风电机组关键部件可靠性影响因素浅析

风电机组关键部件可靠性影响因素浅析

李建威

大唐辽宁分公司新能源事业部 辽宁省 朝阳市 122300

摘要:近十五年我国风力发电技术高速发展，随着新型机组和老旧机组数量不断增加，机组出现失效事故频发，其部分事故是不可避免的，例如因雷击而造成的火灾事故。通过分析机组烧毁、倒塌等事故发现，它不仅与机组本身的质量、运行环境有关，而且，还与机组运维有着密切的关系。本文从齿轮箱、叶片、变流器、发电机、主轴等风电机组关键部件的角度出发，探究了其故障类型，分析了故障产生原因，同时，从优化风电机组可靠性设计方案、提高风电机组可靠性测试的水平、提高风电机组监测系统的先进性以及优化风电机组维修方式的合理性等方面提出了风电机组可靠性提升方法，并提出了可进一步研究的问题，供读者参考，希望可以带来一定的借鉴。

关键词：风力发电机组；机组灾害；可靠性；影响因素

1绪论

兆瓦级风电机组由叶轮、机舱、塔架、基础组成，功能原理为由叶轮接受风力动能并转化为旋转机械动能，经机舱传动系统增速后机械动能传递至发电机，发电机将机械动能转化为电能，通过输电线路送至升压站升压，并电能输送至电网。随着运行年限的增长和自然条件的恶劣，机组主要部件或零部件失效导致在役机组频发致命事故，同时暴露出一系列安全隐患，给用户带来了极大的困扰。常见的机组失效事故有火灾事故、超速飞车事故、叶片断裂事故、轮毂掉落事故及倒塔事故[1]。目前大型的风电机组多采用两种主要结构形式，分别是直驱风电机组和双馈式风电机组。其中，双馈风电机组由于其优势得到了广泛应用。在风电机组的组成部件中，由齿轮箱、叶片、变流器、发电机、主轴故障造成的损失占比高达90%。本文分别从以上所述风电机组五个关键部件的角度分析其对风电机组可靠性影响因素，并提出可靠性的提升方法，展望值得进一步研究的问题。

2风电机组关键部件可靠性影响因素分析

2.1齿轮箱

齿轮箱位于风电机组机舱内，将主轴上较低的转速提高，用以达到发电机工作所需的转速要求，是风电机组可靠运行的保障。随着双馈风电机组的大规模应用，齿轮箱故障频率也随之增加。齿轮箱出现问题会产生高额的维修费用，以及停机引起发电量损失。齿轮箱的常见故障主要分为齿轮故障、轴承故障及润滑系统故障等。其中，齿轮故障包括断齿、齿面疲劳、齿面胶合、齿面点蚀等；轴承故障包括轴承表面剥落、轴承表面点蚀、磨损、轴承裂纹等；润滑系统故障包括润滑剂凝固、过热、滤芯堵塞等。

2.2叶片

叶片常见的故障包括：弯曲偏摆、振动以及强度不达标造成的叶片断裂；叶片因弯曲、扭曲、自振，以及前、后缘粘接强度较弱造成的叶片开裂情况；叶片受力、疲劳、雷击等因素引起的叶片表面裂纹或内部结构裂纹；叶片尖部强度不足引起的接闪器和尖部的脱落；部件连接不合理引起的螺栓磨损或扭断；叶片表面的保护层逐渐消失所引起的砂眼；叶片内部材料位移引起的叶片不平衡等问题。

2.3变流器

变流器作为控制风电机组输出功率至电网的核心部件，其故障容易引起风电机组运行中断，严重影响风电机组可靠性，甚至诱发安全事故。对比于一般工业变流器，风电变流器受风速不稳定性以及运行环境等因素的影响，其输出功率随机波动性大，可靠性较低。风电机组变流器故障包括：短路、断路、过压、欠压、过流、过热、缺相、通讯故障等。变流器故障的主要原因是风速的随机波动使得变流器不断在各种运行工况之间做动态切换，造成变流器主要电力电子器件重复进行大尺度、高强度的结温波动，疲劳累积老化速度更快，致使变流器的产生故障。

2.4发电机

风电机组发电机由于长期运行在变工况和电磁环境中，容易发生故障，进而影响风电机组可靠运行。按照发电机的子系统划分，主要分为电气故障和机械故障两大类。其中，发电机电气类的故障包括定子故障（定子绕组过热、绝缘损伤和接地）、转子故障（转子绕组故障和转子本体故障）和冷却系统故障（定子和转子冷却系统的泄漏和堵塞故障）。机械故障包括转子本体故障（转子不平衡、不对中、转子裂纹、套件松动等）、支撑结构故障（滚动轴承失效、油膜轴承的油膜失稳等）、发电机机架及基础连接部分的故障(机架开裂、基础松动、结构共振)等。一般来说，导致发电机故障的原因为：螺栓松动、油路不通、轴承过度磨损、管路接触不良或击穿等。

2.5主轴

风电机组主轴大多同时承受径向载荷和轴向载荷，承受冲击的能力较差，在冲击载荷的作用下，容易发生故障。风电机组主轴一旦发生故障，如果得不到及时有效的维护，轻则迫使风电机组停机，重则损毁整个风电机组，因此，主轴对风电机组的可靠性尤为重要。主轴常见故障主要包括：滚动体和滚道接触表面受到脉动循环交变应力产生的疲劳剥落（点蚀）；由于相对运动、密封不良导致外界污染物进入轴承内部产生磨损；由于润滑不良以及装配误差引起磨损或擦伤；轴承承受载荷过大、机械振动等原因导致接触面形成塑性变形凹坑，以及轴承中进入来自外界的硬粒，引起压痕；轴承密封不严，外界的水分或者腐蚀性介质侵入轴承的工作空间，引起轴承化学腐蚀；轴承零件所承受的应力超过轴承材料的断裂极限时，在其内部或者表面可能会产生断裂或者局部断裂；装配不当、冲击载荷等原因造成的保持架的损坏；润滑不足引起的接触表面的胶合等故障。

3提升风电机组可靠性的具体措施

3.1调整可靠性设计方案

由于风电机组需长期工作在恶劣的自然条件下，其可靠性设计对风力发电机组安全运行和快速发展具有重要意义。在风电机组产品早期设计阶段充分考虑可靠性理论并评估设计概念对风电机组可靠性产生的影响，对风电机组进行反复设计和测试，进而设计出高可靠性风电机组的模型，实现风电机组整体设计水平的提高，这是风电机组高效可靠运行的先决条件。例如，为提高叶片设计的可靠性，对于其设计，必须有专业的从事气动、结构分析的人员，按规范要求对叶片进行详细的分析和设计，在保证叶片的气动性能和造价的同时，加强强度并防止产生共振，进而提高风电机组叶片抵抗恶劣工作环境情况的能力。

3.2提高风电机组可靠性测试的水平

可靠性测试的目的是尽早发现潜在的问题，并最终使系统满足其可靠性要求。对于风电机组的部件必须进行正规的测试以确保其可靠性，与此同时，对于风电机组原型装配测试也极为重要。可靠性测试应在多个层次进行，特别是对于复杂的系统应在组件、子系统和系统的各个层面开展全面测试。对于系统可靠性测试中，应在每个级别测试后进行详细分析和问题纠正，提高可靠性测试的水平，进而降低风电机组在实际运行中因故障而长期停机的风险，并减少由于产品的不稳定所造成的损失。

3.3提高风电机组监测系统的先进性

对风电机组进行性能分析以及健康状态评估有利于提高风电机组的可靠性。为此，需开发集数据采集、传输、处理、状态监测、故障预警、故障诊断及性能评估等功能于一体的多维度智能监测系统。此外，可通过建立合理的评估准则，分析风电机组具有代表性的监测参数之间的相关性及各参数的变化趋势，有效识别风电机组的异常运行状态，检测并分离出潜在故障，从而采取措施避免情况进一步恶化，降低风电机组的故障率，保证风电机组安全可靠运行。

3.4重视风电机组维修工作

目前我国风电场对风电机组的维修方式多采用定期预防维修为主、事后维修为辅助，这种策略存在一定的弊端。对于定期预防维修，灵活性较差，无法全面及时了解风电机组的健康状况；对于无计划的事后维修，由于事先的对故障的准备不够充分，易造成维修周期长，且不能有效预防具有严重后果的故障。对比于以上维修方式的弊端，推广采用预知维修制度，在状态监测的基础上，根据风电机组现场实际运行状态的劣化程度来确定维修时间和规模，是目前维修方式大力发展的主要方向。同时，应推进开展以可靠性为中心的维修、机会成组维修等先进维护技术的应用，根据风电机组特定部件实际工况的变化和环境因素的影响，研究适合风电机组的先进维修策略，合理安排维修时间及程度，可极大的提高风电机组的安全可靠性。

结束语

风电机组可靠性管理作为提升风电企业管理水平和设备健康水平的一种科学有效的管理方法，其对电力系统的安全可靠运行起着积极作用；另一方面，风电机组可靠性管理已成为风电企业生产管理的重要组成部分，通过提高风电机组的可用率和可靠性性可以更好的满足社会对电力的需求，从而进一步推动电力行业的可持续发展。

参考文献

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[3]李强强,王德海,李贵强等.提高风电机组大部件可靠性探讨[J].中国设备工程,2020,(02):200-202.

[4]张琛.大型风电场维修策略及资源调配研究[D].华中科技大学,2019.DOI:10.27157/d.cnki.ghzku.2019.005234

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