風電場中風力發電機組運行故障及維護

胡超波

（國電電力湖南新能源開發有限公司，長沙 410000）

0 引言

隨著國內經濟的發展，人們的生產生活對于電力能源的需求越來越大。傳統的火力發電以煤炭為主要燃料，在燃燒發電過程中排放物會對環境造成較大污染。因此，需要加大對新能源的開發和利用力度。國內風能資源豐富，利用風能發電是國內當前新能源發電中的一種主要方式。目前，國內風電機組裝機容量不斷增加，據國家能源局發布的數據顯示，截止到2022 年8 月，國內風電累計裝機總量達到34450 萬千瓦，為保障社會電力供應奠定了基礎[1]。風電產業快速發展的同時，風電機組的運行維護也面臨較多困難。在風力發電中，發電機組是產生電能的重要設備。由于設備自身質量以及風電場惡劣環境的影響，導致風力發電機組在運行中易發生多種故障，造成風機停機，影響風電項目的效益，嚴重的話還有可能引發火災、觸電等重大事故，造成人員傷亡。基于此，對風力發電機組常見的故障進行總結，并提出相應的維護策略，降低發電機組故障發生率，對于確保風電場正常運行，提高風能發電效益具有重要的意義。

1 風力發電機組的故障特點

風力發電機組的故障呈現出多發性、隱蔽性強，維修困難，維護成本高的特點，為提高風電機組的發電效益，機組多安裝在高原、沿海、牧區等多風地帶。機組設備在露天環境下運行，外界環境會影響設備的運行性能，加上機組載荷的多變工況影響，導致機組的設備部件實際壽命周期縮短，往往沒有達到使用壽命期限就出現損壞情況。在實際運行中，風電機組的變槳系統、齒輪箱、軸承、液壓系統等易出現設備元件損壞或運行不良等狀況。故障隱蔽性強主要是風電場分布范圍很廣，而且單臺機組的安裝高度比較高，一些小的零部件的磨損、連接件的松動等故障不易被發現，往往引發更大故障后才被發現。維修比較困難是因為風電機組的安裝高度通常在80m ～90m，維護屬于高空作業，攀爬費時費力。此外，發電機組不僅有很多小的部件，還有發電機、齒輪箱、葉片等大型的部件，這些部件的安裝、拆卸過程困難，有的海上風電機組拆裝需要動用大型輪船，給檢修維護帶來了較大困難。風電機組多是在偏遠地區安裝，檢修維護主要依靠人工來完成，維護成本高，而且由于機組設備的拆裝、運輸困難，需要動用多種機械設備來完成，也增加了維護成本。以陸地上一臺1.5MW 機組的齒輪箱為例，如果齒輪箱發生較大故障需要下塔維修的話，要用到專用的吊裝設備，僅拆裝的費用就高達數十萬元，再加上運輸、維修的費用，會大大增加維護費用[2]。

2 風力發電機組運行中的常見故障

2.1 發電機故障

發電機是風力發電機組的核心部件之一，通常被稱為感應電機，是將葉輪轉動產生的機械能轉化為電能的重要裝置。其轉子和變頻器連接到一起，為轉子回路提供頻率可調的電壓。由于受外界環境影響，加上為了滿足實際工況要求，發電機需要切換不同的運行模式。長期運行易出現轉速過高、溫度高、內循環風冷入口過溫等故障，導致發電機轉速過高主要是變槳出現卡滯，瞬間風速過大，轉速傳感器跳變等原因造成的。發電機溫度高主要表現為：繞組溫度高、軸承溫度高，主要原因是接線回路虛接或錯接，水冷系統堵塞，水冷系統壓力低，傳感器故障，軸承磨損，電腐蝕，潤滑失效等。內循環風冷入口過溫是由于接線回路虛接，風扇故障，風道堵塞等原因引起的。

2.2 葉片故障

葉片是將風能轉化為機械能的部件，通常由加強玻璃塑料、碳纖維強化塑料等材料制成。在風力的作用下，葉片開始旋轉，并通過齒輪箱將葉片的旋轉速度提升，將轉化后的機械能通過風輪軸傳送到傳動裝置[3]。風電機組獲得風能是依靠葉片來實現的，大功率的機組搭配的葉片更長，重量能達到數十噸。因此，葉片的工作狀態對于風電機組的運行有重要的影響。風電機組的運行環境惡劣，葉片長期在沙塵、雨雪、雷電等環境下運行，易發生葉片開裂、斷裂、連接螺栓磨損或斷開，葉尖壓力低，葉輪過速等故障。葉片發生故障后，會出現受力不均衡的情況，導致機艙顫動，影響風電機組的穩定性。

2.3 變槳系統故障

變槳系統的主要作用是調節葉片的迎風角，當外界風速較大超過額定風速時，變槳系統通過對葉片迎風角的調整使輸出的功率和額定功率基本相同。同樣，外界風速較小時，通過對葉片迎風角的調整來盡可能地吸收風能，確保功率輸出穩定。變槳系統故障主要有：變槳電機溫度高，葉片槳距偏差大，后備電源容量不足等，導致變槳電機溫度過高的原因主要有電機長期過載，變槳齒輪有異物卡滯，齒輪箱故障等，而導致葉片槳距偏差大的主要原因有變槳軸承潤滑不足，機械部件變形，變槳電機載荷過大，驅動器異常，變槳電機旋變插頭松動等。后備電源容量不足主要是由于蓄電池老化，長期充電不足導致電池極板硫化，充電過壓導致電池損傷等原因造成的。

2.4 齒輪箱故障

齒輪箱是發電機組的重要機械部件，將葉輪產生的動力傳遞給發電機，常用的有平行軸齒輪傳動和行星齒輪傳動。如果外界風速小，葉輪轉速低的話，齒輪箱還可以起到增速的作用。因此，齒輪箱也被稱為增速箱。齒輪箱在風電機組中起傳遞扭矩和增速的作用，其載荷隨著風向的變化、風速的大小而不斷變化，易出現多種故障。在實際運行中，齒輪箱常見的故障主要有：齒輪箱油位低、油溫高、齒輪磨損，以及軸承故障等。導致齒輪箱油位低主要是由于箱體泄漏，油位傳感器出現故障，油溫低等原因造成的。齒輪箱油溫高的原因主要是：齒輪箱過載，冷卻系統故障，散熱不良，冷卻介質溫度高，溫度傳感器故障以及潤滑油管不暢等。齒輪磨損、齒面擦傷主要是由于潤滑不良，長期變載荷工況下運行出現的應力沖擊，和灰塵雜質清理不及時等因素導致。軸承故障主要是由于電腐蝕、磨損，潤滑油不足，油溫過高，潤滑失效等原因引起的。

2.5 偏航系統故障

偏航系統是風力發電機組的重要組成部分，當外界風向發生變化時，該系統能確保葉輪最大程度地保持迎風狀態，從而更好地利用風能發電。偏航系統故障主要有偏航方向錯誤，偏航制動系統壓力不穩，偏航過載以及偏航速度低等。導致偏航方向錯誤的原因主要有：偏航滑移，偏航力矩不足，偏航編碼器輸出的位置數據異常，計數模塊數據跳變等。偏航制動系統壓力不穩主要是由于液壓管路泄漏，管路接頭松動，液壓系統蓄能器故障，液壓系統元件損壞等原因導致。偏航過載主要是偏航閘抱死，偏航減速器故障，偏航電機絕緣損壞等。偏航速度低的主要原因有：機械故障、位置編碼器數據異常等[4]。

2.6 變流器故障

變流器是風力發電機轉子側的勵磁裝置，主要作用是：當葉輪轉速發生變化時，變流器控制勵磁幅值、頻率等，調整風力發電機組輸出電壓的幅值、頻率、相位與電網電壓保持一致，變流器故障主要有：過流、過壓及內部通信故障等，變流器過流的原因主要是：電流霍爾傳感器異常、功率模塊故障、檢測回路連接不良以及功率回路短路等，過壓故障主要是：電機轉速高、直流母線過壓等原因導致，導致變流器內部通信故障的原因主要有：光纖連接不牢，控制板損壞等。

3 風力發電機組運行維護策略

3.1 做好日常檢修維護

要定期檢查發電機轉速傳感器安裝是否牢固，運行是否良好；接線回路有無虛接、錯接現象；水冷系統運行是否正常，冷卻器有無存在堵塞情況；散熱風口通風狀況是否良好；查看軸承有無磨損或潤滑不良的情況，及時更換或添加潤滑油；檢查風扇是不是正常運行，風道有無堵塞情況。維護人員要定期利用先進的檢測技術對葉片進行檢測，及時發現裂紋、變形等情況，并采取相應的措施。比如，利用聲發射檢測技術可以收集葉片高頻、瞬態的聲發射信號，并對收集到的信號進行相應處理，能準確判斷出葉片裂紋或變形的位置。檢查葉尖液壓管路的壓接頭是否有泄漏，壓力開關是否良好，儲壓罐的蓄能狀況是否良好等[5]；檢查變槳系統的機械部件有無變形情況，變槳齒輪有無明顯磨損、擦傷情況，蓄電池有無老化情況，電機插頭有無松動等。定期對齒輪箱進行清潔、潤滑，清理齒輪箱體表面及內部灰塵，及時添加或更換潤滑油，潤滑油的更換周期最好不超過36 個月。在進入盛風期前，要重點檢查油位傳感器、齒輪、軸承、冷卻系統等重要部件的工況，對于不符合運行要求的部件及時更換。定期檢查偏航系統的計數模塊、偏航編碼器數據輸出是否正常，液壓管路有無泄漏情況，液壓元件有無損壞情況、偏航電機絕緣是否損壞等；檢查變流器散熱是否良好，及時清理冷卻風扇上的積塵，防止變流器局部過熱，對螺栓、墊圈等緊固件進行緊固，防止出現松動。

3.2 科學運用現代技術

風電機組是個復雜的系統，如果在設備部件出現故障前及時更換就可以降低故障發生率。風電機組在發生故障前有征兆，利用遠程在線監測技術可以監測設備的運行狀態，分析設備部件的安全壽命期[6]。遠程在線監測是利用安裝在發電機組設備上的傳感器來監測設備運行狀態，通過收集傳感器的反饋信號建立數據庫，通過數據的對比來分析設備是否存在安全隱患，以便讓檢修人員提前檢修或更換。由故障后檢修變為故障前維護，降低維護成本和檢修難度，減少非停次數。利用數據分析技術可以分析風電機組的故障發生機理，統計故障發生次數，為維護策略的制定和優化提供數據參考。同一風電場的運行環境相同，風電機組故障發生也有一定的規律可循。將風電機組的故障系統分為發電機、風輪、變槳系統、偏航系統等若干個故障子系統，利用故障樹分析法和故障模式分析法分析匯總各個子系統的故障情況，建立故障分析報表；利用數據分析技術對各個故障子系統的故障類別、原因以及故障發生的概率等進行分析，并制定相應的維護策略，為制定和完善風電機組維護策略提供科學的數據基礎。

3.3 健全維護管理制度

1）制定針對性的維護計劃

多數風電場的維護計劃是根據機組制造商提供的維護清單來制定的，但不同風電場的地理及自然環境不同，部件的運行壽命周期也不一樣。因此，維護人員需要在機組制造商提供的基礎維護清單的基礎上，根據風電場的運行環境和機組運行狀況等制定針對性的維護計劃，擴大維護范圍，提高維護標準，根據每臺風電機組制定完善的檢修維護計劃，避免出現維護不足的情況。

2）做好維護質量評估工作

維護質量的評估可以促進維護措施的優化，對完善維護措施有良好的促進作用，而且通過對評估指標數據的前后對比，可以更好地評價維護效果。質量評估指標主要包括：風電機組的可利用率、平均無故障運行時間、平均故障總耗時等方面。風電機組的可利用率是統計周期內風機的可用時數與統計周期總時數的比值，比值越大，說明機組的可利用率越高。平均無故障運行時間是風機兩次相鄰故障之間的時間間隔，可以衡量出風機維護的水平。平均風機故障總耗時是一個周期內（通常為一年）風機停機消耗的時間，這個指標可以反映出維護人員對于故障的反應速度、故障的診斷及排除能力等[7]。

3）強化人員培訓，建立完善的崗前、專項培訓體系，提高檢修維護人員的檢修技術水平。崗前培訓主要包括：安全、環境、資質等方面的培訓，專項培訓主要包括專業知識（風電機組的結構組成、部件名稱、運行原理等）和維護檢修技術（常見的故障現象、產生故障的主要原因、排除故障的基本流程、專業檢測設備的應用等）的培訓。

4 結束語

隨著國內“雙碳”戰略的推進實施，國內的風力發電產業得到了快速發展，風電機組裝機容量不斷增加，具有運行維護需求的風機數量也快速上升。由于風電機組在露天環境下運行，受不可抗力影響因素較多，故障發生率也比較高。因此，要圍繞提高風電場的發電量、風電機組的穩定性以及降低風電機組維護成本等方面來開展科學的維護，逐步降低以至于杜絕風電機組的大型故障發生率，減少非計劃停機和故障后的被動維修次數，確保機組穩定運行，為社會提供更多優質的綠色電力能源。