风力发电系统典型故障毕业论文

风电机组的故障率随着风电机组技术的发展而逐渐降低，但是对比于传统的发电系统，如蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机等，风电机组的故障率还是相对较高的，其运行可靠性还有待进一步的增强和提高。总的来说，由于工作环境恶劣、载荷复杂多变，风电机组较易发生故障; 海上风电机组由于会受到风暴、波浪的影响以及盐雾的腐蚀，比陆上风电机组更加容易发生故障; 另外风电机组的故障频率也随着风电机组尺寸的增大而相应有所提高。据统计，风电机组中故障率较高的部件有电气系统、转子叶片、变桨系统、液压系统、控制系统和齿轮箱等，各个部件的故障分布如图1 所示。虽然风电机组中发生电气和控制系统的故障较为频繁，但是维修该类故障所导致的风电机组停机时间是比较短的; 传动系统上的主轴、齿轮箱、发电机等故障率较低的故障，维修时间往往比较长，其中齿轮箱故障导致的风电机组停机时间最长，不同部件（子系统）故障引起的停机维修时间如图2所示。

图1 风力发电机组中各零部件引起的故障分布

Fault distribution caused by different parts and subassemblies in wind turbine

图2 风力发电机组中各零部件故障引起的停机时间

Downtime caused by different parts and subassemblies in wind turbine

1  叶片

叶片( 桨叶) 是风电机组捕捉风能的核心部件，其工作环境恶劣，即便在风电机组正常工作时，叶片上往往承受着较高的应力，容易发生如下一些故障: 由于污染、剥落等原因引起叶片表面粗糙度的增加; 由于结构松动导致的叶片内部材料的移动、雨水通过裂纹进入叶片内部等原因导致叶片不平衡; 叶片变形、桨距控制失效等原因引起叶片空气动力学的不平衡; 疲劳、雷击等原因导致的叶片表面或内部结构出现裂纹等故障。

叶片受力产生裂纹或发生变形时，会释放出高频( 一般在1 kHz ～ 1 MHz) 的、时变的、非平稳的、瞬态的声发射信号。因此声发射检测已经被成功地应用于叶片损伤的探测与评估。由于叶片故障导致转子叶片受力不均，这些应力通过主轴传递会最终作用在机舱上，容易引起机舱的晃动，Caselitz P 等人通过在主轴上安装多个振动传感器，采集低频( ～ 10 Hz) 的振动信号，应用算法成功地分析了叶片转动不平衡等故障。

2 齿轮箱

齿轮箱是连接风电机组主轴和发电机的传动部件，其功能是将主轴上较低的转速提高到相对较高的转速，以满足发电机工作所需的转速要求。齿轮箱一般由一级行星齿轮和两级平行齿轮传动构成，其工作条件恶劣、工况复杂、传递功率大。齿轮箱中的行星齿轮、高速轴侧轴承、中间轴轴承、行星齿轮传动侧轴承以及其润滑系统较容易发生故障。风电机组运行过程中，受交变应力、冲击载荷等作用的影响，齿轮容易发生齿面磨损、齿面擦伤、点蚀、断齿等故障; 轴承容易发生磨损、滚道滑伤、滚子打滑、外圈跑圈等故障。虽然齿轮箱不是风电机组中发生故障最频繁的部件，但是由齿轮箱故障引起的停机维修时间却是最长的，而且维修费用很高。因此齿轮箱的故障诊断与预测得到了广泛的关注。Huang Q 等人通过对齿轮箱的振动信号分析，利用小波神经网络的方法成功地诊断了齿轮箱故障; 另外基于轴承温度、润滑油温度和油液磨粒等信息的分析方法也相继被提出用于齿轮箱故障的检测。

3 电机( 发电机或电动机)

双馈发电机和永磁同步发电机在目前的风力发电机组技术中广泛被使用。其中双馈式风力发电机组的转速较高，其额定转速为1 500 r /min，因此机组中需要齿轮箱用于增速，这样使得机组重量较重，另外发电机的高速运转存在着一定的噪声污染; 电机为异步发电机，变流器连接转子，变流器功率可以双向流动，通过转子交流励磁调节实现变速恒频运行，机组的运行范围很宽，在额定转速60% ～ 110%的范围内都可以获得良好的功率输出。

直驱式风力发电机组由风轮直接耦合电机转子工作，电机转速较低，一般为每分钟几十转。直驱式风力发电机组一般采用永磁同步电机，电机启动转矩较大，定子绕组经全功率变流器接入电网，机组运行范围较宽，但发电机结构复杂、直径较大、成本较高。除了发电机以外，电动机也广泛地应用于风电机组的偏航、变桨等系统中。

电机的故障通常分为电气故障和机械故障。电气方面故障有绕组短路、断路、过热、三相不平衡等。机械故障有轴承过热、损坏，定、转子间的气隙异常，转轴磨损变形等。通过对振动、电流、温度等信号的分析，可实现对电机故障的检测。

4 偏航、变桨和刹车系统

偏航系统主要有两个功能:

1) 使风力发电机组跟踪风向;

2) 由于跟踪风向容易使得从机舱内引出的电缆发生缠绕，当缠绕过多时，偏航系统可用于解除电缆缠绕的问题。

变桨系统的作用是当风速改变时，通过控制叶片的角度来改变风电机组获得空气动力的转矩，实现功率控制; 当风速过高或风电机组故障时，调整叶片到顺桨状态，实现制动。偏航和变桨系统工作较为频繁，偏航和变桨轴承承受的扭矩较大，偏航轴承部分裸露在环境中，容易受到沙尘侵害，盐（水） 雾腐蚀等影响而发生故障。变桨轴承由于其不完全旋转的工作特点，容易发生润滑不良的问题，导致轴承磨损等故障。刹车系统用于防止转子叶片旋转过快，以及当风电机组其他部件发生故障时，实现风电机组的停机。由于摩擦片磨损、受力过大等原因，刹车系统也较容易发生故障。液压系统由于具有单位体积小、动态响应好、传动力大、扭矩大等优良特点，在风电机组的偏航、变桨和刹车系统中都发挥着重要的作用。液压回路相互干涉，使其故障机理复杂，失效模式多样。液压系统常见的故障有液压油污染、漏油、电磁阀、溢流阀故障、液压泵故障、油液过热、异常振动和噪声等。

5 变流器和变压器

随着风电机组单机容量的增加，电气系统能否可靠运行变得越来越重要。据统计资料表明，电气系统是风电机组中故障发生率最高的子系统，电气系统故障在风电机组所有的故障中约占比20%。虽然由电气故障引起的风电机组停机时间不长，但电气系统频繁发生故障，同样会导致高昂维修成本。随着风电机组容量的进一步提高，电气系统的故障频率也会随着增加。

电气系统的故障通常指由于过压、过流、过热、振动、湿度过大等原因所导致的电容、印刷电路板或功率半导体器件（如MOSFET 和IGBT） 等电子元器件的失效。它们的失效分别占了电气系统零部件故障中的30%、26%和21%。

6 控制系统和传感器

风力发电机组的控制系统在偏航、桨距调节、电缆解绕、保护等方面发挥着重要的作用。控制系统中通常包含了各类传感器、控制器和执行机构，经由传感器将各类信号采集并传送至控制器，进行分析处理和逻辑运算，通过执行机构控制和保护风电机组的各个子系统，保障风电机组在安全、可靠、优化的状态下工作。

风力发电机组中安装了各式各样的传感器，如风速仪、风向标、速度解码器、位置编码器、温度传感器、压力传感器、振动传感器、偏航传感器等。由于工作环境恶劣，传感器的故障率较高。有统计资料表明，在风力发电机组中，14% 以上和40% 以上的风电机组故障分别是由传感器本身和传感器相关系统的故障引起的。

除了传感器外，控制系统的其他故障可分为硬件故障和软件故障。硬件故障包括控制板电路故障、伺服机构故障等。软件故障表现为系统出现偶发性的死机、不动作等问题，通常由于设计不合理、内存溢出等原因所导致的，通过重新启动控制系统等动作可消除该类故障。

大型风力发电机组并网运行的探讨 1 风力发电机的并网 风力发电机组是将风能转换成电能的装置，系统包括发电机、增速箱、刹车、偏航、控制等几大系统。直接与电网相连接的是异步发电机。下面以甘肃玉门风力发电场的金风S43/600风机为例说明并网问题。 异步发电机结构简单，其发电的首要条件是要吸收无功来建立磁场，如果没有无功来源，也就是说没有电网，异步发电机是没有能力发电的。 风机从系统吸收无功，必然会造成系统的电压降低和线损的增加，所以每台风力发电机都设有无功补偿装置，最大无功补偿容量是根据异步发电机在额定功率时的功率因数设计的，一般为>0. 98。 但由于风力发电机的无功功率需求随有功变化，如图1所示，因此，风机每个瞬时的无功需求量也都不同，该风机补偿分为4组固定的容量(600kW风机： 、50 、25 、 - A)，在每个补偿段内，不足部分无功从电网吸收。 单台风力发电机组自身有较全的保护系统，风机主电路出口处装有速断和过流保护，其定值分别为2倍的额定电流、Os动作和倍额定电流、12 s动作。风机还有灵敏的微机保护功能，设有三相电流不平衡，缺相，高压、低压，高周、低周，功率限制等项保护。因此当风电场内或电力系统发生故障时，风机的保护动作非常迅速，保证电网和风电场的安全。 由于异步电机在启动时冲击电流较大，最大可以达到额定电流的5～7倍，对电网会造成冲击。为解决以上问题，现在设计的风力发电机有性能优越的软并网控制电路。目前软并网的控制方式有两种：电压斜坡方式和限流方式。软并网过程可以做得很平稳，整个软启动的过程可以在十几个周波到几十个周波内完成，最高峰值电流可以限定在额定电流之内。图2是记录的S43/600风机并网时的电流实际波形，采样电流幅值衰减20倍。风机的软启动电流限制在500 A内（小于额定电流），启动过程约40个周波。 另外，目前风电场占系统的容量很小，而且风电场的容量利用系数较低，因此风电负荷的变化不会对系统的周波造成较大的影响。2风电场并网中应注意的几个技术问题 继电保护 在设置保护和确定保护定值时应考虑以下因素。 目前一般风机出口电压是低压系统，从35 kV侧的等值电路来看，风机及相应的低压电缆相当于一个很大的限流电抗，短路电流无法送出。 风力发电机为异步发电机，当系统短路时，风机出口电压大幅度下降，没有了励磁磁场，则风机无法发电。风机自身具有全面的微机保护。 由于以上特点，在考虑电网继电保护和风电场的继电保护方案时，只需设置速断和过流保护，定值考虑躲过风电场最大负荷电流即可。 电网电压的调整 有些风电场处于电网末端，电压较低，在进行风电场设计时有一项很重要的工作就是变压器电压分接头设计。既要保证风机的出口电压，又要确保线路上其他用户的要求。 在设计时要认真调查不同季节、不同时间（白天与晚上的负荷）距离风电场最近的线路末端节点电压的变化值，并根据该电压值来设计电压分接头，风力发电机作为电源，其电压允许的偏差值为额定电压的+10%至-5%，如果电压低于额定值，则输送同样功率时电流值就会增加，从而引起线路损耗的增加。另一方面，低电压还会引起软启动电流值的增加。在风电场接入电网调试期间，应反复测量变电站低压侧电压，合理选择分接开关位置，以确保风机出口电压在规定的范围之内。 风电场的无功补偿 风电的无功需求特点如下：在停风状态下也保持与电网的联接并从系统吸收无功。 风机的无功需求量随着有功变化而变化，一部分通过自身的无功补偿装置补偿。但在无功补偿的4组固定的容量之间，仍需从电网吸收部分无功。 风电场的无功造成的影响如下：①风电场的无功变化在满发时会抬高风机出口电压，在并网时会在瞬间较大幅度降低出口电压。②对线路及变压器损耗的影响。由于风电场设备长期并网，无论是否发电，变压器都要向系统吸收一定的无功，其数量大约是变压器容量的1%—。此外，随着风机有功出力的变化，无功需求也在变化，当风机本身的无功补偿不足以补偿这些无功变化时，就需从电网吸收无功，这些无功在流经线路时也会引起线路损耗。风电场中的风机是分散排布的，其间隔距离较大，因此从系统吸收无功所经的线路较长，又会增加一定的线路或变压器损耗。 综上所述，风电场的无功补偿是一项有经济效益的工作，除了风机内的补偿外，在每台箱式变压器低压侧根据变压器的空载电流大小增加一组补偿电容器并长期投入，容量按照变压器空载无功功率选取： 以红松风力发电场用的1 600/10. 5/0. 69箱式变压器为例，空载电流为0. 6%，空载损耗 kW，视在额定功率1 600 kV．A，变压器空载无功约为9. 37 kV -A。 另在35 kV升压站内增加无功补偿装置，以弥补由于出力变化引起的无功变化，从而起到降低线路损耗的作用。3结论 大型风力发电机组在并网时选择合适的继电保护装置、合理地调整电网电压、配备足够的无功补偿装置，就能顺利并网。理论和实践都已证明风力发电的并网过程比较简单，不会对电网产生影响。 本文选自591论文网591LW：专业 代写毕业论文 -致力于代写毕业论文,代写硕士论文,代写论文,代写mba论文,论文代写