基于故障樹的風電機組變槳系統故障診斷研究

李洪川，王旭東，王東明，曹晨藝，陳乃超，潘衛國

（1.甘肅中電投新能源發電有限責任公司，甘肅蘭州 730060；2.上海電力大學能源與機械工程學院，上海 201306）

0 引言

為了高效利用資源，嚴格保護生態環境，推動、實現“碳達峰、碳中和”的目標，大力發展清潔能源已經成為人們普遍的共識，風電機組也在向著大單機容量的方向發展[1]。風電機組在運行時，風場中的風速和風向經常發生變化且波動性極大，而機組主要零部件運行于高空，常年受到陽光、雨水、風沙等侵蝕，工作環境極為惡劣[2]。更大的容量和風輪直徑帶來了更高發電量，同時也產生了機組結構更加復雜、各部件之間的耦合性越來越強等問題，這對風電機組可靠性提出了更高的要求[3]。變槳系統作為大型風力發電機組中控制系統的核心部件，它可以調節槳葉角度使風機獲得最大的風能利用率，減少極端天氣下風力對整個風電機組的危害，它在很大程度上對風電機組的工作靠性做出保障[4-5]。變槳系統也是風電機組中最常見且最難以處理的故障之一，嚴重時會因為風機槳葉控制不及時導致風機無法正常運行，造成葉片折斷、風塔倒塌等重大事故[4]。因此，對風電機組變槳系統的維護是至關重要的[6]。

近年來，智能風電運檢、設備實時故障診斷與健康檢測等方法被提出，來實現風電場運維檢測一體模式[7]。當前風力機組故障分析的方法主要有：故障樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）[8]、故障模式后果與嚴重度分析（Failure Mode，Effects and Criticality Analysis，FMECA）[5]和模糊灰關聯分析[9]等。風電機組故障樹的判斷情況，需要確定故障信息中所包含的特征和邊界范圍，依據頂事件為基礎，按照故障樹的故障診斷方法建立相應的分析模型，逐一分析各級聯系，確定最小交割和最小路集，實現故障診斷[10-11]。

本文使用故障樹分析法對風電機組變槳系統故障診斷模型進行優化，實現準確計算、快速預測傳動系統故障原因，效果顯著。

1 故障樹分析原理

1.1 故障樹分析流程

故障樹分析法是一種將系統整體故障拆分成各種可能導致整體故障的子故障，之后再將這些子故障分解為更小的子故障，逐層分解、圈定范圍，由總體至部分按樹枝狀逐級細化的圖形演繹方法。通過對所有基礎的故障原因進行分析，繪制出故障樹，再將各個故障根據他們之間的聯系連接起來，構建故障樹模型。當故障發生時，就可以根據所構建的模型、逐級排查，判明系統故障原因、確定故障發生的概率，評價引發系統故障的各種因素的相關重要度。

1.2 故障樹模型

故障樹模型是一種以研究對象結構特征為基礎的行為預測推理模型。它以整個系統最不希望發生的事件為頂事件（如機器停機等），將導致頂事件發生的、所有可能的直接原因作中間事件；導致中間事件發生的、不可能再分的所有可能直接原因作為底事件，并用邏輯門表示事件之間關聯的一種倒置樹狀結構的邏輯圖（圖1）。

圖1 故障樹模型

2 風電機組變槳系統故障樹分析技術

2.1 風電機組變槳系統的故障類型及機理分析

本文以某風場中某風機的緊急停機時的故障數據為研究事件，以變槳系統故障停機為頂事件，使用故障樹方法研究風電機組中變槳系統的故障診斷。通過研究導致變槳系統故障的直接原因，并結合導致這些原因產生的更深層次的原因，找出故障產生的成因和后果的關系，構造多層次故障樹結構模型。

將變槳系統緊急停機作為“頂事件”，并以導致變槳系統緊急停機的直接原因作為“中間事件”，再將導致中間事件產生的根本原因作為“基本事件”。導致頂事件發生的中間包括變流器故障、機艙振動超限、發電機故障、變槳系統故障四大類，其中：導致中間事件“變流器故障”發生的基本事件有轉子側變流器電壓故障、轉子側變流器故障、網側變流器電壓故障、變流器UPS 報警、變流器內部通信故障、變流器故障跳閘；導致中間事件“機艙振動超限”發生的基本事件有機艙振動報警；導致中間事件“發電機故障”發生的基本事件有發電機電刷故障、發電機冷卻水風扇保護、發電機定子避雷器保護動作、發電機轉子避雷器保護動作；導致中間事件“變槳系統故障”發生的基本事件有變槳系統Prifibus通信超時、風輪轉速比較出錯等。構造出多層的故障樹結構模型如圖2 所示，其中UPS 為Uninterruptible Power Supply 的縮寫，即不間斷電源。

圖2 風電機組變槳系統的故障樹

3 實例

對某風場1#風電機組因各類故障停機的原因和狀況進行分析，統計了該臺風機由不同種故障造成停機的總次數和造成風機的停機時間。按照不同故障現象導致變槳系統故障的概率分配權重R，R=F×T。其中，F 為停機故障率，T 為該故障占總故障時間的比例。

1#風電機組不同故障類型故障率如表1 所示，并利用故障樹模型對機組停機狀況進行識別。

當風電機組發生故障時，只需操作人員按照故障樹理論，參考表1 根據“頂事件→中間事件→基本事件”的邏輯分析圖2 故障樹上各節點的狀態。由于各節點之間的差異性，其分析方法也有所不同，不過都可以利用故障樹的推理返向推理機制，對故障源進行排查和修復。

表1 1#風電機組變槳系統故障發生種類及頻率

4 結束語

本文根據某風場某風機變槳系統故障而造成停機的現象，通過故障樹原理構建了相應的模型。計算了各種故障故障發生的頻率，以及發生故障時對風機造成的影響。按照故障樹推理機制進行驗證，考慮各種故障發生的權重，按照各個節點的檢測機制進行排查就可以減少檢修時效，形成一種新的風電場運檢管理方案。