风力发电机组运行安全及控制措施的探索

包桦

摘 要 风电机组作为风电场运行的核心装置，通常由于地处沿海区域或恶劣环境、交通不便的偏远郊区，因此，给风电机组日常运行安全及控制造成了一定难度。为尽量避免风电机组故障造成停机，迫切需要提高风电机组尤其是核心设备风力发电机的运行可靠性，控制风力发电机的运行维护成本。本文在分析风力发电机故障特点的基础上，具有针对性地提出运行安全及控制策略。

关键词 风力发电机组 风力发电机运行 参数分析 日常维护

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）07-0016-02

由于风力发电场的艰难运行条件，风力发电机出现故障的可能性增加。风能是自然界中常见的自然现象，特别是在经济不发达，风能资源丰富的山地地区。增加本地风力发电机的数量不仅可以增加我国的经济价值，而且可以提供本地能源供应。[1]考虑到风能对当前社会结构的重要性，加强风力发电机组运行安全及控制措施可以提高风力发电机运行的可靠性，并允许在整个发电机组运行期间及时发现问题，使整个风力发电机运行更平稳和安全。

1 风力发电机常见故障特点

1.1 叶片

风电机组中叶片作为风电机组感应风能的重要构件，由于所处环境极其恶劣，所以时常导致会出现一些设备故障，如：长期受到风能应力导致叶片变形、叶片结构裂纹、桨距控制失效。风电机组叶片损伤探测与评估，常使用声发射检测技术，考虑到叶片故障引发的转子叶片受力不均会传导到机舱上而造成机舱晃动，可在机舱主轴上安装多个振动传感器，通过传感器采集低频振动信号，分析叶片转动空气动力不平衡等故障。[2]

1.2 齿轮箱

齿轮箱通常通过齿轮结构可使主轴上低转速变为较高转速。由于风电机组齿轮箱的工作运行传输功率较大、工况较为复杂，齿轮箱的高速轴侧轴承、行星齿轮、传动侧轴承、中间轴轴承等发生故障的几率较大。由于齿轮受冲击载荷、交变应力等作用影响，很容易出现齿面擦伤、磨损、断齿等问题。[3]对此，可利用小波神经网络方法分析其振动信号，还可检测分析润滑油温度、油液磨粒、轴承温度等信息，对齿轮箱故障进行诊断。

1.3 电动机

现阶段风电机组中相对于永磁同步发电机技术，双馈发电机转速相对较高，会存在一定的噪音污染，且风电机组对应需要增速齿轮箱，因此机组整体重量较重。双馈发电机为异步发电机，其额定转速为1500r/min，由于变流器连接转子，可实现功率的双向流动，确保发电机在额定转速70-105%范围内的恒频变速运行，以此获得稳定的输出功率。风电机组风力发电机中的电动机故障有机械故障、电气故障，机械故障主要表现为轴承损坏、过热，转轴形变磨损、转、定子间隙异常等;电气故障主要表现为绕组断路、短路、过热等。电动机故障通常分析电动机的温度、电流、振动等信号完成相应检测。

1.4 变压器和变流器

风电机组的电气系统故障反复维修造成过高的维修成本，特别是近年来风电机组不断扩容，导致电气系统故障时有发生，风电机组的电气系统故障主要由变压器、变流器的过流、过压、过热、湿度过大等导致设备内部电路板、电容、功率半导体器件等电子元器件无法发挥正常功能。[4]

1.5 控制系统和传感器

风电机组控制系统由控制器、传感器、执行装置组成，经传感器传输采集信号到控制器。风向标、风速仪、压力传感器等，由于恶劣的运行环境，导致传感器存在较高故障问题。控制系统故障除了传感器故障外，还有软硬件故障，如：电路故障、伺服装置故障等，控制系统故障主要表现为不响应、偶发性死机等。

2 维持风力发电机组运行安全的技术和方法

2.1 计算参数异常监测

风力发电机中的计算参数需要选择适当的监视技术和检测方法。在实际操作中，请注意以下几点：第一，在确定计算参数的过程中，有不同类型的风力发电机。在某些风力发电机中的许多地方都需要运用不一样的算法，并且每种类型的算法都有许多策略可供选择。有必要针对风力發电机的现状和要求选择合适的算法，由于不同的算法直接影响最后的计算结论，因此选择正确的算法可以大大提高监视计算参数的计算精度和效率。其次，选择正确的硬件来运行算法。所谓的工具适用于：（1）路由算法稳定并且可以长时间工作，设备的完整性需要硬件支持;（2）风力发电机应配备可靠，稳定的传输和测量设备，以计算和输出数据的算法操作提供基本通道。

2.2 可测量参数异常监测

对风力发电机的测量参数进行监测时，必须掌握一些方法和原理，应注意以下几点：（1）风扇的测量参数通常为电压、电流、频率、液压、温度等。应根据类型选择不同的测量仪器和测量参数，选择一起工作的众多测量仪器;（2）分析并确定测量参数的上限和下限，并根据该限度选择适当的范围;（3）分析并确定测量值的正常/异常值的范围，并根据测量参数采取相应的措施和条件。[5]

2.3 故障诊断分析

在对风力发电厂进行故障排除时，需要根据设备的设计复杂性和设备运行的特定条件来详细分析许多因素，以提高诊断结果的准确性。风力发电机具有许多活动部件，其设计的复杂性使其难以排除故障。传统的诊断技术需要改进，新的技术和概念已经被引入，各种故障的准确诊断已成为解决问题的基础。为了诊断风机故障，有必要准确地捕捉各种故障现象，并根据风机功率、振动、压力、变形、磨损和温度等性能参数进行综合分析，以进行故障判断。

2.4 振动分析

使用振动分析的原理是将组件的振动传感器安装在主要部件上（例如变速箱支架，发电机支架，主轴支架和车架）。这些传感器可以准确地测量主机部件的振动，通过处理和分析来自传感器的振动反馈，可以快速而准确地评估设备中每个组件的振动状况和运行趋势，由此可以分析振动的原因，并确定设备是否有缺陷。

2.5热力参数分析

大多数风力涡轮机的温度包括：主要组件的内部温度，机舱和控制箱的温度与机油和液压油的温度。风力发电机中的大多数空气湿度包括机舱中的湿度和控制箱中的湿度。通过监视风力发电机的热参数，可以有效地监视发电机的工作状态。并且根据热参数的趋势和建议，能够精准地识别故障设备，并为故障原因分析提供足够的基础数据。

3 风力发电机运行安全及控制策略

3.1 定期维护

风电场风电机组需要定期对风力发电整机进行维护，定期检查恶劣环境中的雨水、尘土、雷电等因素所造成的风力发电机运行问题，维护人员一旦发现风力发电机故障问题，应及时处理确保发电机清洁、干净，降低发电机运行故障发生率。同时，螺栓、垫圈等发电机紧固件需要及时检查其连接情况、绝缘性能等，保证风力发电机的结构件可以满足实际运行需要，风力发电机通常可通过干油润滑、稀油润滑来起到对内部机械装置的润滑作用，稀油润滑多用于齿轮箱的润滑维护，风力发电机运行维护人员应及时更换润滑油，干润滑油则多用于轴承偏航齿轮，由于这类齿轮长期运行很容易造成润滑油温度上升，因此存在变质的可能性，发电机运行维护人员则应及时补充、更换润滑油，并严格控制补充量，防止发电机电气烧坏等后果。另外，运行维护人员在维护轴承与润滑系统时，需要全面、认真检查润滑脂类型，并全面清洁油嘴及相关区域，确保润滑通道的通畅性，保证轴承用润滑油按照规定用量使用。运行维护人员需要结合发电机实际运行规律，维护定、转子绕组，通常情况下绕组干燥的新电机绝缘性能较好，只需在出现故障时进行检测工作，绝缘电阻值减小不仅受绕组温度的影响，而且在存储或运输过程中受潮等也会降低电气设备的绝缘电阻值。而对于长时间停机或者首次启用的发电机，运行维护人员应至少每年开展一次绝缘电阻测试。[6]

3.2 日常维护

风力发电机除了需要定期维护外，对于日常运行过程中出现的各种故障问题，运行维护人员也应在最快时间内解决，以免延误风电场风电机组的正常运行，在及时排除故障隐患后，风电场运维人员需要结合故障特点，有针对性地进行日常维护工作。

3.3 完善管理维护制度

风电场风力发电机的定期维护、日常维护工作以完善的管理维护制度为基础，检测维修制度可以确保发电机运行维护的有序开展，运行维护人员在管理发电机的过程中，应按照管理维护制度，全面有序地检测发电机的各个线路、元件，有针对性地测试线路承受能力，采用先局部检测再整体检测的顺序，一旦元件、线路性能不达标，应及时对其进行维修更换。另外，还要完善定期维护制度，利用制度约束运行维护人员，规范维护流程，确保能够顺利开展风力发电机维护工作，明确定期维护方案、维护时间，从根本上提高发电机运行维护效率，降低风力发电机运行故障。

4 结语

综上所述，隨着我国能源部门出台加快推进风电开发意见建议，风力发电机组扩容需求不断上升，风电机组运行持续时间也随之增加，风力发电机运行稳定性问题日益突出，运行维护人员应根据发电机运行故障特点，明确故障诊断技术方案，并有针对性地制定风力发电机运行维护策略，从而提高风电机组中风力发电机的运行稳定性。

参考文献：

[1] 李珉.风力发电机组齿轮箱轴承故障诊断探析[J].中国设备工程，2020（09）：103-104.

[2] 胡兴.浅析风力发电机组定期维护管理[J].科技创新导报，2019（05）：86-87.

[3] 薛鹏，李鑫泉，刘立峰，等.浅析风力发电机组检修维护工作安全管理要点[J].中国设备工程，2019（04）：137-138.

[4] 梁宏.风力发电机组运行安全分析与控制措施[J].河南科技，2013（17）：104-105.

[5] 李鑫泉，胡建华，薛鹏，王晓刚.风力发电机组安全运行控制措施探析[J].中国高新区，2017（11）：102.

[6] 谢成光.浅谈安全文化建设对企业安全生产的重要性[J].四川水力发电，2016（06）：147-149.