风电场中风力发电机组运行故障及维护

胡超波

（国电电力湖南新能源开发有限公司，长沙 410000）

0 引言

随着国内经济的发展，人们的生产生活对于电力能源的需求越来越大。传统的火力发电以煤炭为主要燃料，在燃烧发电过程中排放物会对环境造成较大污染。因此，需要加大对新能源的开发和利用力度。国内风能资源丰富，利用风能发电是国内当前新能源发电中的一种主要方式。目前，国内风电机组装机容量不断增加，据国家能源局发布的数据显示，截止到2022 年8 月，国内风电累计装机总量达到34450 万千瓦，为保障社会电力供应奠定了基础[1]。风电产业快速发展的同时，风电机组的运行维护也面临较多困难。在风力发电中，发电机组是产生电能的重要设备。由于设备自身质量以及风电场恶劣环境的影响，导致风力发电机组在运行中易发生多种故障，造成风机停机，影响风电项目的效益，严重的话还有可能引发火灾、触电等重大事故，造成人员伤亡。基于此，对风力发电机组常见的故障进行总结，并提出相应的维护策略，降低发电机组故障发生率，对于确保风电场正常运行，提高风能发电效益具有重要的意义。

1 风力发电机组的故障特点

风力发电机组的故障呈现出多发性、隐蔽性强，维修困难，维护成本高的特点，为提高风电机组的发电效益，机组多安装在高原、沿海、牧区等多风地带。机组设备在露天环境下运行，外界环境会影响设备的运行性能，加上机组载荷的多变工况影响，导致机组的设备部件实际寿命周期缩短，往往没有达到使用寿命期限就出现损坏情况。在实际运行中，风电机组的变桨系统、齿轮箱、轴承、液压系统等易出现设备元件损坏或运行不良等状况。故障隐蔽性强主要是风电场分布范围很广，而且单台机组的安装高度比较高，一些小的零部件的磨损、连接件的松动等故障不易被发现，往往引发更大故障后才被发现。维修比较困难是因为风电机组的安装高度通常在80m ～90m，维护属于高空作业，攀爬费时费力。此外，发电机组不仅有很多小的部件，还有发电机、齿轮箱、叶片等大型的部件，这些部件的安装、拆卸过程困难，有的海上风电机组拆装需要动用大型轮船，给检修维护带来了较大困难。风电机组多是在偏远地区安装，检修维护主要依靠人工来完成，维护成本高，而且由于机组设备的拆装、运输困难，需要动用多种机械设备来完成，也增加了维护成本。以陆地上一台1.5MW 机组的齿轮箱为例，如果齿轮箱发生较大故障需要下塔维修的话，要用到专用的吊装设备，仅拆装的费用就高达数十万元，再加上运输、维修的费用，会大大增加维护费用[2]。

2 风力发电机组运行中的常见故障

2.1 发电机故障

发电机是风力发电机组的核心部件之一，通常被称为感应电机，是将叶轮转动产生的机械能转化为电能的重要装置。其转子和变频器连接到一起，为转子回路提供频率可调的电压。由于受外界环境影响，加上为了满足实际工况要求，发电机需要切换不同的运行模式。长期运行易出现转速过高、温度高、内循环风冷入口过温等故障，导致发电机转速过高主要是变桨出现卡滞，瞬间风速过大，转速传感器跳变等原因造成的。发电机温度高主要表现为：绕组温度高、轴承温度高，主要原因是接线回路虚接或错接，水冷系统堵塞，水冷系统压力低，传感器故障，轴承磨损，电腐蚀，润滑失效等。内循环风冷入口过温是由于接线回路虚接，风扇故障，风道堵塞等原因引起的。

2.2 叶片故障

叶片是将风能转化为机械能的部件，通常由加强玻璃塑料、碳纤维强化塑料等材料制成。在风力的作用下，叶片开始旋转，并通过齿轮箱将叶片的旋转速度提升，将转化后的机械能通过风轮轴传送到传动装置[3]。风电机组获得风能是依靠叶片来实现的，大功率的机组搭配的叶片更长，重量能达到数十吨。因此，叶片的工作状态对于风电机组的运行有重要的影响。风电机组的运行环境恶劣，叶片长期在沙尘、雨雪、雷电等环境下运行，易发生叶片开裂、断裂、连接螺栓磨损或断开，叶尖压力低，叶轮过速等故障。叶片发生故障后，会出现受力不均衡的情况，导致机舱颤动，影响风电机组的稳定性。

2.3 变桨系统故障

变桨系统的主要作用是调节叶片的迎风角，当外界风速较大超过额定风速时，变桨系统通过对叶片迎风角的调整使输出的功率和额定功率基本相同。同样，外界风速较小时，通过对叶片迎风角的调整来尽可能地吸收风能，确保功率输出稳定。变桨系统故障主要有：变桨电机温度高，叶片桨距偏差大，后备电源容量不足等，导致变桨电机温度过高的原因主要有电机长期过载，变桨齿轮有异物卡滞，齿轮箱故障等，而导致叶片桨距偏差大的主要原因有变桨轴承润滑不足，机械部件变形，变桨电机载荷过大，驱动器异常，变桨电机旋变插头松动等。后备电源容量不足主要是由于蓄电池老化，长期充电不足导致电池极板硫化，充电过压导致电池损伤等原因造成的。

2.4 齿轮箱故障

齿轮箱是发电机组的重要机械部件，将叶轮产生的动力传递给发电机，常用的有平行轴齿轮传动和行星齿轮传动。如果外界风速小，叶轮转速低的话，齿轮箱还可以起到增速的作用。因此，齿轮箱也被称为增速箱。齿轮箱在风电机组中起传递扭矩和增速的作用，其载荷随着风向的变化、风速的大小而不断变化，易出现多种故障。在实际运行中，齿轮箱常见的故障主要有：齿轮箱油位低、油温高、齿轮磨损，以及轴承故障等。导致齿轮箱油位低主要是由于箱体泄漏，油位传感器出现故障，油温低等原因造成的。齿轮箱油温高的原因主要是：齿轮箱过载，冷却系统故障，散热不良，冷却介质温度高，温度传感器故障以及润滑油管不畅等。齿轮磨损、齿面擦伤主要是由于润滑不良，长期变载荷工况下运行出现的应力冲击，和灰尘杂质清理不及时等因素导致。轴承故障主要是由于电腐蚀、磨损，润滑油不足，油温过高，润滑失效等原因引起的。

2.5 偏航系统故障

偏航系统是风力发电机组的重要组成部分，当外界风向发生变化时，该系统能确保叶轮最大程度地保持迎风状态，从而更好地利用风能发电。偏航系统故障主要有偏航方向错误，偏航制动系统压力不稳，偏航过载以及偏航速度低等。导致偏航方向错误的原因主要有：偏航滑移，偏航力矩不足，偏航编码器输出的位置数据异常，计数模块数据跳变等。偏航制动系统压力不稳主要是由于液压管路泄漏，管路接头松动，液压系统蓄能器故障，液压系统元件损坏等原因导致。偏航过载主要是偏航闸抱死，偏航减速器故障，偏航电机绝缘损坏等。偏航速度低的主要原因有：机械故障、位置编码器数据异常等[4]。

2.6 变流器故障

变流器是风力发电机转子侧的励磁装置，主要作用是：当叶轮转速发生变化时，变流器控制励磁幅值、频率等，调整风力发电机组输出电压的幅值、频率、相位与电网电压保持一致，变流器故障主要有：过流、过压及内部通信故障等，变流器过流的原因主要是：电流霍尔传感器异常、功率模块故障、检测回路连接不良以及功率回路短路等，过压故障主要是：电机转速高、直流母线过压等原因导致，导致变流器内部通信故障的原因主要有：光纤连接不牢，控制板损坏等。

3 风力发电机组运行维护策略

3.1 做好日常检修维护

要定期检查发电机转速传感器安装是否牢固，运行是否良好；接线回路有无虚接、错接现象；水冷系统运行是否正常，冷却器有无存在堵塞情况；散热风口通风状况是否良好；查看轴承有无磨损或润滑不良的情况，及时更换或添加润滑油；检查风扇是不是正常运行，风道有无堵塞情况。维护人员要定期利用先进的检测技术对叶片进行检测，及时发现裂纹、变形等情况，并采取相应的措施。比如，利用声发射检测技术可以收集叶片高频、瞬态的声发射信号，并对收集到的信号进行相应处理，能准确判断出叶片裂纹或变形的位置。检查叶尖液压管路的压接头是否有泄漏，压力开关是否良好，储压罐的蓄能状况是否良好等[5]；检查变桨系统的机械部件有无变形情况，变桨齿轮有无明显磨损、擦伤情况，蓄电池有无老化情况，电机插头有无松动等。定期对齿轮箱进行清洁、润滑，清理齿轮箱体表面及内部灰尘，及时添加或更换润滑油，润滑油的更换周期最好不超过36 个月。在进入盛风期前，要重点检查油位传感器、齿轮、轴承、冷却系统等重要部件的工况，对于不符合运行要求的部件及时更换。定期检查偏航系统的计数模块、偏航编码器数据输出是否正常，液压管路有无泄漏情况，液压元件有无损坏情况、偏航电机绝缘是否损坏等；检查变流器散热是否良好，及时清理冷却风扇上的积尘，防止变流器局部过热，对螺栓、垫圈等紧固件进行紧固，防止出现松动。

3.2 科学运用现代技术

风电机组是个复杂的系统，如果在设备部件出现故障前及时更换就可以降低故障发生率。风电机组在发生故障前有征兆，利用远程在线监测技术可以监测设备的运行状态，分析设备部件的安全寿命期[6]。远程在线监测是利用安装在发电机组设备上的传感器来监测设备运行状态，通过收集传感器的反馈信号建立数据库，通过数据的对比来分析设备是否存在安全隐患，以便让检修人员提前检修或更换。由故障后检修变为故障前维护，降低维护成本和检修难度，减少非停次数。利用数据分析技术可以分析风电机组的故障发生机理，统计故障发生次数，为维护策略的制定和优化提供数据参考。同一风电场的运行环境相同，风电机组故障发生也有一定的规律可循。将风电机组的故障系统分为发电机、风轮、变桨系统、偏航系统等若干个故障子系统，利用故障树分析法和故障模式分析法分析汇总各个子系统的故障情况，建立故障分析报表；利用数据分析技术对各个故障子系统的故障类别、原因以及故障发生的概率等进行分析，并制定相应的维护策略，为制定和完善风电机组维护策略提供科学的数据基础。

3.3 健全维护管理制度

1）制定针对性的维护计划

多数风电场的维护计划是根据机组制造商提供的维护清单来制定的，但不同风电场的地理及自然环境不同，部件的运行寿命周期也不一样。因此，维护人员需要在机组制造商提供的基础维护清单的基础上，根据风电场的运行环境和机组运行状况等制定针对性的维护计划，扩大维护范围，提高维护标准，根据每台风电机组制定完善的检修维护计划，避免出现维护不足的情况。

2）做好维护质量评估工作

维护质量的评估可以促进维护措施的优化，对完善维护措施有良好的促进作用，而且通过对评估指标数据的前后对比，可以更好地评价维护效果。质量评估指标主要包括：风电机组的可利用率、平均无故障运行时间、平均故障总耗时等方面。风电机组的可利用率是统计周期内风机的可用时数与统计周期总时数的比值，比值越大，说明机组的可利用率越高。平均无故障运行时间是风机两次相邻故障之间的时间间隔，可以衡量出风机维护的水平。平均风机故障总耗时是一个周期内（通常为一年）风机停机消耗的时间，这个指标可以反映出维护人员对于故障的反应速度、故障的诊断及排除能力等[7]。

3）强化人员培训，建立完善的岗前、专项培训体系，提高检修维护人员的检修技术水平。岗前培训主要包括：安全、环境、资质等方面的培训，专项培训主要包括专业知识（风电机组的结构组成、部件名称、运行原理等）和维护检修技术（常见的故障现象、产生故障的主要原因、排除故障的基本流程、专业检测设备的应用等）的培训。

4 结束语

随着国内“双碳”战略的推进实施，国内的风力发电产业得到了快速发展，风电机组装机容量不断增加，具有运行维护需求的风机数量也快速上升。由于风电机组在露天环境下运行，受不可抗力影响因素较多，故障发生率也比较高。因此，要围绕提高风电场的发电量、风电机组的稳定性以及降低风电机组维护成本等方面来开展科学的维护，逐步降低以至于杜绝风电机组的大型故障发生率，减少非计划停机和故障后的被动维修次数，确保机组稳定运行，为社会提供更多优质的绿色电力能源。