大型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性設(shè)計(jì)

趙祥1,，范瑜1，夏靜，馬忠寶，張浩，張?zhí)嵑?/p>

(1北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 ，北京 100044；2北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司 ，北京 100176)

0 引言

海上風(fēng)電具有資源豐富、發(fā)電小時(shí)數(shù)高、單機(jī)容量大、不占用陸地資源等優(yōu)點(diǎn)，已成為可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域之一[1]。目前歐洲海上風(fēng)電占全球裝機(jī)容量的92%，在過去5年以31%的復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，截至2015年累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到10GW。通過預(yù)測(cè)，到2030年歐洲海上風(fēng)電將增加6倍，總計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到66GW，屆時(shí)將占到歐洲電力裝機(jī)容量的7.2%[2]。

我國(guó)目前是全球第四大海上風(fēng)電國(guó)，占據(jù)全球海上風(fēng)電8.4%的市場(chǎng)份額。我國(guó)的海上風(fēng)電資源較豐富，據(jù)中國(guó)氣象局測(cè)繪計(jì)算，我國(guó)近海水深5m到25m范圍內(nèi)，50m高度風(fēng)電可裝機(jī)容量約2億千瓦；5m到50m水深，70m高度風(fēng)電可裝機(jī)容量約為5億千瓦[3]。

同時(shí)，由于海上風(fēng)電面臨嚴(yán)苛的海洋環(huán)境、高工作負(fù)荷、極端氣候條件以及低可利用率和可靠性、高的運(yùn)維成本、低可進(jìn)入性等，使其發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)[5～7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)維成本已經(jīng)占到海上風(fēng)電全生命周期成本的25%～30%[8]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)東南區(qū)域海上風(fēng)電所面臨的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)問題，也成為制約海上風(fēng)電發(fā)展的重要因素。因此，大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性已經(jīng)成為海上風(fēng)電是否能夠順利發(fā)展的條件。

目前，商業(yè)化的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不同概念中，變化相對(duì)最多的為傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，尤其是結(jié)合增速箱、發(fā)電機(jī)和變流器構(gòu)成的機(jī)組機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)[5、7]；而不同的傳動(dòng)系統(tǒng)也成為影響機(jī)組可靠性和可利用率的最主要的因素。因此本文主要結(jié)合不同的傳動(dòng)系，從理論上對(duì)其可靠性和可利用率進(jìn)行分析對(duì)比，并結(jié)合6.XMW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)組的可靠性指標(biāo)和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行具體分析。

1 大功率風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性對(duì)比

1.1 主流傳動(dòng)系分類

目前，商業(yè)化的大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要分為全功率變流系統(tǒng)和部分功率變流系統(tǒng)。

全功率變流系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要型式有：(1)直驅(qū)永磁全功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)。如我國(guó)金風(fēng)科技股份有限公司的6.XMW、德國(guó)Siemens的G6和G7平臺(tái)、美國(guó)GE的Halide6.0MW、以及湘電風(fēng)能的5.0MW等，圖1為該種傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)洌?2)一級(jí)或兩級(jí)齒輪增速永磁發(fā)電機(jī)全功率變流系統(tǒng)，國(guó)際上稱為“Hybrid drive train”，國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)稱“半直驅(qū)”，典型的產(chǎn)品有法國(guó)Adwen公司的5.0MW、MHI-Vestas的8.0MW、廣東明陽風(fēng)電的6.5MW等；(3)三級(jí)齒輪增速永磁發(fā)電機(jī)全功率變流系統(tǒng)，典型的產(chǎn)品有重慶海裝的5.0MW，圖2為帶齒輪箱增速永磁全功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)洌?4)三級(jí)齒輪箱增速鼠籠異步發(fā)電機(jī)全功率變流系統(tǒng)，典型產(chǎn)品有Siemens的D4平臺(tái)等，圖3為該種傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)洹Ｈβ首兞飨到y(tǒng)由于更高的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍、省去了發(fā)電機(jī)滑環(huán)和并網(wǎng)友好性，在大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中被普遍應(yīng)用。

部分功率變流系統(tǒng)機(jī)組主要為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組約1/3的功率由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過變流器并網(wǎng)，2/3的功率由發(fā)電機(jī)定子直接并網(wǎng)，圖4為雙饋電機(jī)部分功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖1直驅(qū)永磁全功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)

圖2齒輪箱增速永磁發(fā)電機(jī)全功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)

圖3齒輪箱增速鼠籠異步發(fā)電機(jī)全功率變流系統(tǒng)

圖4雙饋傳動(dòng)系統(tǒng)

本文主要針對(duì)直驅(qū)永磁全功率變流、齒輪箱增速永磁同步發(fā)電機(jī)、齒輪箱增速鼠籠異步發(fā)電機(jī)全功率變流系統(tǒng)以及齒輪箱增速雙饋發(fā)電機(jī)部分功率變流系統(tǒng)等四種主流傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析對(duì)比。在最近幾年，隨著單機(jī)容量的增加，為了降低機(jī)組的重量，提升海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的平準(zhǔn)化度電成本，一些新的傳動(dòng)系統(tǒng)概念被研究，比如采用高壓變流器而取消或減小變壓器的重量；采用直驅(qū)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)降低機(jī)組的重量等，但這些概念仍處于概念設(shè)計(jì)階段而沒有工程化，因此不在本文對(duì)比范圍內(nèi)。另外，直驅(qū)電勵(lì)磁全功率變流系統(tǒng)主要為德國(guó)Enercon公司應(yīng)用，且單機(jī)功率已經(jīng)做到了7.5MW，但是目前該機(jī)型沒有在海上風(fēng)電應(yīng)用的計(jì)劃，也不在本文的研究范圍之列。

1.2 不同傳動(dòng)系的可靠性對(duì)比

該部分主要考察計(jì)算了不同電氣傳動(dòng)模型的故障率，其中故障率的定義為每年每臺(tái)機(jī)組的故障次數(shù)，傳動(dòng)系統(tǒng)故障率主要取決于齒輪箱、發(fā)電機(jī)和變流器的類型。

本文中，故障率的定義參考式(1)，該公式同文獻(xiàn)[9]的公式相同。

(1)

式中，λ—每臺(tái)機(jī)組每年的故障率；I—對(duì)應(yīng)故障數(shù)據(jù)收集的間隔數(shù)；K—子部件號(hào)；ni,k—故障號(hào)；Ni—機(jī)組號(hào)；Ti—總時(shí)間周期，單位為小時(shí)。

文獻(xiàn)[6]通過大量的文獻(xiàn)查閱和調(diào)研，對(duì)不同傳動(dòng)系統(tǒng)下的故障率和可利用率進(jìn)行了分析計(jì)算。通過計(jì)算得出，直驅(qū)永磁全功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)同雙饋異步發(fā)電機(jī)部分功率變流系統(tǒng)具有相對(duì)低的故障率，但考慮實(shí)際運(yùn)維的難度，直驅(qū)永磁全功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)具有最高的可利用率，較其它傳動(dòng)方式的可利用率高出0.35%～0.73%，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 不同傳動(dòng)系統(tǒng)的故障率

表2 不同傳動(dòng)系統(tǒng)的可利用率

從表1可以看出，直驅(qū)永磁全功率變流系統(tǒng)的故障率為1.404，其中全功率變流器的故障率為0.1883，為雙饋部分功率變流器的2.2倍[10]，其余部分1.2157為發(fā)電機(jī)的故障率，該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工業(yè)電機(jī)的行業(yè)水平0.0315～0.0707[12],與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)偏差較大。

文獻(xiàn)[7]對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)故障進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)得到雙饋發(fā)電機(jī)的故障率為0.1233，永磁發(fā)電機(jī)的故障率為0.077。該文中的永磁發(fā)電機(jī)為高速永磁發(fā)電機(jī)，對(duì)于直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)，由于電機(jī)同機(jī)組傳動(dòng)共用軸承，因此為了保持各種傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比基準(zhǔn)的統(tǒng)一性，直驅(qū)電機(jī)主軸承的故障率在此不做統(tǒng)計(jì)，因此也不存在軸承潤(rùn)滑和對(duì)中等故障問題，僅剩下絕緣和冷卻故障，冷卻系統(tǒng)故障為0.018，考慮直驅(qū)永磁電機(jī)換熱量基本為高速永磁電機(jī)的兩倍，因此冷卻系統(tǒng)的故障調(diào)整2倍為0.036；雙饋發(fā)電機(jī)的絕緣故障率為0.0021，直驅(qū)發(fā)電機(jī)絕緣故障為雙饋電機(jī)的2倍[13]為0.0042，直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)總的故障率為0.0402，約為雙饋發(fā)電機(jī)的1/3。

通過對(duì)額定功率超過1.5MW的丹麥風(fēng)機(jī)的典型故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)電機(jī)故障占總故障的5%，齒輪箱故障占總故障的12%，電氣故障占總故障的13%[14]。德國(guó)風(fēng)能研究所(DEWI，www.dewi.de)和英國(guó)可再生能源協(xié)會(huì)(RenewableUK，www.bwea.com)的研究表明，變流器為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中三個(gè)最為核心的部件之一，占據(jù)總故障率的17%～25%，和3%～8%的總運(yùn)維成本[4]。根據(jù)Siemens的研究，可進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位的故障引起的可利用率的0.1%的損失，而由于海上風(fēng)電運(yùn)維較長(zhǎng)的交通時(shí)間和有限的可達(dá)性，需要人員進(jìn)入機(jī)組維護(hù)而不存在物理維修的故障類型，引起的可利用率的降低高達(dá)1.1%。因此對(duì)海上風(fēng)電可靠性和可利用率損失的主要影響是小的電氣部件而非大的、重要的機(jī)械部件[5]。

GL在歐洲開展了Reliawind項(xiàng)目，該項(xiàng)目由2008年至2011年共歷時(shí)三年，有10個(gè)組織參與，對(duì)4個(gè)整機(jī)制造商的350臺(tái)機(jī)組，450個(gè)風(fēng)場(chǎng)月的共3500條停機(jī)時(shí)間進(jìn)行分析，分析結(jié)果同樣表明電力電子器件引起機(jī)組故障率和停機(jī)時(shí)間的主要因素[15]。

圖5故障率(所有停機(jī)事件)

圖6停機(jī)時(shí)間(所有停機(jī)事件)

文獻(xiàn)[16]兩個(gè)瑞典的獨(dú)立故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明齒輪箱為最核心的部件，主要因?yàn)槠涔收蠈?dǎo)致的停機(jī)時(shí)間較其它部件的長(zhǎng)。該文獻(xiàn)針對(duì)2000年到2004年，期間平均624.5臺(tái)運(yùn)行機(jī)組的故障進(jìn)行分析表明，齒輪箱的故障率占到14.1%，由此引起的停機(jī)時(shí)間高達(dá)19.4%；而發(fā)電機(jī)的故障率為5.5%，引起的故障停機(jī)時(shí)間為8.9%。

文獻(xiàn)[7]對(duì)1822臺(tái)雙饋發(fā)電機(jī)部分功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)和400臺(tái)永磁電機(jī)全功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)的故障進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示，包括電機(jī)冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)在內(nèi)，雙饋發(fā)電機(jī)的故障率為0.123，永磁發(fā)電機(jī)故障率為0.076。包含附屬冷卻設(shè)備在內(nèi)，雙饋部分功率變流器的故障率為0.106，而永磁全功率變流器的故障率則高達(dá)0.593，這主要的原因是由于全功率變流器的功率器件為雙饋?zhàn)兞髌鞯?倍，導(dǎo)致了更高的失效概率。文獻(xiàn)[17]統(tǒng)計(jì)永磁發(fā)電機(jī)和全功率變流器的故障率之和為0.669，而雙饋發(fā)電機(jī)和部分功率變流器的故障率之和僅有0.229，這主要?dú)w因于全功率變流器較低的可靠性。同時(shí)從時(shí)間維度對(duì)故障率進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行3年后，永磁電機(jī)全功率變流系統(tǒng)的故障率會(huì)降低到較雙饋電機(jī)部分變流系統(tǒng)更低的故障率。作者對(duì)此進(jìn)行了分析，認(rèn)為一方面取決于全功率變流器由于技術(shù)原因?qū)е碌脑缙诠收陷^高，更大的可能性是由于小的統(tǒng)計(jì)樣本導(dǎo)致的大的不確定性。

1.3 小結(jié)

綜上，對(duì)于直驅(qū)永磁全功率變流系統(tǒng)，雖然省去了齒輪箱、發(fā)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承和滑環(huán)系統(tǒng)，但是增加了變流器的復(fù)雜性，這將對(duì)機(jī)組的整機(jī)可靠性造成較大的影響。因此，變流器的可靠性對(duì)整機(jī)的可靠性和可利用率的指標(biāo)尤為重要。

總的來說，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)變流器的高可靠性或低的運(yùn)維成本。一種是提升變流器本身的可靠性，這種方法相對(duì)較為復(fù)雜且需要通過高的成本來實(shí)現(xiàn)；而另一種方法則是通過變流器的并聯(lián)容錯(cuò)運(yùn)行，來實(shí)現(xiàn)機(jī)組的高能量可利用率和低的運(yùn)維成本[4]。

通過對(duì)多變流器冗余設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)維成本乃至度電成本的影響分析表明，如果變流器的運(yùn)維成本占總運(yùn)維成本的5%，那么采用雙變流器冗余系統(tǒng)，可以降低1.4%的運(yùn)維成本，同時(shí)在度電成本方面更具優(yōu)勢(shì)；對(duì)于額定功率為6.0MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用4套變流器的設(shè)計(jì)是最優(yōu)化的[4]。

2 6.XMW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)

2.1 理論設(shè)計(jì)

某6.XMW高可靠海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)由四部分獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)構(gòu)成，見圖7。

圖76.XMW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

如圖7所示，電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有4個(gè)定子鐵心繞組區(qū)域G1，G2，G3，G4，其中G1和G3、G2和G4在空間位置上是對(duì)稱的，每個(gè)區(qū)域內(nèi)包含兩套三相交流繞組，如G1含三相交流繞組1和2，G2含三相交流繞組3和4，G3含三相交流繞組5和6，G4含三相交流繞組7和8。每個(gè)區(qū)域內(nèi)的每?jī)商捉涣骼@組可以同相位、相差30度相位、相差180度相位，這個(gè)根據(jù)電機(jī)整體性能的要求選取采用。從電氣結(jié)構(gòu)上，每個(gè)定子鐵心繞組區(qū)域Gn含有兩套三相交流繞組且相互解耦。如圖7所示，G1含三相交流繞組1和2、1和2間可以同相位、相差30度相位、相差180度相位。其他區(qū)域類似。其中G1中的2與物理相對(duì)位置G3中6同相位組成一套三相交流繞組輸出到功率變換系統(tǒng)1。G1中的1和5同理。其他區(qū)域類似。即實(shí)現(xiàn)多個(gè)三相系統(tǒng)單元并聯(lián)并結(jié)合故障判斷和控制機(jī)制，形成了系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行。在某個(gè)并聯(lián)支路中任意部件發(fā)生故障的時(shí)候，可以監(jiān)控到并切出，而不影響其他支路，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可降容繼續(xù)運(yùn)行，由于發(fā)電機(jī)是對(duì)稱運(yùn)行，可減小因某路切出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低發(fā)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

為了分析電機(jī)及其功率變換系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行，利用電磁仿真軟件Magnet和商業(yè)數(shù)學(xué)軟件Matlab中的Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型，如圖8所示。

圖8Magnet及外圍線路仿真模型

在控制系統(tǒng)架構(gòu)方面，由主控、變流、冷卻系統(tǒng)和中壓系統(tǒng)組成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)。按照控制系統(tǒng)功能和信號(hào)流，控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖9所示。

圖9控制系統(tǒng)框架

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

從理論上分析，由于變流器故障引起的發(fā)電機(jī)部分單元運(yùn)行對(duì)導(dǎo)磁電磁結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，從而誘發(fā)電機(jī)振動(dòng)和噪聲的風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)相類似結(jié)構(gòu)的2.5MW發(fā)電機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試。圖10為金風(fēng)2.5MW機(jī)組電氣拓?fù)鋱D。

圖10金風(fēng)2.5MW機(jī)組電氣系統(tǒng)拓?fù)?/p>

通過對(duì)一套變流器停止運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)單套繞組運(yùn)行工況下，經(jīng)過測(cè)試得到如下結(jié)果和結(jié)論。

電氣特性

(1)通過分析比較發(fā)電機(jī)電氣數(shù)據(jù)可以看出，雙套繞組與單套繞組工況下，發(fā)電機(jī)的電流畸變率、電壓和電流的三相不平衡度均小于1%，滿足設(shè)計(jì)要求；

(2)單套繞組運(yùn)行，對(duì)于6相發(fā)電機(jī)5次和7次諧波明顯高于雙繞組運(yùn)行工況；

(3)通過對(duì)單套繞組運(yùn)行注入5次,7次諧波，可以看出在給定合適的相位角度后，5次和7次諧波的含量均降低，見圖11。

圖11不同相位的5/7次諧波前/后，5/7次電流諧波幅值雷達(dá)圖

振動(dòng)特性

(1)單套繞組運(yùn)行，在原有控制程序下，發(fā)電機(jī)6倍頻振動(dòng)較正常運(yùn)行增大；

(2)通過優(yōu)化變流器機(jī)側(cè)控制程序注入5次,7次諧波，當(dāng)注入合適幅值及相位的諧波后可以使單套繞組運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)大幅降低，見圖12，極波6倍頻得到有效的抑制。

圖12同時(shí)注入5次和7次諧波前/后振動(dòng)頻譜

2.3 小結(jié)

因此，通過電機(jī)和控制的聯(lián)合仿真以及實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試表明，發(fā)電機(jī)非對(duì)稱運(yùn)行情況下，對(duì)變流器機(jī)側(cè)控制器進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和通過諧波補(bǔ)償，可以保證電機(jī)和機(jī)組的機(jī)械特性處于良好的工作狀態(tài)，不會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生不利的影響。

3 6.XMW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣傳動(dòng)鏈可靠性

3.1 可靠性建模

6.XMW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣傳動(dòng)鏈采用4套獨(dú)立的發(fā)電機(jī)繞組，4套獨(dú)立并聯(lián)的全功率變流器，以及兩個(gè)分裂式繞組變壓器。當(dāng)任一套發(fā)電機(jī)繞組、任一套變流器發(fā)生故障，控制單元將故障單元快速切除隔離，剩余單元繼續(xù)運(yùn)行發(fā)電。在電氣傳動(dòng)鏈運(yùn)行控制邏輯中，機(jī)組自動(dòng)執(zhí)行故障檢測(cè)、自復(fù)位等控制邏輯的故障與傳動(dòng)鏈本身故障相比，對(duì)傳動(dòng)鏈可靠性很小，在可靠性建模中不做考慮。電氣傳動(dòng)鏈的可靠性模型如圖 13所示。

圖13電氣傳動(dòng)鏈可靠性模型

3.2 可靠性分析

在電氣傳動(dòng)鏈中，單個(gè)變流器的故障率為λ0，平均故障間隔時(shí)間為MTBF0，其它部件的故障率遠(yuǎn)低于變流器的故障率。因此電氣傳動(dòng)鏈系統(tǒng)的MTBF為

=2.1MTBF0

(2)

采用4套獨(dú)立的發(fā)電機(jī)繞組后MTBF為未采用的2.1倍。

3.3 可利用率分析

IEC61400—26—2規(guī)定了基于發(fā)電量的可利用率[18]，即能量可利用率

×100%

(3)

由于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障修復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用冗余電氣傳動(dòng)鏈可保證在一個(gè)到三個(gè)變流器或發(fā)電機(jī)繞組發(fā)生故障后，另外的變流器能夠降功率運(yùn)行，機(jī)組能夠持續(xù)發(fā)電，增加實(shí)際發(fā)電量。發(fā)電損失電量計(jì)算如下：

如果單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)平均每小時(shí)的發(fā)電量為PkWh，由傳動(dòng)鏈故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間平均為t，變流器1/2/3/4的故障率為λ0次/年。

P=Q/8760

式中，Q—單臺(tái)機(jī)組年總的發(fā)電量，單位為kWh；以額定功率6MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，假設(shè)全年的標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)數(shù)為4000h，則P=2740kWh。

以30萬kW(50臺(tái))的風(fēng)電場(chǎng)為例，傳動(dòng)鏈一次故障導(dǎo)致的平均停機(jī)時(shí)間為9h，計(jì)算年發(fā)電量損失。

未采用冗余電氣傳動(dòng)鏈的風(fēng)力發(fā)電機(jī)每年的損失電量為

50pt(1-e-λ0)=1233(1-e-λ0)MW

(4)

采用四余度冗余設(shè)計(jì)的電氣傳動(dòng)鏈的損失電量為

50[pt(1-e-λ0)e-3λ0+3pt(1-e-λ0)2e-2λ0+

3pt(1-e-λ0)3e-λ0+pt(1-e-λ0)4]

=1233[(1-e-λ0)e-3λ0+3(1-e-λ0)2e-2λ0+

3(1-e-λ0)3e-λ0+(1-e-λ0)4]MW

(5)

對(duì)比發(fā)電量損失和單個(gè)變流器的故障率λ0的變化，如圖14所示。

圖14發(fā)電量損失隨變流器故障率變化圖

2.2節(jié)中已說明，變流器故障占據(jù)總故障率的17%～25%，變流器導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間占所有停機(jī)時(shí)間的18%左右。

以永磁全功率變流器故障率0.593為基礎(chǔ)，。未采用冗余電氣傳動(dòng)鏈的風(fēng)力發(fā)電機(jī)每年的損失電量為552MW。采用四余度冗余設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)每年的損失電量為279MW。四余度設(shè)計(jì)的電氣傳動(dòng)鏈系統(tǒng)將會(huì)降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)8.9%的發(fā)電量損失。

3.4 小結(jié)

采用冗余電氣傳動(dòng)鏈的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠顯著提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平均故障間隔時(shí)間。

采用冗余電氣傳動(dòng)鏈的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量損失隨電氣傳動(dòng)鏈故障率的增加更為平緩，同時(shí)發(fā)電量損失也小于采用正常電氣傳動(dòng)鏈的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

電氣傳動(dòng)鏈的故障率越大，采用冗余電氣傳動(dòng)鏈的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提升發(fā)電量的程度優(yōu)勢(shì)越大。但在電氣傳動(dòng)鏈故障率較小的時(shí)刻需要考慮冗余帶來的經(jīng)濟(jì)性問題，包括成本、維修等。

4 結(jié)語

海上風(fēng)電由于高鹽蝕、高濕度、海浪和高溫等綜合環(huán)境因素的影響，以及較低的運(yùn)維可達(dá)性，對(duì)設(shè)備的可靠性提出較高的要求。對(duì)于目前商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，概念的不同主要集中在傳動(dòng)系統(tǒng)選取。本文通過對(duì)主流的傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行對(duì)比，得出直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)全功率變流系統(tǒng)由于沒有齒輪箱、發(fā)電機(jī)高速軸承和滑環(huán)碳刷等部件，具有最高的可靠性和可利用率，但是相比雙饋發(fā)電機(jī)部分功率變流系統(tǒng)，全功率變流器的故障率為雙饋?zhàn)兞髌鞴收下实?.2～3倍，加上海上風(fēng)電運(yùn)維的可達(dá)性差，成為影響直驅(qū)機(jī)組可利用率的關(guān)鍵因素。金風(fēng)科技6.XMW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了4套獨(dú)立的電力傳動(dòng)單元，并通過理論仿真和試驗(yàn)證明該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在部分單元停機(jī)的情況下，仍然能夠保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行；同時(shí)結(jié)合可靠性理論，計(jì)算得出該傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性提高了2.1倍，同時(shí)結(jié)合智能運(yùn)維系統(tǒng)，大大降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)維成本；在能量可利用率方面，結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件采取場(chǎng)群控制技術(shù)，可以做到不犧牲風(fēng)場(chǎng)的發(fā)電量。