风力发电故障分析及并网技术.docx
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风力发电故障分析及并网技术
风力发电故障分析及并网技术
——故障分析：
谢吉堂
并网技术：
金崇伟
1风力发电背景
风能是一种干净清洁的、储量及其丰富的可再生能源，它和其他存在自然界的矿物燃料能源如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化利用而减少，因而也可以说风能是一种取之不尽、用之不竭的新能源；而煤、石油、天然气等矿物燃料能源，其储量随着利用时间的增长而日益减少枯竭。
矿物燃料在利用的过程中会带来严总的环境污染问题，如空气中CO2、SO2、NO、CO等气体的排放增多导致了温室效应、酸雨等问题产生。
从上个世纪七十年代，世界各个国家对环境保护、能源危机、节能技术等的关注，认为大规模风力发电是减少空气污染、减少有害气体的排放量的有效措施之一。
德国、丹麦、荷兰、瑞典、印度、加拿大等国大力发展风力发电技术，并且取得了显著成绩。
2013年全球风电装机新增35467MW，截止到2013年底，全球风电累计装机容量达到318137MW。
中国风能储量大，分布广，而且开发利用潜力巨大。
全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW，共计约10亿kW。
在“九五”期间，我国的风力发电有了快速发展。
到2012年底，我国已在14个省份建立了风电场，累计装机达到75324MW，占世界装机容量的1/4。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
风力发电技术是一种利用风能驱动风机桨叶，进而带动发电机组发电的能源技术。
由于风能清洁、无污染、可再生的特点，世界各国大力发展风电技术，风电正不断超越其预期的发展速度而发展，并一直保持着世界增长最快能源地位。
2风力发电故障分析的意义
风电对于缓解能源供应、改善能源结结构、保护环境等方面意义重大。
这些年，风电机组在我国得到了广泛的安装使用。
由于风力发电机组通常处于野外，环境条件恶劣，容易出现故障，维修起来耗费大量人力物力，对风机的可靠性越来越高。
因此开展对风力发电机组常见故障机理进行分析研究，对保证风力发电机组安全运行，预防故障发生，减少故障发生率，提高风力发电机组运行的可靠性有重大的实际意义。
3风电机组的结构
一般风力发电机组的结构如下图所示：
主要由风轮、传动装置、偏航机构、调速机构、发电机、机舱和塔架等构成。
风轮：
主要由叶片和轮毂组成的。
风轮一般由3个叶片组成，因为它运行平稳，能输出稳定的转矩。
轮毂是用来连接叶片与轮毂的固定部件，它将来自叶片的载荷传递到风轮的支撑结构上。
风轮的作用是捕捉和吸收风能，由风轮轴将能量传送到传动装置。
传动装置：
一般是齿轮箱，经过增速后，获得较高的转速传递给发电机。
发电机：
是风力发电系统的做功装置，将机械能转变为电能。
偏航机构：
保证在风向改变的时候，使风轮正对风向来获得最佳的风能利用。
现在大型风机一般通过风向标测定风向，通过驱动伺服电机来调向。
调速机构：
定桨距机组是利用桨叶的自身失速特性来限制发电机组的功率输出；变桨距机组是根据风速的变化相应的改变桨叶的节距角，通过变距系统优化气流对叶片的攻角，维持输出功率的相对稳定。
塔架：
支撑发电机组机舱。
4风电机组常见故障机理分析
4.1叶片常见故障
风力发电机组在工作过程中，桨叶的转速是随风速的变化而变化。
当阵风袭来，叶片受到短暂而频繁的冲击载荷，而这个冲击载荷也会传递到传动链上的各个部件，使得各个部件也受到复杂交变的冲击，对其工作寿命造成极大的影响，使风力机在运行过程中出现各种故障。
叶片常见的故障模式有叶片断裂、疲劳失效、偏移和弯曲等。
4.1.1叶片断裂
叶片断裂
叶片断裂是致命的，可以导致整个机组的停止运行，断裂主要是由于振动引起的。
叶片在气动力、重力和离心力的作用下形成振动，摆振是造成叶片断裂的主要原因。
正常情况下，叶片在摆振方向受到激扰后的振幅比较小并能够衰减，危害不大。
在失速条件下，叶片的气动阻尼超过结构阻尼，导致振动不能衰减而断裂。
要避免这种情况，可以采用阻尼比较大的材料，或者采用变桨叶片。
4.1.2疲劳失效
叶片在运作时，受到变化的离心力作用，长期旋转后，由于受到安装不平衡，表面积灰，沾有昆虫尸体，鸟粪和结冰等因素影响，使叶片受力不均，同时长时间受到交变载荷作用，导致工作条件恶化，引起疲劳失效。
选择好的叶片材料，提高叶片疲劳应力极限，对叶片定期检查维护，可以很好解决叶片疲劳失效问题。
4.2齿轮箱常见故障
齿轮箱系统一般包括齿轮、轴承、轴和箱体组成，风力发电齿轮箱通常是一个行星齿轮系加上一个或多个平行轮系构成，传动比大，一般为80~100,传递的功率可达MW级，传递负载大，因此容易发生故障。
4.2.1齿轮损伤
由于野外风速不稳定，齿轮容易受到冲击载荷作用，它一方面会加速齿轮的磨损，另一方面又会使齿轮根部受到脉冲的弯曲应力，产生裂纹，裂纹的扩展会导致轮齿的疲劳折断。
齿轮在重载传动下，发热量大，如果润滑条件不好，啮合齿面容易发生粘焊造成齿面胶合，点蚀现象，致使齿轮失效。
因此采用正变位齿轮，减少模数，降低齿高，提高齿面强度，经常对齿轮保养维护等可以有效提高齿轮寿命。
4.2.2断轴及轴承失效
断轴也是齿轮箱的常见故障之一，这是由在交变应力及重载情况下，超出了材料的疲劳极限所致。
设计制造时保证轴的刚度，防止轴变形，可以有效提高轴的可靠性。
轴承在运转过程中，由于安装、润滑、维护等方面的原因，内外圈和滚动体表面之间经受交变负荷的反复作用，而产生裂纹、点蚀等缺陷。
使轴承失效。
因此应正确选取轴承类型，保证轴承润滑，规范安装，加强监控。
4.3变流器常见故障
目前风电场的主力机型大体有3类：
鼠笼式、直驱式和双馈感应式风力发电机。
其中除鼠笼式以外，其余两种形式的风力发电机并网时都不可避免地要经过一个电力电子变流器。
风电并网节流器既能对电网输送风力发电的有功分量，又能连结、调节电网端无功分量，起到无功补偿的作用。
风力发电机发的是直流电要用蓄电池将风力发电机的电存起来。
但我们用的电器大多用交流电，所以要用变流器将直流电变为交流电，变流器就是一个逆变器。
由于所处位置多位于风力发电机与电网之间，这些装置一旦发生故障，如不及时处理，轻则会引发波形畸变降低供电质量，重则将会影响整个风电机组发电，甚至危及电网安全。
变流器常见故障模式有：
变流器误动作，与预期效果误差大、过电压、过电流、过热及欠电压等。
目前风力发电机中电力电子开关大量使用了绝缘栅双极晶体管（IGBT），当其两端电压过高或过电流导致温度过高，亦或其运行功率超过了在正常工作温度下允许的最大耗散功率等，都可能导致开关管超过耐受极限而击穿或烧毁，有时甚至是永久性损坏。
导致变流器中开关管过电压和过电流的原因是多方面的，常见的有变流器本身的质量问题、元件接触不良以及型号参数不匹配等，此外，风力发电机在运行过程中遭遇电网故障，功率无法馈送入电网，导致功率直流侧和输出侧电压升高，发电机在运行过程中由于负载突变产生过高的冲击电流，发电机及传输电缆绝缘老化导致匝间或相间短路形成短路电流等，如最终超过元件的耐受限度，都会导致变流器元件故障。
4.4发电机常见故障
发电机是风电机组的核心部件，负责将旋转的机械能转化为电能，并为电气系统供电。
随着风力机容量的增大，发电机的规模也在逐渐增加，发电机长期运行于变工况和电磁环境中，容易发生故障。
4.4.1发电机振动过大
风力发电机运行中发生振动，不仅会影响机组的经济性，而且会直接威胁机组的安全运行。
电机长期运行中叶片折断、脱落或不均匀磨损、腐蚀、结垢，使转子发生质量不平衡。
发电机转子绕组松动或不平衡等，也会使转子发生质量不平衡。
这样，转子每转一转，就要受到一次不平衡质量所产生的离心力的冲击，这种离心力周期作用的结果，就发生振动。
转子发生弯曲，即使不引起发电机动静部件之间的摩擦，也会引起振动，其振动特性和由于转子质量不平衡振动的情况相似，不同之处是这种振动显著地表现为轴向振动。
如发电机转子和静子之间的空气隙不均匀、发电机转子绕组短路等，均会引起机组振动。
因此，在发电机运行中，对轴承和大轴的振动必须严格进行监视。
4.4.2发电机过热
由于风力发电机不停的工作，会出现发电机过热的现象，如果持续长时间的话，会造成发电机损坏。
引起发电机过热原因有：
油路堵塞，轴承缺油或间隙太小，轴承严重偏磨或损坏，转子与定子铁芯发生碰擦扫膛，定子线圈匝间短路、开路，发电机超负荷作业。
为了防止发电机过热，可以安装温度传感器，及时监控。
4.5变桨系统常见故障
变桨控制系统是一种风力发电机桨叶调节装置，借助控制技术和动力系统，通过改变安装在大型风力发电机轮毂上叶片的桨距角大小，改变叶片的气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善，并使风机达到最大的风能利用率。
风速的变化是随机的,当风速过高或过低时,只有通过调整桨叶节距,改变气流对叶片攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩,才能使功率输出保持稳定。
同时,风力机在起动过程也需要通过变距来获得足够的起动转距。
变桨系统的所有部件都安装在轮毂上，风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。
变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。
目前变桨系统有液压驱动变桨系统和电动变桨系统两种类型。
电动变桨3个叶片分别由3台独立的电机带动叶片转动,它们接受的是同一个旋转信号,因此3个叶片的旋转是同步的，使3个叶片保持相同的受风角度。
在运行过程中主要存在的问题是3个叶片在变桨电机的带动下变换叶片的角度,出现变桨不同步的现象,也就是同时给变桨电机输送变桨信号后,由于变桨轴承发生了故障,只有2个叶片发生了变桨,另外一个没有动,或者3个叶片都不发生动作。
使风机的效率大大降低,输出的功率达不到要求,甚至停机。
这主要是由于电动变桨轴承是在不同于一般的条件下工作的。
轴承的内外圈不相对旋转,而是在很小的角度范围内摆动,因此它的滚珠不是沿整个滚道滚动,而只移动很小的距离,事实上是在摇动,也就是说永远是同一部分的滚珠受载荷的作用。
轴承发生故障原因:
轴承润滑不好造成的磨损，螺栓松动引起轴承移位，安装不当引起轴承变形等。
4.6偏航系统常见故障
航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。
偏航系统的主要作用有两个：
其一是与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；其二是提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。
在风力发电机中，机械部件比电气部件更容易坏，而机械部件中，偏航系统部件又是机械中经常出现故障的重点问题。
风力发电机偏航系统常见故障模式有：
偏航位置故障、右偏航反馈丢失、偏航位置传感器故障、左偏航反馈丢失和偏航速度故障。
偏航电机经常因为过载或者轴头轴承损坏而引起偏航故障。
4.7塔架常见故障
塔架承受载荷比较复杂，其中风载荷和偏心叶轮转动对它的激振力很重要，是塔架疲劳失效的主要原因。
5风力发电机的并网
根据风力发电机运行特征和运行技术，风力发电机一般分为恒速恒频风力发电机和变速恒频风力发电机。
5.1恒速恒频风力发电机的并网
恒速恒频风力发电系统具有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高等优点，是过去几年主要的风力发电设备。
但是在恒速恒频风力发电系统中，其发电设备主要是异步风力发电机，而异步风力发电机运行时，靠转差率来调整负荷，可直接并网，也可通过晶闸管调压装置与电网相连接。
但是异步风力发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流，而过大的冲击电流会使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开，同时造成电压大幅度下降，使得低压保护动作，导致无法并网。
另外，异步发电机自身不发无功功率，需要无功补偿，当输出功率超出其最大转矩所对应的功率会引起网上飞车，因此必须严格监视并采取相应的有效措施才能保障风力发电机组的安全运行。
恒速笼型异步风力发电机系统
三相笼型异步风力发电机
笼型异步风力发电机的内部结构
目前，国内外采用的异步风力发电机的并网方式主要有以下四种：
直接并网，准同期并网，降压并网以及采用双向晶闸管控制的软切入法的并网方式。
5.1.1直接并网方式：
采用这种方式时要求发电机的相序与电网的相序相同，发电机转速接近（一般达到９９％～１００％）同步转速时即可并网。
5.1.２准同期并网方式：
采用这种方式时在转速接近同步转速时，先用电容励磁，建立额定电压，然后对已建立的发电机电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。
当发电机的电压、频率、相位与系统一致时，将发电机投入电网运行。
5.1.３降压并网方式：
采用这种方式时在异步电机与电网之间串接电阻、电抗器或自耦变压器，以降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。
因为电阻、电抗器等要消耗功率，在发电机并入电网进入稳态时，再将其短接。
5.1.４采用双向晶闸管控制的软切入法的并网方式：
采用这种方式时在异步发电机定子与电网之间每相串入一只双向晶闸管，接入的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内。
当发电机达到同步速附近时，发电机输出端的短路器闭合，发电机组通过双向晶闸管与电网相连，通过电流反馈对双向晶闸管导通角控制，将并网时的冲击电流限定在额定电流1.5倍以上，从而得到一个比较平滑的并网过程，正常运行时，双向晶闸管被短接。
5.2变速恒频风力发电机组的并网
变速恒频风力发电系统的发展依赖于大容量电力电子技术的成熟，从结构和运行方面可分为双馈感应发电机系统和直接驱动的同步发电机系统。
变速恒频风力发电机组实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风力发电与电网之间的相互影响，但是它缺点是结构复杂、成本高、技术难度大。
5.2.１双馈式风力发电机及其并网
双馈风力发电技术是应用最广泛的风力发电技术之一。
尤其是双馈感应发电机，不仅改善了风电机组的运行性能，而且大大降低了变频器的容量，至今已逐渐发展成风力发电的主流设备。
双馈风力发电机为定子绕组直接接入交流电网，转子绕组由频率、幅值、相位可调的变流器提供三相低频励磁电流的新型电机，当转子绕组通过某一频率的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，此时会在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，转子的实际转速加上交流励磁电流产生的旋转磁场所对应的转速等于同步转速，从而改变了双馈电机定子电动势与电网电压向量的相对位置，也即改变了电机的功率角，因此有调节无功功率出力的能力。
由于风力发电机变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数ＣＰ得到优化，获得较高的系统效率，可以实现发电机较平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，减少发电机温度变化。
在双馈风力发电机的起动阶段，需要对发电机进行并网前控制以满足并网条件，即发电机定子电压和电网电压的幅值、频率、相位、相序均相同，才能使发电机安全地切入电网，进入正常的并网发电运行模式。
双馈异步风力发电机系统
系统主回路构成：
双馈异步发电机＋交直交双向功率变换器
国产1MW双馈异步风力发电机
当前，双馈风力发电机组的并网方式主要有以下三种：
空载并网，独立负载并网以及孤岛并网方式。
（１）空载并网方式：
采用这种方式通过引入定子磁链定向技术对发电机输出电压进行测节。
使建立的双馈发电机定子空载电压与电网电压的频率、相位和幅值一致，满足并网条件时进行并网操作。
（２）独立负载并网方式：
采用这种方式的思路是，并网前发电机带负载运行，对发电机和负载进行控制，在满足并网条件时进行并网。
这种并网方式的特点是，发电机具有一定的能量调节作用，降低了对原动机的调速能力要求，但是这种并网方式控制起来非常复杂，所需要的信息不仅取自于电网侧，同时还取自于定子侧。
（３）孤岛并网方式：
采用这种方式并网前需要形成能量环路，这个能量环路是这样形成的，首先进行预充电过程，当风力发电机启动后且发电机转速达到励磁范围时开始励磁，电网从预充电变压器经直流整流器向双ＰＷＭ变流器的直流母线电容充电，用以激励整个系统，当定子电压达到额定值（控制器通过控制电机侧的逆变器使发电机定子发电电压达到额定值）时，发电机定子输出和转子输入与双ＰＷＭ逆变器分别连接，形成独立能量环路。
当发电机转速达到并网转速，控制系统将调节发电机电压与电网电压同步，同步后，并网。
综上所述，这种并网方式可分为三个阶段，即励磁阶段，孤岛运行阶段以及并网阶段。
5.2.２直接驱动的同步发电机及其并网
在风力机直接驱动同步发电机构成的变速恒频发电系统中，风力机直接与发电机相连，可省去增速齿轮箱，减少风力发电机的体积和重量，也降低噪声和维护费用。
其发电机主要采用低速永磁同步发电机，具有性能好、效率高、无需励磁、体积小、重量轻的特点。
这种发电系统拓扑结构较简单，控制方法相对容易，目前受到广泛关注。
为保证并网瞬间发电机与电网上的电压、频率及相序一致，通过控制器采集电网电压、频率及相序等参数，然后与逆变器输出电压等参数比较。
当达到并网条件时进行并网。
此种并网方式在并网瞬间不会产生冲击电流，不会引起电网电压的下降，也不会对发电机定子绕组及其他机械部件造成损坏。
永磁同步风力发电机与电网连接图
小结国内外风电正快速发展，保证发电机组安全运行显得尤为重要。
上面对风力发电机组常见故障进行了分析研究，并根据发电机组的特点，分别对恒速恒频和变速恒频风电机组的三种发电机的并网方式进行了初步讨论。
根据实际情况选择合理的并网技术是一个非常重要的问题，其目的是减少故障率，提高机组运行可靠性和整个电网的稳定性。
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