許在整個發電機組運行期間及時發現問題，使整個風力發電機運行更平穩和安全。

1 風力發電機常見故障特點

1.1 葉片

風電機組中葉片作為風電機組感應風能的重要構件，由于所處環境極其惡劣，所以時常導致會出現一些設備故障，如：長期受到風能應力導致葉片變形、葉片結構裂紋、槳距控制失效。風電機組葉片損傷探測與評估，常使用聲發射檢測技術，考慮到葉片故障引發的轉子葉片受力不均會傳導到機艙上而造成機艙晃動，可在機艙主軸上安裝多個振動傳感器，通過傳感器采集低頻振動信號，分析葉片轉動空氣動力不平衡等故障。[2]

1.2 齒輪箱

齒輪箱通常通過齒輪結構可使主軸上低轉速變為較高轉速。由于風電機組齒輪箱的工作運行傳輸功率較大、工況較為復雜，齒輪箱的高速軸側軸承、行星齒輪、傳動側軸承、中間軸軸承等發生故障的幾率較大。由于齒輪受沖擊載荷、交變應力等作用影響，很容易出現齒面擦傷、磨損、斷齒等問題。[3]對此，可利用小波神經網絡方法分析其振動信號，還可檢測分析潤滑油溫度、油液磨粒、軸承溫度等信息，對齒輪箱故障進行診斷。

1.3 電動機

現階段風電機組中相對于永磁同步發電機技術，雙饋發電機轉速相對較高，會存在一定的噪音污染，且風電機組對應需要增速齒輪箱，因此機組整體重量較重。雙饋發電機為異步發電機，其額定轉速為1500r/min，由于變流器連接轉子，可實現功率的雙向流動，確保發電機在額定轉速70-105%范圍內的恒頻變速運行，以此獲得穩定的輸出功率。風電機組風力發電機中的電動機故障有機械故障、電氣故障，機械故障主要表現為軸承損壞、過熱，轉軸形變磨損、轉、定子間隙異常等;電氣故障主要表現為繞組斷路、短路、過熱等。電動機故障通常分析電動機的溫度、電流、振動等信號完成相應檢測。

1.4 變壓器和變流器

風電機組的電氣系統故障反復維修造成過高的維修成本，特別是近年來風電機組不斷擴容，導致電氣系統故障時有發生，風電機組的電氣系統故障主要由變壓器、變流器的過流、過壓、過熱、濕度過大等導致設備內部電路板、電容、功率半導體器件等電子元器件無法發揮正常功能。[4]

1.5 控制系統和傳感器

風電機組控制系統由控制器、傳感器、執行裝置組成，經傳感器傳輸采集信號到控制器。風向標、風速儀、壓力傳感器等，由于惡劣的運行環境，導致傳感器存在較高故障問題。控制系統故障除了傳感器故障外，還有軟硬件故障，如：電路故障、伺服裝置故障等，控制系統故障主要表現為不響應、偶發性死機等。

2 維持風力發電機組運行安全的技術和方法

2.1 計算參數異常監測

風力發電機中的計算參數需要選擇適當的監視技術和檢測方法。在實際操作中，請注意以下幾點：第一，在確定計算參數的過程中，有不同類型的風力發電機。在某些風力發電機中的許多地方都需要運用不一樣的算法，并且每種類型的算法都有許多策略可供選擇。有必要針對風力發電機的現狀和要求選擇合適的算法，由于不同的算法直接影響最后的計算結論，因此選擇正確的算法可以大大提高監視計算參數的計算精度和效率。其次，選擇正確的硬件來運行算法。所謂的工具適用于：（1）路由算法穩定并且可以長時間工作，設備的完整性需要硬件支持;（2）風力發電機應配備可靠，穩定的傳輸和測量設備，以計算和輸出數據的算法操作提供基本通道。

2.2 可測量參數異常監測

對風力發電機的測量參數進行監測時，必須掌握一些方法和原理，應注意以下幾點：（1）風扇的測量參數通常為電壓、電流、頻率、液壓、溫度等。應根據類型選擇不同的測量儀器和測量參數，選擇一起工作的眾多測量儀器;（2）分析并確定測量參數的上限和下限，并根據該限度選擇適當的范圍;（3）分析并確定測量值的正常/異常值的范圍，并根據測量參數采取相應的措施和條件。[5]

2.3 故障診斷分析

在對風力發電廠進行故障排除時，需要根據設備的設計復雜性和設備運行的特定條件來詳細分析許多因素，以提高診斷結果的準確性。風力發電機具有許多活動部件，其設計的復雜性使其難以排除故障。傳統的診斷技術需要改進，新的技術和概念已經被引入，各種故障的準確診斷已成為解決問題的基礎。為了診斷風機故障，有必要準確地捕捉各種故障現象，并根據風機功率、振動、壓力、變形、磨損和溫度等性能參數進行綜合分析，以進行故障判斷。

2.4 振動分析

使用振動分析的原理是將組件的振動傳感器安裝在主要部件上（例如變速箱支架，發電機支架，主軸支架和車架）。這些傳感器可以準確地測量主機部件的振動，通過處理和分析來自傳感器的振動反饋，可以快速而準確地評估設備中每個組件的振動狀況和運行趨勢，由此可以分析振動的原因，并確定設備是否有缺陷。

2.5熱力參數分析

大多數風力渦輪機的溫度包括：主要組件的內部溫度，機艙和控制箱的溫度與機油和液壓油的溫度。風力發電機中的大多數空氣濕度包括機艙中的濕度和控制箱中的濕度。通過監視風力發電機的熱參數，可以有效地監視發電機的工作狀態。并且根據熱參數的趨勢和建議，能夠精準地識別故障設備，并為故障原因分析提供足夠的基礎數據。

3 風力發電機運行安全及控制策略

3.1 定期維護

風電場風電機組需要定期對風力發電整機進行維護，定期檢查惡劣環境中的雨水、塵土、雷電等因素所造成的風力發電機運行問題，維護人員一旦發現風力發電機故障問題，應及時處理確保發電機清潔、干凈，降低發電機運行故障發生率。同時，螺栓、墊圈等發電機緊固件需要及時檢查其連接情況、絕緣性能等，保證風力發電機的結構件可以滿足實際運行需要，風力發電機通常可通過干油潤滑、稀油潤滑來起到對內部機械裝置的潤滑作用，稀油潤滑多用于齒輪箱的潤滑維護，風力發電機運行維護人員應及時更換潤滑油，干潤滑油則多用于軸承偏航齒輪，由于這類齒輪長期運行很容易造成潤滑油溫度上升，因此存在變質的可能性，發電機運行維護人員則應及時補充、更換潤滑油，并嚴格控制補充量，防止發電機電氣燒壞等后果。另外，運行維護人員在維護軸承與潤滑系統時，需要全面、認真檢查潤滑脂類型，并全面清潔油嘴及相關區域，確保潤滑通道的通暢性，保證軸承用潤滑油按照規定用量使用。運行維護人員需要結合發電機實際運行規律，維護定、轉子繞組，通常情況下繞組干燥的新電機絕緣性能較好，只需在出現故障時進行檢測工作，絕緣電阻值減小不僅受繞組溫度的影響，而且在存儲或運輸過程中受潮等也會降低電氣設備的絕緣電阻值。而對于長時間停機或者首次啟用的發電機，運行維護人員應至少每年開展一次絕緣電阻測試。[6]

3.2 日常維護

風力發電機除了需要定期維護外，對于日常運行過程中出現的各種故障問題，運行維護人員也應在最快時間內解決，以免延誤風電場風電機組的正常運行，在及時排除故障隱患后，風電場運維人員需要結合故障特點，有針對性地進行日常維護工作。

3.3 完善管理維護制度

風電場風力發電機的定期維護、日常維護工作以完善的管理維護制度為基礎，檢測維修制度可以確保發電機運行維護的有序開展，運行維護人員在管理發電機的過程中，應按照管理維護制度，全面有序地檢測發電機的各個線路、元件，有針對性地測試線路承受能力，采用先局部檢測再整體檢測的順序，一旦元件、線路性能不達標，應及時對其進行維修更換。另外，還要完善定期維護制度，利用制度約束運行維護人員，規范維護流程，確保能夠順利開展風力發電機維護工作，明確定期維護方案、維護時間，從根本上提高發電機運行維護效率，降低風力發電機運行故障。

4 結語

綜上所述，隨著我國能源部門出臺加快推進風電開發意見建議，風力發電機組擴容需求不斷上升，風電機組運行持續時間也隨之增加，風力發電機運行穩定性問題日益突出，運行維護人員應根據發電機運行故障特點，明確故障診斷技術方案，并有針對性地制定風力發電機運行維護策略，從而提高風電機組中風力發電機的運行穩定性。

參考文獻：

[1] 李珉.風力發電機組齒輪箱軸承故障診斷探析[J].中國設備工程，2020（09）：103-104.

[2] 胡興.淺析風力發電機組定期維護管理[J].科技創新導報，2019（05）：86-87.

[3] 薛鵬，李鑫泉，劉立峰，等.淺析風力發電機組檢修維護工作安全管理要點[J].中國設備工程，2019（04）：137-138.

[4] 梁宏.風力發電機組運行安全分析與控制措施[J].河南科技，2013（17）：104-105.

[5] 李鑫泉，胡建華，薛鵬，王曉剛.風力發電機組安全運行控制措施探析[J].中國高新區，2017（11）：102.

[6] 謝成光.淺談安全文化建設對企業安全生產的重要性[J].四川水力發電，2016（06）：147-149.