風力發電機組的狀態監測與運行維護

［摘 要］文章對我國風力發電當前的發展情況及機組的重要組成部件展開了描述，說明機組狀態監測的重要性。針對各重要部件的特征進行監測分析，如此可提前掌握機組運行狀況，預先進行檢查和運行維護，從而降低機組發生故障的概率，提高風電機組運行的穩定性。

［關鍵詞］狀態監測；運行維護；風力發電機組

［中圖分類號］TM315 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）02–0087–03

1 我國風力發電機組發展現狀

我國的風電行業雖然起步較晚，但發展勢頭十分強勁，根據彭博新能源財經公布的2022 年全球整機商TOP10排名，全世界裝機容量前10 的廠商我國已占六席。我國幅員遼闊，三北地區人口稀少，風資源豐富，可大規模的建設風電場，目前國家已在這些地區規劃了多個大型風電基地。國內整機廠家響應國家“碳達峰”“碳中和”政策，也在推出適應各地環境的高、中、低速風電機組，盡可能地利用風資源。過去幾年中，我國風機的安裝容量從2016 年時約1.49 億kW，發展至2022 年的2.57 億kW，巨額裝機量產生大量的清潔電力，大幅降低了化石能源的使用比重。2016—2022年我國風電裝機容量如圖1 所示。

我國安裝有大量的風電機組，但是受風能資源的制約和限制，風電場一般建在我國的西南、西北、華北、東北及一些近海地區，環境惡劣，路況較差，還面臨極端氣候的挑戰。隨著國家停止補貼風電，風電上網也平價化，機組的成本問題凸顯。為了降低機組成本，整機廠商將單機容量不斷提高，大容量的風電機組構造更加復雜，微小的部件出問題就會使機組故障停機，維修成本成倍增加。2015—2022 年期間，我國風電場運行維護支出總計高達170 億美元。因此，風電機組的狀態監測和故障診斷十分有意義，其可以提高發電機組的安全穩定性。

2 風力發電機組的結構及SCADA監測系統

風機是將風能轉化為電能的裝置，在風機發電時，變槳系統帶動葉片轉動迎風，葉片在氣流作用下旋轉，將風能轉化為成機械能傳遞到輪轂，再傳遞到與輪轂相連的主軸，帶動齒輪箱轉動，經齒輪箱增速后高速軸將機械能傳遞到與之相連的發電機，發電機最終將機械能變成電能通過變流器并入電網。

2.1 風力發電機組的主要結構和功能

風力發電機組主要由機械部分和電氣部分組成。機械部分主要有齒輪箱、葉片、聯軸器、發電機、偏航系統、液壓系統、機艙、塔架等，電氣部分有控制系統、電子部件、變壓器等。風力發電機組基本結構如圖2 所示。

2.1.1 齒輪箱

齒輪箱（圖3）在風力發電機組傳動系統里起著重要作用，其由低速軸、軸承、行星架、高速軸、齒圈等多個部件構成，實現傳動和增速功能。齒輪傳遞能量的方式很多，風電機組齒輪箱采用行星輪和平行輪結合的方式，對速度的提升有顯著幫助。

齒輪箱主要作用是將產生的機械能傳送給發電機，在一般情況下主軸的轉速特別低，滿足不了發電的需求，增速齒輪箱由此產生。風機在運行時，風速和負荷會有突變的情況，會對齒輪箱產生沖擊，損壞部件之間嚙合的齒。

2.1.2 葉片

葉片的作用是捕捉氣流的能量轉化為機械能。當前的機組都是三葉片結構，三葉片與輪轂組合成葉輪，葉輪轉速與風速成正相關，為了更多地吸收能量，葉片會開到0°直面迎風，承受較大載荷。因此在進行葉片的設計和選擇時要考慮到葉片所用材料的韌性和堅固性，保證在極限工況不失效。

2.1.3 發電機

發電機是發電系統最重要的部件，其由定/ 轉子、軸承等部件組成。風機的機組類型很多，其不同主要是因為發電機不同。通常情況下有同步和異步發電機。當發電機的轉子始終和定子保持同步時叫同步發電機，代表是永磁同步發電機。反之，當旋轉不一致時，會存在差值，叫異步發電機，代表是雙饋型發電機。作為風機的核心部件，發電機將機械能轉化為電能傳輸給電網，其運行穩定性十分重要，但是任何部件都會有一定概率發生故障。當發電機長期工作時，其發生故障的次數也會增多，例如，振動過大、軸承過熱、潤滑系統堵塞、絕緣條損壞等都是常見的故障。

2.2 SCADA監測系統

SCADA 系統是數據采集與監視控制系統，通常安裝在風電場的中控室，配備有打印機和存儲數據的服務器。SCADA 系統可以讓工作人員快速觀察整個風場的機組運行狀況，也可以接收電網的調度指令，并監測風機的各個變量，獲取和整理機組日常產生的數據，生成各類日志和報表，極大地方便了風場值班人員。此外其還可以遠程操控機組的啟停，也可以遠程登錄風機控制系統，進行運行參數的修改和優化。

風力發電機組狀態的監測和診斷依托傳感器監測到的數據，機組布置了大量的傳感器或其他監測設備，這些設備會產生大量數據，SCADA 系統會從機組控制器抽取數據保存在本地，形成一個風機運行數據庫，機組故障會伴隨著異常數據的產生，數據很直觀，可以作為日后故障預警的依據。長期積累的數據也為機組日后的運行優化提供數據支撐。

SCADA 系統的部分信號監測信息見表1。

3 風力發電機組狀態監測及其運行維護

3.1 風機部件的監測

3.1.1 對風機葉片的監測

（1）直接觀察法。無人機飛巡葉片已經成為當下的主流手段，當風機正常工作時，可以通過無人機觀察葉片的外形、工作姿態等，判斷葉片有無發生故障。

（2）振動監測法。當部件的結構異常時，部件或機組運行中通常表現出振動異常，可以攜帶振動接收設備獲取數據來分析判斷。關于振動監測的理論一般有非平穩信號分析的理論（即含有大小波分析、短時傅里葉分析、時頻分析等）。

（3）信號識別與故障處理算法。葉片發生異常情況通常會產生氣動不平衡，機組功率跟標準的功率曲線有較大差別，可據此來判斷葉片的情況，主控系統在識別到功率差距較大時也會進行預警停機。

3.1.2 風機振動監測方式

（1）離線監測。離線監測是通過在發電機上安裝振動傳感器來提取其振動數據，然后由專業設備進行分析，一般風電開發商會集中獲取數據到第三方公司進行結果分析。離線監測的方式一般適用于定期或者非定期的問題檢查。其最主要的問題就是不能對突變性的設備問題進行第一時間的反饋，但是可以發現一些緩慢變化的問題，如螺栓是否松動等。

（2）在線監測。對信息進行實時地采集，并能快速提供診斷結果。通常情況下是由傳感器、信號采集卡片、PC 和分析軟件共同組成。對于一些昂貴的設備和重要部件，用這種方式可以迅速發現問題并將問題上傳至云端，迅速給出解決方案，大幅減少故障停機的概率。

3.2 風力發電機組的維護

3.2.1 葉片故障分析與維護

葉片的安全性和風機的壽命與發電質量有著十分緊密的關系，大多數葉片損壞都是受雷擊的影響，風電機組作為大型設備，高達100 多m，且機身多采用金屬部件，因此易受雷擊。避免雷擊事故的發生需要定期對葉片進行接地檢查，著重查看葉片的前緣、后緣、葉尖等部位的接地是否良好，并進行記錄保存。

3.2.2 變槳系統故障分析與維護

（1）變槳角度差異的一般原因為變槳電機的編碼器和葉片的角度計數器的數據不匹配。葉片角度計數器是機械結構，受晃動影響較大，所以發生故障時應先進行復位處理，排除偶然因素，復位后仍報出故障時，應檢查插頭是否松動，排除后，無松動說明編碼器本體損壞，要更換編碼器。

（2）葉片未達到停機設定值時，說明觸發角度出現了偏差。應停機查找葉片的真實位置，測試限位開關是否有效，否則更換新的配件，重新進行葉片角度標定。

（3）變槳電機溫度太高或者電流異常偏大。先檢查變槳減速機是否堵轉，進一步檢查電機剎車是否打開，剎車回路是否短線，排除了外部故障后，檢查內部絕緣是否發生老化。

（4）變槳控制器通訊故障是由于變槳驅動與主控制器之間的通訊斷開。解決方法可使用電參數信號進行測量來檢查中間各個部分是否損壞，許多的變槳通訊故障都是因為滑環出現問題所引起的。當滑環進油時，油會形成油膜起到絕緣作用。若滑環無問題，將輪轂接線端與滑環進線端進行校線，然后進行清理或者更換滑環。

（5）變槳錯誤和變槳失效，都是因為變槳控制器內部的故障，可根據變槳設備手冊查看相關錯誤代碼的故障點位，精準進行維護。

3.2.3 發電機故障分析與維護

繞組和軸承超溫問題始終伴隨著發電機的運行，軸承的溫度超過90℃就會被認為存在高溫現象，一旦超過110℃，就會發生跳機的現象，影響正常發電。高溫會擊穿發電機的絕緣，大幅縮短風機的使用壽命，提高運行的成本。應檢查發電機的冷卻風扇或者水冷設備是否正常運行，且機艙的環境溫度過高也不利于發電機散熱，若發電機軸承損壞更換軸承即可。同時振動超限會降低發電機壽命，發電機超速會給機組安全性帶來隱患。

4 結束語

風力發電機組運行狀態的監測十分重要，其可使運維人員及時了解機組的零部件狀態，預先判斷可能發生的故障，并在故障發生前進行檢查和維護，消除故障于萌芽階段，提升機組的可靠性，避免故障帶來的損失。此外，機組的各項監測數據對于整機廠家優化機組性能也同等重要。

參考文獻

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