風力發電機變流器故障的分析與改進

□ 王麗敏

上海之恒新能源有限公司 上海 200241

1 研究背景

當前，風力發電規模不斷發展壯大，風力發電市場不斷細分，低風速帶不斷開發，風力發電與火力發電同價、平價上網，集中式與分布式風力發電并存，市場競爭日益激烈，由此，風力發電機組全生命周期的可靠性需要重點關注。風力發電機組可利用率考核結果是業主的重要指導，高故障率風力發電機組會帶來后期高昂的維護費用和巨大的發電量損失，低可靠性的風力發電機組則將被市場所淘汰。作為風力發電機組核心關鍵部件之一的變流器，不僅控制發電機的轉矩，而且對風力發電機組電網的接入性能起決定性作用。變流器主要由功率模塊、電抗器、電路板等電力電子器件組成，產品可靠性要求高。筆者對風力發電機變流器的故障現狀進行分析，采用故障樹方法提出改進方案，以供技術人員參考。

2 故障現狀

不同的供應商，其變流器產品的故障模式差異較大，因此考慮從裝機占比、故障占比等方面確定需要改進的供應商對象。截至2017年12月31日，2 MW變流器裝機情況如圖1所示。其中，供應商1的占比約為45%，供應商2的占比約為28%，供應商3的占比約為27%。

對故障較多的供應商1和供應商3變流器產品故2017年12月25日至2018年6月4日，筆者公司供應商1變流器故障數量總計為267次，故障數量較多的故障模式見表1。

對變流器部件故障情況進行分析，風扇損壞占比較高，包括側門風扇、離心風扇、循環風扇。統計2018年3月至6月12個風電場的數據，總計116臺風扇損壞。從分布情況看，風電場3風扇損壞數量較多。從數據統計看，風電場3同時有三種風扇發生損壞，并且損壞占比較高。因此，選取風電場3作為需要進行改進的風電場對象，改進目標為從2018年7月起的1 a內，風電場3內2 MW變流器風扇損壞月平均故障率下降50%。

表1 供應商1變流器故障統計

3 拆解檢查

針對變流器風扇損壞故障，將故障風扇按通電是否轉動、軸承轉動情況、繞組阻值進行分類，選取代表性樣品進行拆解，查找故障原因。

觀察從風電場3現場返回的變流器故障風扇R2E225，發現外觀著灰現象明顯，如圖2所示。

變流器故障風扇通電不轉，葉輪可撥動，L相與N相之間電壓為50 Ω，L相與Z相之間電壓為70 Ω，P相與L相及P相與N相之間電壓為40.7 MΩ，屬于斷路。變流器故障風扇定子鐵心附著灰塵，軸承端蓋內有黑色粉末和灰塵，軸承室內基本無灰。定子側軸承保持架損壞，油脂全干。轉子側軸承保持架輕微變形，油脂有損耗，并結為黑色塊狀。線圈無明顯異常。

通過拆解發現，損壞主要來自于軸承部位。定子側軸承損壞相對嚴重，保持架變形斷裂，滾珠局部錯位，軸承發生徑向竄動。轉子側軸承保持架輕微變形，滾珠位置及軸承機械尺寸未發生變化，軸承損壞程度較輕。定子軸承內油脂完全干涸。定子軸承端蓋外產生較多黑色粉末，轉子軸承靠近定子軸承側端蓋有黑色粉末。轉子軸承內雖有部分油脂，但已成凝結狀，并已發黑。分析判斷油脂在高溫狀態下稀釋、揮發、固化、碳化產生黑色粉末，主要產生于定子軸承端蓋，并通過軸承室擴散至轉子軸承端蓋。定子軸承油脂過度消耗與灰塵有關，觀察發現定子軸承相比轉子軸承更易進灰。

風扇處于熱風端，軸承與繞組的基礎環境溫度較高，如濾網堵塞嚴重，則流經風扇電機的風量減小，繞組會出現較高的工作溫度。另一方面，隨著軸承油脂的消耗，摩擦增大，電機負載增大，也會使電機繞組溫度過高，出現長期過熱現象。

4 故障樹分析

確定頂事件為風機損壞。故障樹分析中，外邊界決定了分析的廣度，內邊界決定了分析的深度。通過對風扇損壞故障機理進行深入分析，明確各影響因素間的關系，完成故障樹。

對于軸承不轉，主要有幾方面原因：軸承油脂在高溫環境揮發及粉塵影響引起摩擦因數增大，導致摩擦力增大；葉輪動平衡破壞引起軸承受力變形,運行異常，進而造成壓力增大，導致摩擦力增大。對于葉輪卡滯，主要由異物進入風機或葉輪引起。在縱向展開的基礎上梳理故障樹各事件之間的邏輯，構建完成變流器風扇損壞故障樹，如圖3所示。

通過簡化故障樹、建立故障樹數學模型和求最小割集的方法，進行故障樹的定性分析。通過計算頂事件概率、重要度分析和靈敏度分析，進行故障樹的定量分析。在分析的基礎上識別設計中的薄弱環節，采取相應措施。

基于故障樹，分析風扇損壞故障的最小割集。列出最小割集中的底事件，優先挑選出單點事件及重復事件作為重要底事件，見表2。

表2 最小割集重要底事件

5 改進方案

根據各底事件在最小割集中出現的頻次及事件階數等指標，對重要底事件進行評分，進而制訂相應的改進方案，見表3。

表3 改進方案

根據改進方案形成變流器風扇安裝指導書，明確先將風機用M4×8不銹鋼組合螺栓安裝至軸流風機外殼上，安裝完成后再將軸流風機外殼安裝至側門板上。進行變流器通信板合格性檢測，輸出文件為廠家提供的合格報告及本公司的驗收報告。在實驗室對變流器與主控通信進行測試，輸出文件為變流器與主控通信測試指導書。進行電纜線供應商合格性檢測，檢測對象包括通信線和電源線，輸出文件為廠家提供的合格報告及本公司的驗收報告。在現場維護手冊中增加一項檢查項目，定期檢查電纜線是否出現松動，是否存在線頭露出等問題，輸出文件為更新版維護手冊。提高主控的抗干擾能力，增加電磁環，改進接地方式，輸出文件為改進技術說明。

6 改進效果

以風電場3內2 MW變流器風扇損壞月平均故障率下降50%，運行周期為1 a進行計算，改進前平均每月更換20臺風扇，預估改進后每年可節約因更換風扇而造成的損失12 000元。以單次維修時間3 h、維修工時100元/h、車輛損耗費100元、油費100元、服務人員差旅費3 000元、物料郵寄費100元計，改進后每年可節約維修成本39 300元。以發電收益700元/h計，改進后每年可增加發電收益252 000元。改進后每年人工成本為36 000元，差旅成本為9 000元，則最終每年可增加收益258 300元。

7 結束語

產品的可靠性是業界關注的重點，提高產品的可靠性，可以體現以預防為主的質量理念，降低產品總成本，縮短停機時間，并提高產品的可利用率。對于企業而言，提高產品的可靠性，可以增強企業的競爭力，并且提高企業的經濟效益。利用故障樹方法來進行產品質量改進，對于企業而言具有指導意義，是一種值得推廣的改進模式。筆者對風力發電機變流器風扇損壞故障進行了故障樹分析，提出了改進方案，并取得了良好的效果。